Polypropylen
Was verbindet Verpackungsfolien, medizinische Geräte, Autoteile und Gartenmöbel? Natürlich das Baumaterial, denn alle diese Produkte können aus Polypropylen (PP) bestehen. Dieser thermoplastische Kunststoff ist ein Vertreter der Polyolefine und hat aufgrund seiner Vielseitigkeit die Kunststoffindustrie revolutioniert. Unter allen Kunststoffen ist Polypropylen zusammen mit Polyethylen (PE) am weitesten verbreitet. Die weltweite Jahresproduktion betrug im Jahr 2020 etwa 44,8 Millionen Tonnen. Damit gehört Polypropylen zu den wichtigsten Kunststoffen überhaupt.
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Die Erfindung des Polypropylen
Polypropylen wurde erstmals 1951 von den Chemikern Banks und Hogan synthetisiert, die die Polymerisation von Propen untersuchten. Die Entwicklung des kristallinen Polypropylens folgte 1954 durch Giulio Natta und Karl Rehn, die unabhängig voneinander an der Herstellung solcher Kunststoffe arbeiteten. Mit der Einführung spezieller Katalysatoren gelang es, eine synthetische Herstellungsform zu etablieren.
Die herausragenden Eigenschaften von Polypropylen, wie Leichtigkeit, Festigkeit und chemische Beständigkeit, machten es schnell zu einem Wendepunkt für die Kunststoffindustrie. Es ermöglichte die Entwicklung zahlreicher neuer Produkte und Anwendungen. Für seine bahnbrechenden Arbeiten in der Polymerchemie wurde Natta 1963 zusammen mit seinem Kollegen Karl Ziegler mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.
Eigenschaften von Polypropylen
Polypropylen besticht durch eine Kombination aus Leichtigkeit, Stabilität und Vielseitigkeit. Mit einer Dichte zwischen 0,895 und 0,92 g/cm³ ist es einer der leichtesten Kunststoffe. Es ist dabei jedoch mechanisch robust mit hoher Zugfestigkeit und Steifigkeit. PP zeigt eine relativ gute Temperaturbeständigkeit und kann langfristig Temperaturen bis zu 100 °C und kurzfristig sogar bis zu 140 °C standhalten. Chemisch ist PP sehr widerstandsfähig und zeigt kaum Reaktionen mit Säuren, Basen oder organischen Lösungsmitteln.
Vielseitig anwendbar
Diese Eigenschaften machen es ideal für anspruchsvolle Anwendungen, bei denen Festigkeit, Beständigkeit und ein geringes Gewicht gefragt sind. Gleichzeitig lässt sich Polypropylen leicht verarbeiten, sei es durch Spritzgießen, Extrusion oder Schäumen. PP isoliert sehr gut und wird daher oft für entsprechende Geräte und Schalter verwendet. Ein weiterer Vorteil ist die vollständige Recyclingfähigkeit des Materials, das frei von Weichmachern und daher auch gesundheitlich unbedenklich ist. PP hemmt zudem das Bakterienwachstum und eignet sich daher ebenfalls für den medizinischen Bereich.
Herstellung von Polypropylen
Polypropylen wird durch die Kettenpolymerisation des Monomers Propen (C3H6) hergestellt. Dieser Prozess nutzt entweder die sogenannten Ziegler-Natta- oder Metallocen-Katalysatoren. Damit werden die Doppelbindungen in den Propenmolekülen aufgebrochen und sie lassen sich zu langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen verknüpfen. Die chemische Struktur von Polypropylen wird durch die Ausrichtung der Methylgruppen entlang der Polymerkette bestimmt. Diese Ausrichtung wird als Taktizität bezeichnet. Man unterteilt zwischen sotaktisch (alle Seitenketten zeigen in die gleiche Richtung), syndiotaktisch, (die Seitenketten wechseln sich ab und zeigen abwechselnd nach vorne und hinten) und ataktisch (die Seitenketten sind zufällig verteilt). Die Art der Taktizität beeinflusst die physikalischen Eigenschaften des Materials erheblich. Isotaktisches Polypropylen mit gleichmäßiger Ausrichtung ist die häufigste und kommerziell wichtigste Form, da mit dieser Form eine hohe Kristallinität und damit verbundene mechanische Festigkeit verbunden ist.
Anpassungen je nach Anwendung
Der Herstellungsprozess kann anwendungsabhängig angepasst werden. So werden für spezifische Eigenschaften Verstärkungsstoffe wie Glas- oder Carbonfasern sowie bestimmte Additive verwendet. Damit lässt sich die Hitzebeständigkeit, die UV-Stabilität oder die mechanische Festigkeit erhöhen. Das Ausgangsmaterial Propen kann auch mit biobasierten Rohstoffen wie etwa Pflanzenöle hergestellt werden. Das ist allerdings kostenintensiver als die traditionelle Erzeugung auf Basis von Erdöl oder Erdgas.
Die Verarbeitung: Spritzguss, Extrusion, Schäumen und Schmelzspinnen
Die Verarbeitung von Polypropylen erfolgt überwiegend durch Spritzgießen, Extrusion oder Schäumen. Beim Spritzgießen wird der Kunststoff bei Temperaturen zwischen 250°C und 270°C geschmolzen und in Formen gepresst. Dieser Prozess eignet sich besonders für die Konstruktion komplexer und detaillierter Bauteile.
Die Werkzeugtemperaturen liegen dabei zwischen 40 °C und 100 °C, um ein gleichmäßiges Abkühlen zu gewährleisten und Schrumpfungen oder Verformungen zu verhindern. Vor der Verarbeitung wird das Granulat oft getrocknet, um Feuchtigkeitsansammlungen zu vermeiden, die die Materialqualität beeinträchtigen könnten.
Extrusion und Schäumen
Die Extrusion wird häufig für Folie, Rohre und Profilen eingesetzt. Hierbei wird das PP ebenfalls geschmolzen und durch eine Düse gepresst, um kontinuierliche Formen wie Rohre zu erzeugen. Das sogenannte expandierte Polypropylen (EPP) weist eine geschäumte Struktur auf. Dafür kommen spezielle Hochdruckverfahren zum Einsatz. Die Dichte der Schäume kann stark variieren, von leichten 10 kg/m³ für flexible Schäume bis hin zu 700 kg/m³ für strukturelle Anwendungen.
Schmelzspinnen
Eine weitere wichtige Verarbeitungsmethode ist das Schmelzspinnen, bei dem aus dem geschmolzenen Polypropylen Fasern hergestellt werden. Diese Fasern werden in der Textilindustrie oder für Non-Woven-Materialien verwendet, wie sie zum Beispiel in medizinischen Masken vorkommen. Auch für faserverstärkte Platten ist Polypropylen ein geeigneter Baustoff. Diese Platten werden durch Heißpressen zu Bauteilen geformt.
Polypropylen bietet verschiedene Möglichkeiten der Nachbearbeitung. Es kann geschweißt, bedruckt, lackiert oder galvanisiert werden. Vor solchen Oberflächenbehandlungen ist jedoch eine chemische Vorbehandlung notwendig, um die geringe Oberflächenenergie des Materials auszugleichen. Dank seiner vielseitigen Verarbeitbarkeit und Anpassungsfähigkeit ist Polypropylen ein unverzichtbarer Kunststoff in zahlreichen Industriezweigen.
Anwendungsbereiche
Polypropylen findet in zahlreichen Branchen und Unternehmen Einsatz und deckt ein breites Anwendungsspektrum ab. Im Verpackungsbereich wird es häufig für Folien, Behälter oder Flaschenverschlüsse verwendet. Expandiertes Polypropylen (EPP) dient als umweltfreundliche Alternative zu expandiertem Polystyrol (EPS). In der Automobilindustrie wird PP sowohl für Innen- als auch Außenanwendungen genutzt, etwa für Stoßfänger, Innenverkleidungen oder verstärkte Bauteile mit Glasfaser-Zusätzen. Die Medizintechnik profitiert von den hygienischen und chemisch stabilen Eigenschaften des Materials, etwa bei der Herstellung von Masken, Spritzen oder Nahtmaterial. Auch im Bauwesen wird Polypropylen vielfach eingesetzt, beispielsweise für Rohre, Behälter oder UV-beständige Gartenmöbel. Darüber hinaus spielt es eine wichtige Rolle in der Textilindustrie, wo es als Grundstoff für atmungsaktive, leichte und strapazierfähige Funktionskleidung verwendet wird.
Nachhaltigkeit und Recycling
Polypropylen ist nicht nur vielseitig einsetzbar, sondern für einen Kunststoff auch bemerkenswert nachhaltig. Es lässt sich vollständig recyceln und wird dabei durch seinen Recyclingcode 05 eindeutig gekennzeichnet. Bei der thermischen Verwertung entstehen primär Kohlendioxid und Wasser, was PP zu einem der vergleichsweise umweltfreundlichen Kunststoffe macht. Gleichzeitig wächst die Bedeutung biobasierter Polypropylene, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden und die Umweltschädlichkeit als Kunststoff weiter reduzieren können. Trotz dieser Vorteile ist PP nicht biologisch abbaubar. Es zerfällt beispielsweise unter UV-Einstrahlung zu dem stark belastenden Mikroplastik. Dennoch zeigt es im Vergleich zu anderen Kunststoffen eine bessere Umweltbilanz. Das gilt jedenfalls, wenn es konsequent recycelt und verantwortungsvoll genutzt wird.
FAQ zu Polypropylen
Ist Polypropylen gesundheitsschädlich?
PP gilt als einer der sichersten Kunststoffe und wird in Form von Folien häufig für Lebensmittelverpackungen und in komplexer Form für medizinische Geräte verwendet. Mit seiner Oberflächenstruktur hemmt es das Bakterienwachstum.
Kann PP hohe Temperaturen aushalten?
PP hat eine gute Wärmebeständigkeit und kann Temperaturen von bis zu 100° Celsius standhalten. Das macht es für viele Anwendungen geeignet. Mit der Beigabe von Zusätzen bei der Herstellung und Verarbeitung erhalten viele größere Teile aus diesem Kunststoff eine höhere Hitzebeständigkeit bis zu 120° Grad und mehr.
Ist PP umweltfreundlich?
Abgesehen von allen Bedenken gegenüber Kunststoffen wie Polythylen, die als Folien verwendet werden, ist PP vollständig recycelbar und verbrennt zu nicht-toxischen Stoffen. Zudem gibt es Entwicklungen für biobasiertes PP, die es noch umweltfreundlicher machen.
In welchen Bereichen wird PP hauptsächlich eingesetzt?
PP wird in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, darunter Verpackungen, Automobilindustrie, Bauwesen, Textilien, Medizingeräte und vieles mehr.