Polystrol
Polystyrol (PS) ist ein transparenter Kunststoff, der für seine hohe Oberflächengüte und Lichtdurchlässigkeit geschätzt wird. Gemeinsam mit Polyethylen und Polypropylen zählt er zu den weltweit meist verwendeten Kunststoffen. Als Thermoplast gehört PS zu den Standard-Kunststoffen und ist einer der ältesten bekannten Vertreter dieser Gruppe. PS ist vielseitig einsetzbar: In geschäumter Form dient es als Dämm- oder Verpackungsmaterial, bekannt unter Namen wie Styropor. Es findet sich in Alltagsgegenständen wie Joghurtbechern, Einwegbesteck oder CD-Hüllen. Aufgrund seiner einfachen Verarbeitung und geringen Kosten ist PS z.B. auch bei Architekten und Designern für ihre Entwürfe beliebt, während schlagfeste Varianten dieser Kunststoffe in der Elektronikindustrie für Gehäuse verwendet werden. Kunststoffe auf Styrolbasis, die sogenannten Styrenics, machen rund 10 % der globalen Kunststoffproduktion aus und bilden damit die viertgrößte Gruppe.
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PS als wichtiger Kunststoff auf dem Markt
Polystyrol (PS) ist ein äußerst vielseitiger Kunststoff, der in zahlreichen Bereichen des täglichen Lebens Anwendung findet. Neben seiner bekannten Verwendung als Dämmstoff (Styropor) und Verpackungsmaterial spielt PS auch eine entscheidende Rolle in der Elektronikindustrie. Aufgrund seiner hervorragenden Stabilität, Schlagfestigkeit und guten elektrischen Eigenschaften wird es häufig für die Herstellung robuster Gehäuse von elektronischen Geräten verwendet. Die Nachfrage nach Polystyrol ist ungebrochen. Im Jahr 2023 betrug die weltweite Produktionsmenge von Polystyrol schätzungsweise mehr als 20 Millionen Tonnen. Experten gehen davon aus, dass dieses Wachstum in den kommenden Jahren aufgrund der steigenden Nachfrage in verschiedenen Industriezweigen, wie der Bauindustrie, der Automobilindustrie und der Verpackungsindustrie, weiter anhalten wird.
Die Preise für Polystyrol unterliegen Schwankungen und werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Die Kosten für die Herstellung von Polystyrol sind eng an die Preise der Rohstoffe, insbesondere des Erdöls, gekoppelt. Steigende Ölpreise führen in der Regel zu höheren Produktionskosten und damit auch zu höheren Preisen für Polystyrol. Konjunkturelle Schwankungen wirken sich ebenfalls auf die Nachfrage nach Polystyrol aus. In Zeiten wirtschaftlichen Wachstums steigt die Nachfrage in der Regel, während in rezessiven Phasen die Nachfrage zurückgeht. Die Preise für Polystyrol können je nach Region unterschiedlich sein. Faktoren wie Transportkosten, lokale Steuern und Wettbewerbsbedingungen beeinflussen die Preisgestaltung. Anfang 2024 lagen die Preise für Polystyrol in verschiedenen Weltregionen zwischen 1,20 und 1,50 Euro pro Kilogramm.
Eigenschaften und Herstellung des Polystyrol
Chemische Eigenschaften:
- Die Monomereinheit von PS ist das Styrol.
- Struktur besteht aus linearem Polymer mit Phenyl-Seitenketten.
- Die Polarität ist niedrig, seine Dichte beträgt fest 1,04 – 1,09 g/cm³ und geschäumt 20 – 90 kg/m³.
- PS ist gut löslich in aromatischen Kohlenwasserstoffen (z.B. Benzol, Toluol), Ketonen und Ester.
- PS ist resistent gegen Säuren, Laugen und viele Lösungsmittel, aber empfindlich gegenüber der UV-Strahlung.
- Die Wärmebeständigkeit ist begrenzt, PS wird bei ca. 100 °C weich.
Mechanische und sonstige Eigenschaften:
- Härte, Steifigkeit, Zugfestigkeit und Biegefestigkeit sind hoch.
- Die Schlagzähigkeit ist gering, kann aber durch Zusatzstoffe verbessert werden.
- PS zeigt eine geringe Elastizität.
- In reiner Form ist das Polystyrol hochtransparent.
- PS ist ein guter elektrischer Isolator bei geringer Wärmeleitfähigkeit. Dies gilt besonders in geschäumter Form.
Die genannten Merkmale der Kunststoffe dieser Gruppe variieren je nach der spezifischen Zusammensetzung des Polystyrols z.B. durch Zusatz von Copolymeren oder Füllstoffen.
Die Herstellung von Polystyrol wird mit der Polymerisation von Styrol-Monomeren eingeleitet. Styrol ist ein ungesättigter, aromatischer Kohlenwasserstoff. Styrol ist eine klare Flüssigkeit, die gesundheitsschädliche Eigenschaften besitzt. Der chemische Prozess der Polymerisation findet unter Einfluss von Wärme und angeregt durch Katalysatoren statt. Die Polymerisation für das Styrol erfolgt dabei anionisch, kationisch oder radikalisch, aber auch kontrolliert mithilfe des Ziegler-Natta-Verfahrens über Katalysatoren. Der Vorgang führt zu langen Kettenmolekülen, die die Basis für Polystyrol bilden.
Besonders erwünschte physikalische Eigenschaften von Polystyrol sind wie schon erwähnt die Transparenz, aber auch die hohe Steifigkeit und beim geschäumten PS die thermische Isolationsfähigkeit. Damit wird PS in der Verwendung zu einem vielseitigen Kunststoff für die Hersteller. Seine chemische Struktur lässt sich anpassen und bestimmt die Ausprägung der Eigenschaften wie Härte, Schlagfestigkeit und Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und Chemikalien. Verschiedene Typen von Polystyrol, wie das besonders schlagfeste Polystyrol (HIPS) oder das expandierte Polystyrol (EPS), bieten unterschiedliche Merkmale für spezifische Anwendungen. Sehr bekannt und geschätzt ist das sogenannte ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), das im Fahrzeugbau, aber vor allem auch im 3D-Druck eingesetzt wird.
Die Verarbeitung von Polystyrol
In der Verarbeitung kann Polystyrol sehr unterschiedliche Formen annehmen. Es wird hauptsächlich über das Spritzgießen und die Extrusion weiterverarbeitet. Beim Spritzgießen wird Polystyrol als thermoplastischer Kunststoff unter Wärmezufuhr verflüssigt und mit hohem Druck in eine Hohlform (das Werkzeug) gespritzt. Nach dem Aufsetzen des Gegenstücks der Hohlform kühlt es ab und verfestigt sich. Der Spritzguss ermöglicht die Herstellung komplexer Teile mit hoher Präzision. Bei der im Prinzip ähnlichen Extrusion presst man das geschmolzene Polystyrol in einer Endlosform durch eine Düse und erzeugt so Produkte wie Rohre, Profile oder Folien. Im Extrusionsblasverfahren entstehen Hohlkörper aus den Untergruppen PS-SB, ABS, SAN und ASA. Diese Prozesse erfordern eine präzise Steuerung der Temperatur und des Drucks, um die gewünschten Eigenschaften im Endprodukt sicherzustellen. Polystyrol (PS) wird beim Spritzgießverfahren in eine Vielzahl von Bauteilen geformt, darunter:
- Gehäuse für Elektronikgeräte wie Fernbedienungen, Monitore und Fernsehgeräte.
- Verpackungen, wie zum Beispiel CD-Hüllen und Kosmetikverpackungen.
- Spielzeug, von Bauklötzen bis hin zu Modellbausätzen.
- Haushaltsartikel wie Besteck, Teller und andere Küchenutensilien.
- Medizinische Geräte, einschließlich Einwegspritzen und Testkits.
Die Hersteller profitieren dabei von den leichten, kostengünstigen und anpassungsfähigen Fähigkeiten des Polystyrols. Beim Kunststoffspritzguss wird Polystyrol in der Regel in Form von kleinen Perlen oder Granulaten an verarbeitende Unternehmen geliefert. Diese Form ermöglicht eine relativ einfache Handhabung und Dosierung des Materials in den Spritzgießmaschinen. Das Granulat wird dann wie gesagt in den Maschinen erhitzt und unter Druck in Formen gepresst, um die gewünschten Kunststoffteile als Massenprodukte in hoher Stückzahl herzustellen. Für die Schaumstoffplatten werden Thermosägen verwendet. Warmumformungen z.B. zu Bechern werden meist im Vakuum zwischen 130 °C und 200 °C durchgeführt. Polystyrol lässt sich sehr gut kleben, schleifen und polieren.
Polystyrol als Styropor
Der Prozess, durch den Polystyrol (PS) in das allgemein als Styropor bekannte Material z.B. für Verpackungen umgewandelt wird, wird als Schäumen oder Expandieren bezeichnet. Zu diesem Prozess gehört zunächst die Erwärmung von Polystyrolperlen mit heißem Dampf. Hierdurch dehnen sich die Perlen aus und haften aneinander. Damit bilden sie eine leichte, poröse Struktur.
Die einzelnen Perlen reagieren mit ihren winzigen Zwischenräumen wie eine ganz leicht nachgiebige Masse. Dieses expandierte Polystyrol (EPS) wird häufig zur Isolierung und für Verpackungen verwendet, da es hervorragende thermische und elektrische Isoliereigenschaften sowie eine effektive Stoßdämpfung bietet. Die mechanische Energie kann sich aufgrund der Struktur des Materials nur begrenzt weit ausbreiten.
Beispiel CD-Hülle
Noch vor wenigen Jahren gehörten die CDs samt ihren Hüllen zur absoluten Massenware. Inzwischen haben die Online-Musik und Software-Downloads die CDs nahezu überflüssig gemacht und es werden nur noch Bruchteile der früheren Produktionsmengen erreicht. Dennoch eignet sich die CD-Hülle als gutes Beispiel, um die Eigenschaften von PS zu erläutern. Wenn PS also zu einer CD-Hülle weiterverarbeitet wird, zeigt die Hülle folgende Eigenschaften:
- Chemisch:
PS ist ein amorpher Thermoplast mit einer verhältnismäßig hohen Schmelztemperatur. Die CD-Hülle zeigt sich beständig gegen Säuren, Alkohole, Basen, die meisten Öle und schützt die CD. - Physikalisch:
PS ist leicht, hart und spröde mit einer glatt-glänzenden Oberfläche. Es hat eine höchst geringe Wasseraufnahme, beweist gute elektrische Isoliereigenschaften und zeigt nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Damit wird die CD auch vor solchen Einflüssen geschützt. - Die Transparenz ermöglicht die Sichtbarkeit des Inhalts, während die Festigkeit und Steifigkeit des Materials den Schutz der CD vor mechanischen Einflüssen sicherstellt.
Es lässt sich kein besseres Material für diese Aufgabe finden, das zudem so preiswert ist.
Weitere thermisch-chemische Merkmale des Polystyrol
Das PS hat je nach Produktionsweise tatsächlich einen ziemlich hohen Schmelzpunkt. Die Schmelztemperatur liegt beim sogenannten isotaktischem Polystyrol bei 240 °C und bei dem syndiotaktischen bei 270 °C. Wenn das Polystyrol (PS) allerdings direkt dem Feuer ausgesetzt wird, beginnt es zu schmelzen und brennt. Dabei setzt es dichten schwarzen Rauch und potenziell giftige Verbindungen frei. Es entzündet sich auch selbst bei entsprechend hohen Temperaturen und brennt dann mit einer leuchtend gelben Flamme.
Die Verbrennungsprodukte von Polystyrol sind in jedem Fall gesundheitsschädlich. Bei niedrigen Temperaturen verhält sich Polystyrol relativ stabil. Es kann jedoch spröde werden, wenn es Temperaturen nahe oder unter dem Gefrierpunkt ausgesetzt ist. Bei sehr niedrigen Temperaturen wird PS anfälliger für Risse und Brüche, besonders wenn es einem plötzlichen Schlag oder Druck ausgesetzt wird. Die genauen Grenzen hängen vom spezifischen PS-Typ und weiteren Umweltbedingungen ab.
Recycling und die aktuelle Forschung
Wie viele massenhaft produzierte Kunststoffe entwickelt sich auch das PS zu einem Umwelt- und Gesundheitsproblem. Besonders seine Langlebigkeit in der Umwelt trägt zur Verschmutzung bei. Die nachhaltige Produktion von Polystyrol steht daher im Fokus der Bemühungen in der Industrie und an den Universitäten. Die Forschungen konzentrieren sich auf das potentielle Recycling. Das traditionelle Recycling hat sich bei PS aufgrund seiner komplexen chemischen Struktur und der daraus resultierenden Herausforderungen als schwierig erwiesen. Zudem erzeugen die althergebrachten Methoden oft Produkte von geringerer Qualität, die wirtschaftlich nicht rentabel sind. Dies hat dazu geführt, dass Polystyrol selten recycelt wird und häufig auf Deponien landet und damit die Umweltverschmutzung verursacht.
Dabei gibt es einige Fortschritte. Beim chemischen Recycling von Polystyrol zielt man darauf ab, den Kunststoff in seine ursprünglichen Monomere zurückzuführen, damit man ihn neu nutzen kann. Die Ansätze hierfür umfassen die Entwicklung von besser recyclebarem Polystyrol-Produkten, damit eine Kreislaufwirtschaft entstehen kann. Als vielversprechender Ansatz wird das Tray-to-Tray-Recycling gehandelt, bei dem ausgediente Polystyrol-Produkte direkt in neue Lebensmittelverpackungen umgewandelt werden sollen. Wie bei anderen Kunststoffen auch ist jedoch das chemische Recycling derzeit noch mit erheblichem Aufwand verbunden. Darüber hinaus werden Möglichkeiten erforscht, Polystyrol aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen, was zum einen die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern könnte und zum anderen das Recycling erleichtern würde.