Fluor

Fluor

Fluor-Eigenschaften
Chemisches Symbol F
Schmelztemperatur -219,61°C
Siedetemperatur -188,13°C
Farbe Blassgrünlich-gelb
Oxidationsstufe -1
Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste Rang 17.
Reaktionspartner Reagiert mit fast allen Stoffen sogar mit seinen Halogenen Partner
Atommasse 18,998 u
Dichte bei Siedetemperatur 1,513 g pro cm3

Fluorverbindungen werden zu vielen verschiedenen Zwecken eingesetzt. Die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) sind geruchlose und ungiftige Flüssigkeiten oder Gase, wie z. B. Freon. Sie werden als Kältemittel (siehe Kühlmittel) in Kühlschränken (siehe Kühlung) und Klimaanlagen verwendet und dienten bis vor einigen Jahren sehr oft als Treibmittel in Spraydosen.. Teflon, ein Kunststoff auf der Basis eines Fluorkohlenstoffes, ist sehr widerstandsfähig gegen die meisten Chemikalien und wird in der Automobilindustrie verwendet. Außerdem dient es zum Beschichten von Bratpfannen oder anderen Küchengeräten. Die flüssigen fluorierten Kohlenwasserstoffe beispielsweise, die man mit Bestandteilen des Erdöles herstellt, sind sehr widerstandsfähige Schmieröle. In den USA dient Fluor zur Produktion von Uranhexafluorid, das zur Isotopentrennung von Kernbrennstoffen benötigt wird, u. a. beim Gasdiffusionsprozess (Kernenergie: Kernbrennstoffe und Abfallprodukte; Isotope: Trennung etc).

gibt es so viele Kunststoffarten? ............................... 9
1.5 Welche Vorteile haben Kunststoffe? ............................................... 10
1.5.1 Sie sind leicht ....................................................................... 10
1.5.2 Sie lassen sich leicht und kostengünstig formen ................... 10
1.5.3 Sie sind gute Isolatoren für Wärme und elektrischen Strom .. 11
1.5.4 Sie sind flexibel und anpassungsfähig ................................... 12
1.6 Wieviel Kunststoff wird produziert und verbraucht? ...................... 12
1.6.1 Produktion von Rohkunststoffen in Österreich ..................... 12
1.6.2 Kunststoffverarbeitung in Österreich .................................... 14
1.6.3 Wo werden Kunststoffe eingesetzt? ....................................... 14
1.7 Wieviel Erdöl wird für die Herstellung verbraucht? ....................... 15

Kunststoffe und Umwelt .................................................................... 17
2.1 Wieviel Energie wird für die Herstellung verbraucht? .................... 17
2.2 Welche Zusatzstoffe werden verwendet? ........................................ 18
2.3 Was ist die ÖKOBILANZ? .............................................................. 19
2.4 Abbaubare Kunststoffe .................................................................. 21
2.4.1 Herstellung von Abbaubaren Kunststoffen ............................ 22
2.4.2 Einsatzgebiete von Abbaubaren Kunststoffen ........................ 23
Kunststoffabfälle .................................................................................. 24
3.1 Wieviel Abfall fällt an? .................................................................... 24
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Kunststoffverwertung ........................................................................... 27
4.1 Die 3 Wege der Kunststoffverwertung ............................................. 27
4.2 Stoffliche Verwertung oder Materialrecycling ................................. 28
4.2.1 Wo wird Regranulat eingesetzt? ............................................ 29
4.2.2 Grenzen der stofflichen Verwertung ..................................... 30
4.3 Rohstoffliche oder chemische Verwertung ..................................... 30
4.4 Hydrolyse von Kunststoffen ........................................................... 31
4.5 Synthesegasherstellung ................................................................. 32
4.5.1 Verwendung von Methanol ................................................... 33
4.6 Energetische oder thermische Verwertung .................................... 33
4.7 Was wird gesammelt? .................................................................... 34

Zusammenfassung .............................................................................. 35

Abbildungsverzeichnis ......................................................................... 37

Literaturverzeichnis ............................................................................ 39 en622s7584snnn

Sehr geehrte Damen und Herren!

Ich habe mich für das Thema Kunststoffe entschieden, da mir bei der Durchsicht einiger Materialien, im Vorfeld der Arbeit, die relativ kurze Zeit der Existenz von Kunststoffen und ihre Vielseitigkeit besonders aufgefallen ist.

Kunststoffe gibt es erst seit circa 140 Jahren und dennoch sind sie in dieser kurzen Zeitspanne zu einem der wichtigsten, wenn nicht sogar dem wichtigsten, Werkstoffe geworden.

Sie sind aus unserem täglichen Leben überhaupt nicht mehr wegzudenken, denn sie übernehmen allerlei wichtige, teilweise sogar lebenswichtige Aufgaben. Sei es als Verpackungsmaterial, das Lebensmittel vor äußeren Einflüssen wie Verschmutzung, Qualitätsverlust und Verderben bewahrt, oder als Dämm– und Isoliermaterial in der Baubranche, um nur einige Anwendungsgebiete zu nennen.

Durch diese ersten Informationen neugierig geworden, entschied ich mich dem Thema und somit dem Grund für die vielseitige Verwendbarkeit von Kunststoffen nachzugehen.

Hiermit wünsche ich Ihnen viel Spaß bei der Durchsicht meiner Fachbereichsarbeit!

1. Kunststoffe allgemein

1.1 Was sind Kunststoffe?

Kunststoffe sind organische Werkstoffe, deren Hauptbestandteil Kohlenstoff ist. Fast alle Kunststoffe enthalten zusätzlich Wasserstoff, viele auch Sauerstoff oder Stickstoff. Wesentlich seltener findet man Schwefel, Chlor, Fluor oder Silizium in Kunststoffen.

Die Elemente sind zu riesigen, kettenförmigen oder netzartigen Molekülen zusammengeschlossen, die man wegen ihrer Größe als Makromoleküle bezeichnet.

Abb. 1: Modell eines Kunststoffmoleküls

Zahlreiche Naturstoffe wie etwa Zellulose, Stärke, Eiweißstoffe oder Harze sind ebenfalls aus Makromolekülen aufgebaut.

Abb. 2: Modell eines Zellulosemoleküls

1.2 Die Geschichte der Kunststoffe

Die Geschichte der Kunststoffe beginnt vor circa 140 Jahren mit der Entwicklung von Celluloid aus Cellulose. Zwar gab es schon im Mittelalter Rezepte zur

Herstellung von Kaseinharz und 1761 wurde in Frankreich Kautschuk zur Produktion von Schläuchen verwendet, doch die eigentliche Geschichte der

Kunststoffe beginnt erst mit der großtechnischen Nutzung der Kunststoffe selber und der Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Grundsteine für die Kunststoffchemie wurden schon in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts gelegt. Denn bereits 1837 entdeckte Justus von Liebig das Formaldehydharz und in den beiden darauffolgenden Jahren wurde Polyvinylchlorid im Labor hergestellt und die Polymerisation von Styrol beobachtet. Die großtechnische Nutzung dieser drei Kunststoffe begann jedoch

erst in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Obwohl die halbsynthetischen Kunststoffe Celluloid und Kunsthorn begannen sich auf dem Markt zu behaupten, waren die Chemiker immer noch auf der Suche nach vollsynthetisch zu erzeugenden Makromolekülen. Leo Hendrik Baekeland suchte diese Möglichkeit auf dem Gebiet der Phenol – Formaldehyd – Kondensation. Er fand die schon 1872 von A. Bayer beschriebenen, in Vergessenheit geratenen, Aufzeichnungen über „die Reaktion von Formaldehyd – Lösungen mit Phenol“. Baekeland veränderte bei den Versuchen die Anteile von Säuren oder Alkalien und erhielt so technisch verwertbare Harze. Er schlug außerdem die Verwendung von Druck bei der Aushärtung der Harze vor, um dadurch ein weitgehend blasenfreies Produkt zu erhalten. 1909 begann Baekeland mit der Produktion des nach ihm benannten Bakelits. Ihm war es somit gelungen den ersten vollsynthetisch hergestellten Kunststoff technisch zu nutzen. Bakelit fand einen bedeutenden Einsatz in der damaligen Elektroindustrie und auch heute werden Phenolharze noch viel genutzt, vor allem als Bindemittel und für selbstschmierende Lager. Hierfür sind sie aufgrund ihrer Charakteristika wie Wärmebeständigkeit, Festigkeit und Härte besonders gut geeignet.

Im selben Jahr untersuchte Stobbe die Polymerisierbarkeit des Styrols. Die industrielle Großproduktion begann jedoch erst 1936. Die lange Zeit zwischen

Entdeckung und Nutzung des Polystyrols liegt zum Einen in den damaligen

wirtschaftlichen Verhältnissen und zum anderen in dem fehlenden Interesse der chemischen Industrie an synthetisch hergestellten Harzen begründet. Heutzutage ist Polystyrol einer der am meisten benutzten, da vielseitigsten, Kunststoffe. Seine Verwendung reicht von Verpackungsmaterial über Spielwaren und

Campinggeschirr bis hin zu optischen Linsen.

1922 schuf Hermann Staudinger die Grundlage für die spätere Kunststoffchemie. Denn er war der erste der davon ausging, dass „alle organischen Werkstoffe aus riesig langen Molekülketten bestehen“ und führte für Molekülketten mit

einer Länge von mindestens 1.000 Atomen den Begriff Makromoleküle ein.

1.3 Wie werden Kunststoffe hergestellt?

Bei der Herstellung von Kunststoffen werden bestimmte Makromoleküle systematisch aufgebaut. Der Aufbau erfolgt aus einer Vielzahl kleiner gleichartiger Bausteine, die durch chemische Reaktion miteinander verbunden werden. Kunststoffe werden daher auch als polymere Stoffe bezeichnet, da sie durch das Aneinanderreihen und Verbinden sehr vieler Teile (poly = viele, meros_=_Teil) entstehen. In der Chemie nennt man diese Aufbaureaktionen Polymerisation.

Das regelmäßige Bauprinzip, bei dem sich ein bestimmter Teil des Makromoleküls ständig wiederholt (entsprechend den verwendeten Bausteinen), ist ebenso ein gemeinsames Merkmal aller Kunststoffe wie der Aufbau aus Makromolekülen.

Die Ausgangsstoffe ("Bausteine") für Kunststoffe sind einfach gebaute Kohlenstoffverbindungen, die heute aus Erdöl oder Erdgas gewonnen werden. Bis in die 60iger Jahre war Kohle der wichtigste Rohstoff für die Herstellung der "Kunststoffbausteine". Grundsätzlich eignen sich alle kohlenstoffhaltigen Rohstoffe als Basismaterial für die Gewinnung von Kunststoffbausteinen also auch nachwachsende Rohstoffe, wie z.B. Melasse (Rückstände aus der Zuckergewinnung).

Der Kunststoff Polyethylen, aus dem z.B. alle Tragtaschen sind, entsteht beispielsweise durch Polymerisation tausender Ethylenmoleküle.

Abb. 3: Ethylenmoleküle

Die Namen vieler Kunststoffe geben Auskunft darüber, welche "Teilchen" für ihre Herstellung verwendet werden:

Polyethylen = "viele Ethylenteilchen"

Polypropylen = "viele Propylenteilchen"

Polystyrol = "viele Styrolteilchen"

1.4 Die Kunststoffarten

Man kennt heute weit mehr als 200 verschiedene Kunststoffarten, die man nach verschiedenen Gesichtpunkten einteilen kann.

Eine Möglichkeit der Unterscheidung ist ihr Verhalten beim Erwärmen: Man unterscheidet Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste.

1.4.1 Thermoplaste

Sie erweichen beim Erwärmen bis zum Fließen und sind in diesem plastischen Zustand leicht formbar. Beim Abkühlen werden sie wieder fest und behalten ihre Form bei. Sie bestehen aus fadenförmigen Makromolekülen, die ineinander verknäuelt aber untereinander nicht verbunden sind (wie Spagetti auf einem Teller). Beim Erwärmen beginnen sich die Makromoleküle zu bewegen und können dabei aneinander abgleiten, da sie nicht verknüpft sind und der Kunststoff schmilzt.

Die meisten der heute bekannten Kunststoffe zählen zu den Thermoplasten: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamide (PA, z.B. Nylon , Perlon , Dralon ), Polycarbonate (PC), Polyethylenterephthalat (PET, z.B. Trevira), Polymethylmethacrylat (PMMA, z.B. Plexiglas )

1.4.2 Duroplaste

Bei diesen Kunststoffen sind die Makromoleküle in allen Raumrichtungen eng miteinander vernetzt. Duroplaste sind sehr hart und unschmelzbar. Man erhält sie, indem flüssige Ausgangsprodukte (z.B. Reaktivharze) miteinander reagieren und dabei die vernetzten Makromoleküle aufbauen. Duroplaste sind auch nur zu dem Zeitpunkt, an dem die Makromoleküle vernetzen, formbar, d.h. sie müssen bereits bei der Herstellung auch in die gewünschte Form gebracht werden.

Zu den Duroplasten zählen: Polyurethane (PUR), Phenolharze, Harnstoff- und Melaminharze, Polyesterharze, Epoxydharze, Silikone.

1.4.3 Elastomere

Ihr besonderes Merkmal ist ihre hohe Elastizität. Sie werden aber beim Erwärmen nicht plastisch und sind nicht schmelzbar. Ihre Makromoleküle sind an einigen Stellen miteinander verbunden und bilden ein weitmaschiges räumliches Netz. Das ist die Ursache für ihre Elastizität - das Material "federt" nach einer Verformung durch die Verknüpfung der Moleküle wieder in die Ausgangslage zurück – aber auch der Grund dafür, dass sie nicht schmelzen, da die Moleküle nicht mehr aneinander abgleiten können. Zu den Elastomeren zählen: Kautschuk, Gummi.

Eine andere Möglichkeit der Einteilung bieten die verschiedenen Eigenschaftsprofile.

Unter diesem Gesichtspunkt unterscheidet man Standardkunststoffe, Technische Kunststoffe und Hochleistungs- oder Spezialkunststoffe.

1.4.4 Standardkunststoffe

Auf sie entfallen fast 80% der Weltkunststoffproduktion. Die Anzahl der Kunststoffe in dieser Gruppe ist jedoch klein.

Polyethylen (PE) z.B. Waschmittelflaschen, Tragtaschen, Rohre
Polypropylen (PP) z.B. Margarinebecher, Stoßfänger, Teppichgarne
Polystyrol (PS), z.B. Joghurtbecher, Wärmedämmplatten
Polyvinylchlorid (PVC), z.B. Rohre, Fensterrahmen

Abb. 4: Beispiele für Standardkunststoffe

1.4.5 Hochleistungskunststoffe

Sie zeichnen sich dadurch aus, dass eine oder manchmal auch mehrere Werkstoffeigenschaften besonders hervorstechen, z.B. extreme Temperaturbeständigkeit, elektrische Leitfähigkeit, besondere Chemikalienbeständigkeit u.ä. Ihr Anteil an der Weltkunststoffproduktion liegt allerdings nur bei 0,2 %

Polyaryletherketone (PAEK),

Polyimide (PI),

Polyphenylensulfid (PPS),

flüssigkristalline Kunststoffe (LCP)

Abb. 5: Beispiel für Hochleistungskunststoffe

1.4.6 Technische Kunststoffe

Eine große Gruppe unterschiedlicher Kunststoffe und "Kunststoff-Legierungen". Mengenmäßig entfallen allerdings nur etwa 20% der Weltkunststoffproduktion auf technische Kunststoffe. In ihren Eigenschaften sind sie den Standardkunststoffen meist überlegen, v.a. was die mechanische Festigkeit und die Temperaturbeständigkeit betrifft.

Polyamide (PA): Maschinenteile, Fasern (Nylon, Perlon, Tactel),
Polycarbonate (PC): CDs, Schutzhelme, Mikroskopteile;
Polyethylenterephthalat (PET): z.B. Getränkeflaschen, Filme, Zahnräder, Schlafsackfüllungen;
Polymethylmethacrylat (PMMA): Autorückstrahler, Kontaktlinsen, Solarien, transparente Lärmschutzwände;
Fluorkunststoffe (PTFE, z.B. Teflon): Antihaft-Beschichtungenn für Bügeleisen, Pfannen usw., atmungsaktive Textilien (Gore-Tex), Dichtungen;
Polyurethane (PUR): Polstermöbel, Matratzen, Sportgeräte, Schuhsohlen, elastische Textilien (Elastan);
Phenol-, Harnstoff- und Melaminharze: Schaltergehäuse, Verteilerkästen, Spulenkörper, Laminatfussböden, Möbelplatten (Max-Platten);
Polyester- und Epoxydharze

Abb. 6: Smart als Beispiel für technische Kunststoffe

1.4.7 Warum gibt es so viele Kunststoffarten?

Kunststoffe kommen in sehr unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz, von der Medizin bis zur Raumfahrt. So vielfältig und verschieden wie die Anwendungsgebiete, sind auch die Anforderungen, die an das verwendete Material gestellt werden. Ein "Einheitskunststoff" oder einige wenige "Allzweckkunststoffe" können diese spezifischen Materialanforderungen nicht erfüllen.

Der Name Kunststoffe bezeichnet eine Werkstoffgruppe und ist vergleichbar mit den Bezeichnungen Metalle oder Keramik. Wie bei Metallen oder Keramik haben die Vertreter der Werkstoffgruppe einige grundlegende gemeinsame Merkmale, in ihren individuellen Eigenschaften wie z.B. Härte, Temperaturbeständigkeit, Transparenz usw. zeigen sie aber deutliche Unterschiede.

Abb. 7: Gebrauchstemperatur verschiedener Kunststoffe

Die individuellen Eigenschaften eines bestimmten Kunststoffes werden von den verwendeten "Bausteinen" und von der Art ihrer Verknüpfung bestimmt. Durch die Wahl geeigneter Ausgangsstoffe sind daher die Eigenschaften von Kunststoffen steuerbar und es gelingt, für eine bestimmte Anwendung einen Werkstoff mit genau passenden, sozusagen "maßgeschneiderten" Eigenschaften herzustellen.

1.5 Welche Vorteile haben Kunststoffe?

1.5.1 Sie sind leicht

Mit einer Dichte von 0,9 bis 1,5 g/cm3 zählen Kunststoffe zu den leichtsten Werkstoffen überhaupt. Lediglich Holz zeigt eine vergleichbar geringe Dichte.

Das geringe Gewicht von Kunststoffprodukten macht Kunststoffe zum effizienten Verpackungsmaterial: Bei in Kunststoff verpackten Waren entfallen durchschnittlich nur 1-3% des Produktgewichtes auf die Verpackung. 2 g Kunststofffolie verpacken 200 g Käse, in eine 85 g schwere Flasche lassen sich 1,5 Liter Flüssigkeit sicher abfüllen und ein Becher für 125 g Joghurt wiegt 3,5 g.

Leichte Kunststoffprodukte sind aber nicht nur angenehm und bequem, sondern leisten beim Bau moderner Verkehrsmittel einen wichtigen Beitrag zur Verringerung des Treibstoff- und Energieverbrauchs.

In einem heute gebauten Auto kommen etwa 140 kg Kunststoff zum Einsatz und ersetzen 200 bis 250 kg andere Materialien. 100 kg weniger Fahrzeuggewicht bedeutet eine Treibstoffersparnis von ca. 750 Liter im Laufe eines durchschnittlichen "Autolebens" von 150.000 Kilometern. Allein die österreichischen Autofahrer sparen durch den Kunststoff-Einsatz im Automobil 300 Millionen Liter Treibstoff in einem Jahr.

1.5.2 Sie lassen sich leicht und kostengünstig formen

Ihre gute und vergleichsweise leichte Formbarkeit lässt der Phantasie bei der Gestaltung von Kunststoffprodukten viel Raum. Es lässt sich zwar nicht jeder Formenwunsch in der Praxis verwirklichen – aber Ideen nehmen in Kunststoff Gestalt an .

bb. 8: Verformbarkeit der Kunststoffe

Der Wunsch nach ungewöhnlichen und komplizierten Formen hat nicht nur optisch-ästhetische Gründe, sondern sehr oft einen technischen oder wirtschaftlichen Hintergrund.

Abb. 9: Raumschiff

1.5.3 Sie sind gute Isolatoren für Wärme und elektrisch- en en Strom

Kunststoffe sind sehr schlechte Wärmeleiter und leiten elektrischen Strom praktisch nicht. Sie sind daher besonders gut für die Herstellung von Wärmedämmprodukten und elektrischen Isolatoren geeignet.

Abb. 10: Beispiel für Isolator aus Kunststoff

Eine 5 cm dicke Isolierschicht aus Kunststoffschaum reduziert die Heizenergie und die Heizkosten eines Einfamilienhauses auf nahezu die Hälfte. Die Heizung eines nicht isolierten Hauses verbraucht pro Jahr rund 10l Heizöl/m2 Außenhaut. Durch die einmalige Verwendung von 200 kg Kunststoffdämmung ersparen sich die Bewohner eines durchschnittlich großen Einfamilienhauses (200 m2 Außenfläche) jedes Jahr 1000 Liter Erdöl und der Umwelt 2.800 Tonnen Kohlendioxidemission. Abb. 11: Isolierschicht

1.5.4 Sie sind flexibel und anpassungsfähig

Kunststoffe sind in vieler Hinsicht flexibel: zum einen was die vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten betrifft, zum anderen lassen sich auch ihre Materialeigenschaften steuern und an den Einsatzbereich eines Produktes anpassen. Extrem dünne, zähe Folien sind einzigartige Produkte, die aus keinem anderen Werkstoff herstellbar sind. Sie passen sich wie eine zweite Haut vorgegebenen Formen an.

Ebenso lässt sich z. B. die Durchlässigkeit von Kunststofffolien für Gase genau einstellen. Solche Folien erlauben es, Verpackungen herzustellen die sich auf die Haltbarkeit von Frischprodukten günstig auswirken. Durch die Folie kann nur ein kontrollierter Gasaustausch stattfinden und in der Verpackung stellt sich ein für die Haltbarkeit günstiger Sauerstoffgehalt ein. Für Salat z.B. lässt sich mit Hilfe derartiger Verpackungen die Haltbarkeit um 50% erhöhen.

1.6 Wie viel Kunststoff wird produziert und ver-bra braucht?

Die weltweit jährlich produzierte und verbrauchte Menge an Kunststoffen liegt bei 150 Millionen Tonnen. 41 Millionen Tonnen oder 27% davon werden in Westeuropa produziert. In Österreich lag der Verbrauch von Kunststoffprodukten im Jahr 1999 bei rund 1 Million Tonnen.

1.6.1 Produktion von Rohkunststoffen in Österreich

In Österreich werden 4 verschiedene Kunststoffe erzeugt: