Polystrol
Hätten Sie gewusst, dass das allgemein bekannte Styropor für den Schutz Ihrer Pakete eigentlich Polystyrol heißt und normalerweise ein schlagfester und durchsichtiger Kunststoff ist? Polystyrol (PS) ist tatsächlich ein meist transparenter Kunststoff, der wegen seiner hohen Oberflächengüte und seiner Lichtdurchlässigkeit geschätzt wird.
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Ein weit verbreiteter Kunststoff
Neben der Anwendung als Dämm- oder Verpackungsmaterial in geschäumter Form bietet Polystyrol viele Anwendungsmöglichkeiten in der Elektronikindustrie. Hier wird es z.B. für stabile und schlagfeste Gehäuse eingesetzt. Der niedrige Preis und viele positive Eigenschaften machen das PS zu einem begehrten Material. Die weltweite Produktionsmenge von Polystyrol erreichte im Jahr 2023 knapp 20 Millionen Tonnen. Es wird erwartet, dass die Produktion in den nächsten Jahren jährlich um etwa 2% zunehmen wird.
Die Preise für Polystyrol (PS) variieren je nach Region und Markt- und Transportbedingungen. Anfang 2024 lagen die Preise in verschiedenen Weltregionen zwischen 1,20 und 1,50 Euro pro Kilogramm. Wie für die meisten Rohstoffe und Kunststoffe unterliegt der Preis den üblichen Schwankungen durch Angebot und Nachfrage je nach wirtschaftlicher Situation.
Herstellung und Eigenschaften des Polystyrol
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 zu einem vielseitigen Kunststoff. 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.
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, wo es sich nach dem Aufsetzen des Gegenstücks der Hohlform abkühlt und verfestigt. Der Spritzguss ermöglicht die Herstellung komplexer Teile mit hoher Präzision. Beim nahen Verwandten des Spritzgusses, der Extrusion, presst man das geschmolzene Polystyrol in einer Endlosform durch eine Düse, um Produkte wie Rohre, Profile oder Folien zu erhalten. Diese Prozesse erfordern natürlich eine präzise Steuerung der Temperatur und des Drucks, um die gewünschten Eigenschaften im Endprodukt sicherzustellen.
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.
Die breite praktische Verwendung von PS
Polystyrol wird auf viele Weise eingesetzt, vom Einweggeschirr über Verpackungsmaterialien bis hin zu Isoliermaterialien im Bauwesen. Im Verpackungsbereich schützt es Produkte durch die angesprochene Stoßfestigkeit und die guten isolierenden Eigenschaften. Im Bauwesen wird expandiertes Polystyrol (EPS) sogar als Isolationsmaterial verwendet, das zur thermischen Energieeffizienz moderner Bauten beiträgt. In der Elektronikindustrie wird Polystyrol hauptsächlich in Gehäusen für Elektrogeräte eingesetzt. Hier wirkt es nicht nur schützend, sondern erfüllt aufgrund seiner Transparenz und der hohen Oberflächengüte auch ästhetische Ansprüche.
PS im Spritzguss
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 Eigenschaften des Polystyrols. Beim Kunststoffspritzguss wird Polystyrol in der Regel in Form von kleinen Perlen oder Granulaten an verarbeitende Unternehmen wie die Stocker Kunststoff GmbH 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.
Anwendungsbeispiel 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 allgemein bekannte CD-Hülle als gutes Beispiel, um die Eigenschaften von PS zu erläutern. Wenn PS also zu einer CD-Hülle weiterverarbeitet wurde, 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.
Man muss zugeben, dass sich kaum ein besseres Material für diese Aufgabe finden lässt.
Weitere thermisch-chemische Eigenschaften
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 wird auch das PS zum Umwelt- und Gesundheitsproblem. Das kritische Moment ist immer die Langlebigkeit in der Umwelt, die zur Verschmutzung beiträgt. Eine wünschenswerte Nachhaltigkeit von Polystyrol steht 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, was wirtschaftlich nicht rentabel ist. 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.
Mögliche Sensation im Recycling
Eine innovative Methode zur Verbesserung der Situation wurde im August 2022 veröffentlicht. Die Forscher der Virginia Tech setzten das in Benzol gelöste Polystyrol den Katalysator Aluminiumchlorid (AlCl3) zu und beobachteten unter UV-Licht bei Raumtemperatur eine Zersetzung des Polymers, die zu Benzol als Zwischenprodukt führte. Durch Zugabe von Dichlormethan wurde ein Upcycling-Prozess initiiert, bei dem 97 Prozent der aromatischen Phenylringe in Diphenylmethan umgewandelt wurden.
Die Effektivität des Prozesses bestätigte sich auch bei größeren Mengen. Das gewonnene Diphenylmethan könnte in der Lebensmittel-, Pharma-, Duft- und Farbstoffindustrie verwendet werden und stellt einen wesentlich höheren Marktwert als der eingesetzte Kunststoffabfall dar. Dies würde den Anreiz erhöhen, Polystyrol zu sammeln und zu recyceln, statt es zu deponieren oder dem thermischen Recycling zuzuführen (Vgl. PNAS 119/34: “Cascade degradation and upcycling of polystyrene waste to high-value chemicals”).