Johannes Kepler-Gymnasium Reutlingen, GFS Chemie, K2 (Dem), 07.01.2017

Die Alterung von Kunststoffen

Stephanie Friedmann

Inhalt

1. Einleitung
   1. Was ist die Alterung überhaupt?
2. Auswirkungen der Alterung auf den Stoff deren Messung
   1. Abnahme der Elastizität
   2. Freisetzung von Extrakten
   3. Farbe
   4. Formbeständigkeit
   5. Schrumpfen und Verzug
   6. Rissbildung
3. Ursachen für die Alterung und die Prozesse innerhalb eines Stoffes
   1. Chemische Alterungsvorgänge
      1. Entstehung neuer funktioneller Gruppen
      2. Hydrolyse
      3. Änderung des molekularen Aufbaus
      4. Abspaltungen
      5. Mikrobielle Werkstoffzerstörung
   2. Physikalische Alterungsvorgänge
      1. Kristallstruktur
      2. Relaxation
4. Wie kann man die Alterung und deren Effekte minimieren?
5. Alterung als Problem für Mensch und Umwelt
6. Gibt es positive Seiten der Alterung?
7. Zusammenfassung
8. Literatur- und Quellenverzeichnis
   1. Literatur
   2. Internetquellen
   3. Abbildungen
9. Versicherung der selbstständigen Erarbeitung

1. Einleitung

Im Unterricht haben wir oft gehört, dass Kunststoff eine sehr lange Lebensdauer haben und das zu vielen Umweltproblemen führt. Auf der anderen Seite scheinen Kunststoffe mit der Zeit jedoch bestimmte Eigenschaften zu verlieren und schlechter zu funktionieren. Das am häufigsten auftretende Beispiel ist ein Haargummi, das nach mehrmaligem Gebrauch immer weniger elastisch wird und irgendwann einfach reißt. Da dieses schnelle Kaputtgehen und die lange Haltbarkeit auf den ersten Blick widersprüchlich und schwer nachzuvollziehen ist, wollte ich mich näher mit dem Prozess der Alterung von Kunststoffen befassen.

1.1. Was ist die Alterung überhaupt?

Unter Alterung versteht man die Gesamtheit der Veränderungen eines Materials aufgrund von physikalischen und chemischen Einflüssen. Oft ist dieser Effekt unerwünscht, da er zu einer Veränderung der Eigenschaften führt, für die das Material ausgewählt wurde. Die Alterung kann in gewissen Fällen aber auch zu einer Verbesserung bestimmter Eigenschaften führen. Man kann zwischen zwei verschiedenen Arten der Alterung unterscheiden: die innere und die äußere Alterung. Die äußere Alterung ist abhängig von der Umgebung, in der das Material gelagert wird. Die innere Alterung ist größtenteils unabhängig davon und wird durch instabile Zustände im Stoff ausgelöst.[1]

2. Auswirkungen der Alterung auf den Stoff deren Messung

Zuerst wollen wir die Alterung und die Eigenschaften der Alterung genauer definieren und sehen, welche Auswirkungen sie auf Materialien haben kann. Außerdem möchten wir wissen, wie man diese Effekte misst bzw. wie man sie am besten erkennt.

2.1. Abnahme der Elastizität

Dieses Beispiel wurde in der Einleitung schon mal erwähnt: Das Haargummi, welches seine ursprüngliche Form nicht mehr annimmt. Der Zwischenweg zwischen der normalen, reinen Elastizität (im Hookschen Bereich) und irreversiblen plastischen Veränderung ist, dass aufgebaute Spannungen größtenteils durch Fließvorgänge abgebaut werden, sich dann aber wieder zusammenziehen können. Diese Eigenschaft von Kunststoffen nennt man die Viskoelastizität.[2]

Eine rein elastische Dehnung ist in einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm eine proportionale Gerade. Die Diagramme von Kunststoffen sehen jedoch sehr anders aus, was bedeutet, dass in einem Kunststoff ab einem gewissen Punkt nicht mehr nur die Abstände zwischen  den Molekülen verkleinert werden, sondern es zu einer plastischen Verformung kommt. Dieser nicht-lineare Anstieg der Spannung ist vor allem bei Elastomeren zu sehen, was auf den ersten Blick unerwartet ist. [3]

Hier kommt die Viskoelastizität ins Spiel. Elastomere können ihre knäuelartigen Bindungen für eine Weile lockern und danach wieder ihre bevorzugte knäuelartige Form einnehmen, was sowohl zu einer sehr großen Reißdehnung bei einer geringen Reißspannung, als auch zu einem elastischen Verhalten führt.[4]

Um ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm zu erhalten, benutzt man bei Kunststoffen meist den Zugversuch. Dafür zieht man einfach an beiden Enden eines Materials und misst die Gegenkraft (y-Achse), welche bei einer Längenveränderung im Material auftritt und die Längenveränderung (x-Achse) und trägt diese im Schaubild ab.[5]

Nachdem ein Kunststoff altert, nimmt die Reißdehnung stark ab und reißt viel schneller als davor, wie man in dem folgenden Schaubild sieht. Hier wurde die Elastizität von PHB getestet, welches zurzeit wegen seiner schnellen Alterung nicht oft verwendet wird. [6]

Die Folgen der Elastizitätsabnahme sind ziemlich vielfältig, auch wenn man das auf den ersten Blick nicht denken würde: eine geringere Elastizität geht mit einer höheren Sprödigkeit einher und führt somit zu einem schnelleren Bruch. Außerdem ist die Elastizität von Dichtungen extrem wichtig, denn bei ihrem Scheitern können lustigere und sehr ernste Unfälle passieren.  Beispiele hierfür sind das Auslaufen von 25.000 Litern Sekt[7] und als ernstere Folge der Absturz der Challenger wegen einer Versprödung einer Dichtung[8].

2.2. Freisetzung von Extrakten

Ein großes Problem, vor allem in der Lebensmittelindustrie und der Medizin ist die Herauslösung von Extrakten aus dem Plastik. Unter den migrierenden Substanzen sind viele Additive, welche dem Kunststoff bestimmte Eigenschaften geben sollen, nach der Migration aber nicht mehr in gleichen Mengen in dem Stoff vorhanden sind. Dadurch verliert der Stoff eben diese Eigenschaft. Es können sich auch andere niedermolekulare Stoffe aus den Polymeren lösen, wie zum Beispiel polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Bisphenol A, Polyethylenglycol, Polystyrol, Polidocanol, Polyurethane, Lösungsmittel, Weichmacher und Stabilisatoren. Diese Stoffe sind für viele gesundheitliche Probleme verantwortlich.[9]

Man kann diese Migration mit der Radiotracertechnik messen, bei der man den Stoff, dessen Migration man untersuchen möchte mit einem anderen Stoff „markiert“ und dann die Eigenschaft dieses gekoppelten Stoffes zur Messung verwendet wird. In diesem Versuch wurde diese Technik benutzt, um zu testen, ob niedermolekulare Stoffe in das Essen eindringen, welches sie verpacken.[10]

Es stellt sich heraus, dass sich in diesem Fall kleinere Moleküle aus einer LDPE-Folie lösen und bis zu 2cm in den Lebensmitteln vorzufinden sind.

2.3. Farbe

Eine kleinere und nicht so schwerwiegende Folge der Alterung ist eine Veränderung der Farbe des Materials. Das kennt man möglicherweise von Kopfhörern oder Kabel, welche mit der Zeit vergilben. Falls die Verfärbung sehr deutlich und der Gegenstand wichtig ist, sollte man sich auf die anderen Auswirkungen der Alterung gefasst machen, da die Farbveränderung nur ein Indiz für andere mögliche Schäden am Gegenstand ist.[11]

Abb4: Ein Beispiel für das Ausbleichen der Farbe bei einem Seil aus PP, das lange draußen war.

2.4. Formbeständigkeit

Die Formbeständigkeit (auch Wärmeformbeständigkeit) beschreibt die Eigenschaft eines Stoffes unter hohen Temperaturen und Krafteinwirkungen seine Form beizubehalten. Da die Auswirkungen der Alterung bisher immer negativ waren, kann es überraschend sein, dass diese Eigenschaft sich mit der Zeit verbessert. Das bedeutet, dass ein Gegenstand auch bei höheren Temperaturen einsatzfähig ist. [12]

Leider ist das kein so großer Vorteil, da vor allem Thermoplasten und Elastomere nur in einem bestimmten Temperaturbereich verwendet werden können und es bei den Duroplasten unwahrscheinlich ist, dass man an die Obergrenze stößt.

2.5. Schrumpfen und Verzug

Die Eigenschaft, dass ein Material mit der Zeit schrumpft ist für Techniker ein besonders großes Problem, da sie die Maße eigentlich so konstruieren, dass alles genau die richtige Größe hat und möglichst wenigen Kräften ausgesetzt sind. Durch das Schrumpfen ändern sich aber in erster Linie die Maße und in zweiter Linie sind einige Punkte größeren Kräften ausgesetzt als andere. Dies führt dann zu der Rissbildung.[13]

2.6. Rissbildung

Risse können sich aus vielerlei Gründen bilden und sind in Grunde die letzte Folge der Alterung. Die Rissbildung geht normalerweise mit der langfristigen Zerstörung des Gegenstandes einher. Ein wichtiges Stichwort ist bei der Rissbildung die Eigenspannung, mit der wir uns jetzt etwas genauer auseinandersetzen wollen.

Hier ist die Wikipedia Definition:
„Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die in einem Körper herrschen, an dem keine äußeren Kräfte angreifen und der sich im thermischen Gleichgewicht befindet. Sie können durch plastische Verformungen innerhalb eines Objektes verursacht werden.“[14]

Die Spannung beschreibt also die Zugkraft, dem ein Punkt ohne äußere Einflüsse ausgesetzt ist. Eine erhöhte Eigenspannung führt also zu einer schnelleren Rissbildung, da die Oberfläche praktisch auseinandergezogen wird. [15]

Man sieht, dass die Eigenspannung von Polystyrol zu Anfang des Lebenszyklus negativ war und die Teilchen einem gewissen Druck ausgesetzt waren, was die Ausbreitung von Rissen vermied. Nach nur 30 Tagen wird die Spannung aber positiv und verfünffacht sich sogar in den darauffolgenden 270 Tagen (Dies gilt nur für die Oberfläche). [16]

3. Ursachen für die Alterung und die Prozesse innerhalb eines Stoffes

Nun möchte ich mir ansehen, was auf Teilchenebene passiert und welche Auswirkungen diese Prozesse auf en Material haben.

3.1. Chemische Alterungsvorgänge

3.1.1. Entstehung neuer funktioneller Gruppen

Wenn ein Polymer in einer energiereichen Umgebung ist, kann es passieren, dass die Bindungen innerhalb des Moleküls angegriffen werden. Im Fokus dieser Angriffe stehen meistens die tertiären Kohlenstoff-Atome. Durch die Spaltung des Moleküls entstehen dann Radikale, welche sehr reaktionsfreudig sind. Je nachdem in welcher Umgebung das Polymer sich befindet, kann es mit Sauerstoff oder Stickstoff reagieren um neue funktionelle Gruppen auszubilden. Die neu entstandenen Gruppen führen meistens zu Farbveränderungen.[17]

Eine weitere Möglichkeit, wie neue funktionelle Gruppen entstehen können, ist die Aufspaltung von Sauerstoff oder Ozon, damit diese zu Radikalen werden und sie die Strukturen das Polymers angreifen. Diese zwei Prozesse laufen in der Natur gleichzeitig ab. Man kann sie auch aufteilen und sagen, dass die erste Version ein thermischer Abbau ist, währen die zweite Version eine thermisch-oxidativer Abbau ist.[18]

Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit mit Zufuhr von Energie erhöhen. Die Form der Energie ist dabei ziemlich egal, im normalen Alltagsgebrauch wird sie meistens in Form von Licht aufgebracht, vor allem UV-Licht, welches besonders energiereich ist. Man kann auch die Sauerstoffkonzentration oder die Temperatur erhöhen, um den Prozess zu beschleunigen.

Der Trend scheint eher in Richtung Kettenverkürzungen, als Kettenverlängerungen zu gehen. Das führt zu einer geringeren Elastizität, da weniger Bindungen da sind, welche das Material zusammenhalten, wenn man es auseinanderzieht.[19]

3.1.2. Hydrolyse

Jetzt zu der Hydrolyse, die im Vergleich zu dem oxidativen Abbau etwas schneller wirkt. Schon ab einem hydratisierten Anteil von nur 0,01% nehmen die Viskosität und die molare Masse merklich ab. Zudem kann der Zersetzungsvorgang mit Katalysatoren um das Tausend- bzw. Zehntausendfache beschleunigt werden. Anstelle von Katalysatoren können auch Hydrolasen (Enzyme) diese Reaktion beschleunigen. Das Problem ist, dass Enzyme meistens zu groß sind um die tieferen Schichten des Kunststoffes zu erreichen, weshalb die Hydrolyse dann nur an der Oberfläche beschleunigt werden würde.[20]

Da man beim Herstellen eines Kunststoffes meistens eine Kondensationsreaktion hat, ist die Hydrolyse einfach die Umkehrung dieser Reaktion. Hier kann man dies am Beispiel von Polybutylenterephthalat (PBT) sehen. Die unteren zwei Stoffe sind normalerweise die Edukte bei der Herstellung des Kunststoffes. In diesem Fall findet also die Analyse statt. Die Auswirkungen sind dann eine Abnahme der Elastizität und eine geringere Reißdehnung

3.1.3. Änderung des molekularen Aufbaus

Der größte Indikator für Veränderungen innerhalb der molekularen Strukturen ist, dass sich die molare Masse (M) verändert. Für diese gilt:

Aus der Formel folgt, dass sich die Anzahl der Moleküle (n) verändern muss, um eine Veränderung in M auszulösen, da wir davon einer konstanten Masse (m) ausgehen.

Damit die molare Masse sich verringert müssen chemische Reaktionen passieren, bei denen die verschiedenen Moleküle miteinander reagieren um größere Moleküle zu formen. Dies passiert vor allem bei Duroplasten, welche sowieso schon stark vernetzt sind und an den Schnittstellen noch weitere Verbindungen formen. Mehr Verbindungen, wie diese führen zu weniger Elastizität, da die Molekülstränge an mehr Orten festgehalten werden und dadurch der Viskositätsbereich verkleinert wird.

Damit sich die molare Masse verkleinert muss sich die Anzahl der Moleküle vergrößern. Um es anders auszudrücken: Aus eins mach zwei. Die Aufspaltung des einen Moleküls führt aber zu neuen Enden, die neue Reaktionen eingehen, wodurch sich die am nächsten liegenden Moleküle verbinden.[21]

3.1.4. Abspaltungen

Ein weiterer Weg um die molare Masse zu verändern ist die Abspaltung niedermolekularer Stoffe aus dem Polymer. Dadurch erhöht man in erster Linie die Anzahl der Moleküle n und sobald die Migration eintritt bzw. die abgespaltenen Teile das Material verlassen, verringert sich auch m (m ist aber sehr gering und der Effekt davon ist minimal). Dies ist die am häufigsten eintretende Form der Alterung bzw. Degradation und hält auch am Längsten an.[22]

Das erklärt auch, weshalb die molare Masse trotz neuer Vernetzungen abnimmt. Die Abspaltung niedermolekularer Stoffe ist fast unbegrenzt und geht lange nach der Vernetzung weiter, da die Polymere aus unglaublich vielen Monomeren bestehen. Deshalb sieht die gelbe Linie im Schaubild auch eher aus wie eine sinkende Gerade, als eine Annäherungsfunktion (man beachte hier, dass die Skalierung nicht bei null anfängt!).

3.1.5. Mikrobielle Werkstoffzerstörung

Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen ist ein Kunststoff ein organisches Material und ein guter Ort für Mikroorganismen um sich abzusetzen. Die Mikroorganismen zerstören die Amid- und Carbonylgruppen, die ja Sauerstoff und Stickstoff enthalten. Außerdem enthalten die Stoffwechselprodukte aggressive Säuren bzw. Laugen, die den Kunststoff angreifen. Die Mikroorgansimen setzen sich bevorzugt in kleinen Rissen im Stoff an, welche durch die Alterung entstehen. Deshalb wird die biogene Alterung mit der Zeit immer gravierender.[23]

Mikroorganismen verringern mit der Zeit die molekulare Masse, damit auch die Elastizität und bilden Farbstoffe die in manchen Fällen nicht mehr zu entfernen sind.[24]

Man versucht diese Eigenschaft in Zukunft gezielt zu benutzen und Kunststoffe so zu konzipieren, dass Mikroben es schaffen das Material vollständig und ohne schädliche Zwischenprodukte abzubauen.

3.2. Physikalische Alterungsvorgänge

3.2.1. Kristallstruktur

Die kristallinen Strukturen in von Molekülen erinnern an die Struktur von Salzen, abgesehen davon, dass es sich hier um Molekülstränge handelt.

Hier eine stark vereinfachte Darstellung von einem Kristalle aus Molekülketten

So schön geordnet sieht es natürlich in keinem 3 dimensional vernetztem Molekül aus, weshalb auf eine natürliche Art und Weise nur Teilbereiche eines Moleküls solche Strukturen ausbilden. Die weiterhin ungeordneten Bereiche nennt man amorphe Bereiche.

Es gibt jedoch gewisse Eigenschaften eines Stoffes, die eine Kristallbildung positiv beeinflussen können. Wichtig ist zum Beispiel die „Taktizität“ eines Moleküls, bzw. die Ausrichtung der Reste. Um Kristalle bilden zu können sollten die Reste möglichst ähnlich aufgebaut sein,  damit sie sich nicht in die Quere kommen. Je einheitlicher diese Taktizität, desto stärker ist ein Material von der Auskristallisation beeinflusst.[25]

Unabhängig davon bilden sich in jedem Molekül kristalline Strukturen aus, was zu einer Abnehmenden Elastizität führt, da die Teilstränge einander immer näher kommen und die zwischenmolekularen Kräfte besser wirken können. Die stärkeren Bindungen führen erstens dazu, dass man die Moleküle schlechter auseinanderziehen kann, deshalb die Abnahme der Elastizität, zweitens können die Moleküle (auch bei höheren Temperaturen) schlechter zusammengedrückt oder insgesamt bewegt werden. Deshalb nimmt die Formbeständigkeit zu. Die Abnahme der Elastizität und die Zunahme der Formbeständigkeit ist aber nicht überall in dem Material zu sehen. Deshalb gibt es unelastische Bereiche, die bei Belastung reißen, als auch nicht so formbeständige Bereiche, die sich bei höheren Temperaturen verformen, was meistens bedeutet, dass man schließlich die schlechten Seiten von beiden Eigenschaften hat.[26]

Wenn ein amorpher Bereich auskristallisiert bedeutet das auch, dass er sich wegen der Annäherung der Moleküle zusammenzieht. Weil dies nicht überall im selben Maße passiert kommt es zu Verzug und über kurz oder lang zu höherer Eigenspannung und Rissbildungen.[27]

3.2.2. Relaxation

Die Relaxation beschreibt den Vorgang, bei dem elongierte Molekülstränge wieder in ihren bevorzugten, verknäulten Zustand zurückkehren. Dies ist vor allem in der Textilindustrie ein Problem, da die Stoffe dort oft einer Zugspannung ausgesetzt sind und in diesem Zustand manchmal auch noch zugeschnitten werden. Nach und nach relaxiert der Stoff jedoch wieder, was bei Kleidern ein Schrumpfen zur Folge hat, bei anderen Materialien führt die Verkleinerung zu einem Verzug und somit zu Rissen. Man kann diesen Prozess beschleunigen, indem man die Temperatur erhöht, was man wohl nur zu gut vom Wäschewaschen kennt. [28]

Beim Abkühlen muss man auch vorsichtig sein, da man bei zu schnellem Abkühlen Lücken „einfrieren“ kann, welche sich mit der Zeit abbauen. In dem folgenden Schaubild sieht man, wie die Abkühlgeschwindigkeit das Volumen und deren Änderung beeinflusst.

Es ist zu erkennen, dass bei einer hohen Abkühlgeschwindigkeit das Volumen groß ist und bei einem langsamen Abkühlen das Volumen kleiner ist. Das bedeutet, dass je schneller man einen Stoff abkühlt, desto mehr Lücken sind eingefroren, welche sich mit der Zeit zusammenziehen werden, was einem Schrumpfen führt und somit zu einer schnelleren Alterung. Dieser Prozess wird aufgehalten, wenn man sich unterhalb der Glasübergangstemperatur  (Temperatur, bei der die amorphen Bereiche des Moleküls aufhören sich zu bewegen) befindet. Das macht bei Duroplasten und Thermoplasten Sinn, wenn sie besonders hart sein sollen. Elastomere und manche Thermoplaste müssen oberhalb der Glasübergangstemperatur verwendet werden und sind von der Volumenänderung beeinflusst.[29]

4. Wie kann man die Alterung und deren Effekte minimieren?

Wir haben bisher viele Beispiel gesehen, in denen die Alterung nervig, bis hin zu gefährlich sein kann, in allen Fälle scheint die Alterung bisher etwas Schlechtes zu sein. Da stellt sich doch sofort die Frage, wie man die Alterung denn verhindern kann.

Der einfachste Ansatz, den Konsumenten selbst verwenden können ist die richtige Lagerung von Kunststoffen. Am besten ist ein kalter, trockener und dunkler Raum, da sie die größten Einflussfaktoren sind. Um die Migration zu verhindern, sollte man versuchen den Kunststoff so zu lagern, dass die Additive nicht in die Umgebung „Abhauen“ können, also keine kunststoffähnlichen angrenzenden Materialien sind, oder Stoffe, in denen sich die Additive lösen könnten (fettige/ölhaltige Substanzen). Für den normalen und häufigen Gebrauch eines Gegenstandes sind diese Maßnahmen schwer zu ergreifen und bringen im Vergleich zu den Kräften, denen das Material im Gebrauch ausgesetzt ist auch nicht besonders viel, sondern helfen nur, wenn der Gegenstand lange gelagert werden muss.

Die besten Lösungen, um Probleme mit der Kunststoffalterung zu vermeiden gibt es in der Produktion. Dort muss man auf viele Dinge achten, vor allem auf die Kräfte, denen der Stoff ausgesetzt ist. Man darf zum Beispiel nicht zu stark ziehen und man muss die Abkühlrate und die thermischen und oxidativen Belastungen möglichst gering halten.

Man kann außerdem Schutzfilme auftragen, damit weniger Sauerstoff und Wasser an den Kunststoff kommt. Der Schutzfilm wir aber leider selbst angegriffen und sobald der weg ist, wird der Kunststoff genauso stark von der Alterung beeinflusst, wie davor.

Die am meisten angewendete Methode ist das Hinzufügen von Additiven. Sie verlängern die Lebenszeit enorm, sind meistens nicht allzu teuer und brauchen nicht viel aufwand, um hinzugefügt zu werden.

Hier sieht man eine Firma, wie sie ihr Produkte anpreist, die anscheinend viel beständiger sind, als alle anderen

Das Produkt, das hier verkauft werden soll, ist hier natürlich immer ganz oben, aber auch bei den oberen  drei Kurven, dessen Kunststoffe alle mit Additiven behandelt wurden, nehmen die positiven Eigenschaften nach gewisser Zeit ab. Das ist nicht direkt übertragbar auf reale Bedingungen, da die Messungen bei 85°C und 85% Luftfeuchtigkeit gemacht wurden, aber man sieht, dass die Additive ihre Wirkung verlieren und die Alterungsprozesse trotzdem eintreten.

Beliebt sind auch faserverstärkte Kunststoffe, welche die Elastizität in eine bestimmte Richtung verbessern.

So sieht es (vereinfacht) in einem Faser-Kunststoff-Verbund aus. Wenn man längs der 1-Achse drücken oder ziehen würde, so würde sich die Kraft auf die Länge der Faser verteilen, und dadurch die Elastizität in diesem Bereich verbessern. Nach einiger Zeit und ein paar Schlägen, würde sich diese Anordnung jedoch nach und nach auflösen und ihre Effizienz abnehmen. Wenn man entlang der 2/3-Achse drückt bewirken die Faser nichts. Ein Nachteil von so einem Faser-Kunststoff-Verbund ist, dass er viel Wasser absorbieren kann, die Hydrolyse dadurch schneller eintritt und die Lebensdauer des Stoffes verkürzt wird. [30]

5. Alterung als Problem für Mensch und Umwelt

Die Effekte der Alterung beeinträchtigen nicht nur die Funktion des Materials, sondern die Konsequenzen der Alterung können auch für uns schädlich sein. Vor allem geht es um die Abspaltung von den Stoffen die Im Kapitel 2.2 erwähnt wurden.

Da Plastik oft ins Meer gelangt wollen wir uns anschauen, welche Voraussetzungen für die Alterung gegeben sind. Wegen der geringen Dichte von Plastik schwimmen sie meistens an der Oberfläche, das bedeutet, dass sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, Sauerstoff in ihrer Umgebung haben, im Salzwasser schwimmen und die Mikroorganismen den Plastik zersetzen können. Hinzu kommt noch, dass das Plastik wahrscheinlich irgendwo bleibt, wo nicht so starke Strömungen sind, um sie wieder wegzuspülen. Weniger Strömungen bedeuten wärmeres Wasser, als in anderen Teilen des Meeres. Also ist die Kälte des Meerwassers auch keine Gegenkraft mehr. Somit sind im Meer sehr viele Bedingungen für die Abspaltung von kleineren Molekülen gegeben.

Die abgespaltenen Moleküle werden dann (neben den größeren Plastikstückchen, welche sie in ihrem Magen verarbeiten) von den Meerestieren gefressen.

Was machen diese Stoffe dann mit Organismen? Diese Stoffe sind in vielen Fällen hormonähnlich und können so die Funktionen der eigentlichen Hormone beeinträchtigen, da sie die Rezeptoren blockieren.

Nicht nur Meerestiere sind diesen Problemen ausgesetzt, sondern auch wir Menschen nehmen diese Stoffe uns. Das kann passieren, indem wir die Meerestiere essen, aber auch, indem wir in kunststoffverpackte Produkte essen. Das Schaubild aus Kapitel „2.2 Freisetzung von Extrakten“ hat das verdeutlicht. Um die Auswirkungen des Plastiks auf den Mensch und die Umwelt zu zeigen, hat Greenpeace eine Pyramide erstellt, die die potentiellen Gefahren der Kunststoffe veranschaulicht.

Abb16: Die Gefährlichkeit der Kunststoffe nimmt von oben nach unten ab

Besonders bedenklich scheinen die Chlorhaltigen Kunststoffe zu sein. Die meisten Kunststoffe sind gesundheitsschädlich und wurden in Verbindung mit den Erkrankungen von Arbeitern gebracht. Darunter sind zum Beispiel Krebs, das „Isocyanat-Asthma“ (lebensbedrohlich) und kleinere Beschwerden wie Kopfschmerzen, gereizte Atemwege und Übelkeit. Die Dämpfe, die bei der Produktion und beim Recyceln entstehen sind vor allem bei den ersten drei Kategorien besonders klimaschädlich und die verwendeten Katalysatoren meistens auch (z.B. Schwermetalle). Obwohl diese Probleme auf PET zutreffen, ist die Einschätzung, dass die Kunststoffe ab PET „keine schwerwiegenden Umwelt- und Gesundheitsschäden“[31] verursachen, da sie unter anderem in viel größeren Mengen recyclebar sind.

Es wird zurzeit auch versucht Kunststoffe in der Medizin zu verwenden. Bei falschem Einsatz kann das jedoch gravierende Folgen haben, wie dieser Artikel  zeigt:

„Im Jahr 2000 haben Wissenschaftler des „Centre of  Disease Control, CDC“ in den USA über Nebenwirkungen beim Einsatz von Dialysatoren in Alabama/USA berichtet, die bei Ihrer Verwendung älter als 10 Jahre waren. Bei fünf von sieben Patienten traten neurologische Beschwerden und Symptome auf. Die Autoren erklärten diese Beobachtungen mit dem chemischen Abbau des Membranmaterials Cellulose-Acetat (CA) nach Lagerung über das Verfallsdatum hinaus. Das Molekulargewicht des Polymers war im Verlauf dieses Alterungsprozesses von 40.000 auf 30.000 gefallen. Eine Verseifung oder ein Kettenbruch des CA-Moleküls wurde als Ursache angegeben. Offenbar bestand die Differenz im Molekulargewicht in Höhe n 10.000 aus kleinen extrahierbaren Molekülen, die das Extraktionsmittel Blut während der Dialyse herauslösen konnte. Die oben beschriebenen Nebenwirkungen beim Patienten waren die Folge.“[32]

6. Gibt es positive Seiten der Alterung?

Die ganze Ausarbeitung deutet bisher eher darauf hin, dass die Alterung nur negative Auswirkungen hat, abgesehen von der erhöhten Formbeständigkeit. Trotzdem wird versucht die Alterung heutzutage gezielt einzusetzen.

Die Einflussreichste positive Seite der Alterung für diese Arbeit war bisher, dass die Prozesse, die dabei ablaufen extrem interessant sind und es spannend ist sie zu untersuchen.

In der Industrie ist die Alterung generell nur ungern gesehen, aber auch sie hat sich damit abgefunden und macht inzwischen bestimmt ein riesiges Geschäft mit den ganzen Stabilisatoren, Additiven und anderen hochkomplexen Methoden um die Alterung zu minimieren.

Man unterzieht Gegenstände inzwischen sehr anspruchsvollen Tests, um zu sehen welches Produkt am längsten haltbar ist, weshalb die (beschleunigte) Alterung heutzutage vor allem bei Prüfungen von Bedeutung ist. [33]

Die bekannteste Anwendungsmöglichkeit der Alterungsmechanismen sieht man bei den biologisch abbaubaren Kunststoffen, die als eine mögliche Alternative für die nicht-recyclebaren Kunststoffe gelten. Zurzeit werden sie noch nicht verwendet, da sie im Vegleich zu den herkömmlichen Kunststoffen sehr teuer sind.

Das erklärt auch die geringe Nachfrage nach diesen Kunststoffen. Nur 5.000t Biokunststoffe (Biokunststoffe sind eine etwas größere Klasse als nur die biologisch abbaubaren Kunststoffe) im Vergleich zu 9mio Tonnen herkömmlichen Plastiks wurden im Jahr 2005 in Deutschland verbraucht. Die allgemeine Meinung ist zurzeit, dass biologisch abbaubare Kunststoffe einige Vorteile bieten (z.B. für Landwirtschaftsfolien) aber nicht umweltfreundlicher sind als die konventionellen Kunststoffe, da sie das recyceln erschweren und die Kompostierbarkeit  vor allem „in großtechnischen Kompostieranlagen  nicht gewährleistet ist“[34]. Die Kompostierbarkeit in den Problemzonen, wie im Meer ist somit noch weniger gewährleistet. Das Umweltbundesamt steht „der Produktgruppe der biologisch abbaubaren Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe stehen wir nach wie vor zurückhaltend bis ablehnend gegenüber.“[35] Diese ablehnende Haltung wird noch stärker, wenn die Kunststoffe auf fossilen Rohstoffen basiert.

Also sieht es so aus, als ob die biologisch abbaubaren Kunststoffe nur in der Landwirtschaft helfen können, zu der Lösung der größeren Umweltproblematik jedoch nicht beitragen.

7. Zusammenfassung

Insgesamt würde ich die Alterung als ein problematisches Thema bezeichnen, da es immer schlecht ist, wenn etwas kaputt geht, aber auch weil die Industrie mit ihren Maßnahmen gegen diesen Prozess manchmal etwas unachtsam ist. Ich halte vor allem das Hinzufügen von vielen Additiven für problematisch, da sie keine langfristige Lösung gegen die Alterung sind und man enttäuscht wird, sobald die Additive verschwunden sind und die Auswirkungen von Additiven auf die Umwelt zu vielen Problemen  führt.

Ich kann mir jedoch vorstellen, dass dieses Verhalten sich ändern wird. Entweder wegen Industrienormen, einem bewussterem Umgang der Konsumenten in dieser Hinsicht oder als letzte Möglichkeit eine gesetzliche Regulierung, welche die Umwelt vor den negativen Folgen von Additiven schützen soll.

Die Alterungsprozesse und –Mechanismen hingegen sind sehr spannend und ich finde es gut, dass die Wirtschaft (gezwungenermaßen) in die Forschung in diesem Bereich investiert. In Zukunft werden die Ergebnisse dieser Forschungen uns sicherlich dabei helfen unsere Welt auf molekularer Ebene zu verstehen. Das wird in weiter Zukunft neue Möglichkeiten eröffnen, die man jetzt noch nicht sofort erkennt. Zu diesem Zeitpunkt heißt einfach: Weiterforschen.

8. Literatur- und Quellenverzeichnis

8.1. Literatur

• Bart, Jan C. J.: Polymer Additive Analytics: Industrial Practice and Case Studies. Florence 2006.
• Bergmann, Antje: Alterungsmechanismen des biosynthetischen Polymers Poly-(R)-3-Hydroxybutyrat (PHB), Dissertation. Regensburg 2005.
• Ehrenstein, Gottfried Wilhelm und Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München 2008.
• Menges, Georg und Haberstroh, Edmund und Michaeli, Walter und Schmachtenberg, Ernst: Menges Werkstoffkunde Kunststoffe. München 2011.

8.2.  Internetquellen

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 „UV degradation”. In: Wikipedia, The Free Encyclopedia. Bearbeitungsstand: 7. Oktober 2016. URL: https://en.wikipedia.org/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

„Viskoelastizität“. In: Chemie.de Information Service GmbH. Bearbeitungsstand: 3. Februar 2016. URL: http://www.chemie.de/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Wenzel, Mirko/ Erath, Johann:„Alterungsverhalten“. In: SKZ-KTT GmbH. Bearbeitungsstand: keine Angabe. URL: http://www.skz.de/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

„Zugversuch“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 11. Dezember 2016. URL: https://de.wikipedia.org/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

8.3. Abbildungen

Abb1:

„Streckspannung“. In: Ensinger. Bearbeitungsstand: keine Angabe. URL: http://www.ensinger-online.com/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb2: 

Bergmann, Antje: Alterungsmechanismen des biosynthetischen Polymers Poly-(R)-3-Hydroxybutyrat (PHB), Dissertation. Regensburg, 2005 (S. 34)

Abb3:

Piringer, Otto G.: „Mathematische Abschätzung von Stoffübergängen aus Bedarfsgegenständen auf Lebensmittel als Instrument zur Qualitätssicherung“. In: keine Angabe. Bearbeitungsstand: keine Angabe. URL: http://www.bfr.bund.de/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb4:

„UV degradation”. In: Wikipedia, The Free Encyclopedia. Bearbeitungsstand: 7. Oktober 2016. URL: https://en.wikipedia.org/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb5:

Ehrenstein, Gottfried Wilhelm und Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München, 2008. (S. 33)

Abb6:

Ehrenstein, Gottfried Wilhelm und Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München, 2008. (S. 30)

Abb7:

„Die Tests erden immer härter“. In: Carl Hanser Verlag. Bearbeitungsstand: 2008. URL: http://www.plasticsportal.net/wa/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb8:

Ehrenstein, Gottfried Wilhelm und Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München, 2008. (S. 30)

Abb9: Ehrenstein, Gottfried Wilhelm und Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München, 2008. (S. 30)

Abb10:

„Schaden durch Feuchtigkeit vermeiden“. In: Carl Hanser Verlag. Bearbeitungsstand: 2012. URL: http://www.plasticsportal.net/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb11:

Kratzert, Mirjam: „Kristallinität“. In: Didaktik der Chemie, FU Berlin. Bearbeitungsstand: 2000. URL: https://www.chemie.fu-berlin.de/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb12:

Kratzert, Mirjam: „Kristallinität“. In: Didaktik der Chemie, FU Berlin. Bearbeitungsstand: 2000. URL: https://www.chemie.fu-berlin.de/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb13:

Ehrenstein, Gottfried Wilhelm und Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München, 2008. (S. 34)

Abb14:

„Schaden durch Feuchtigkeit vermeiden“. In: Carl Hanser Verlag. Bearbeitungsstand: 2012. URL: http://www.plasticsportal.net/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb15:

„Faser-Kunststoff-Verbund“. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 2. September 2016. URL: https://de.wikipedia.org/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb16:

„Giftigkeit von Kunststoffen“. In: Greenpeace.org. Bearbeitungsstand: 23. Januar 2013. URL: http://isybe.de/ (Abgerufen: 8. Januar 2017)

Abb17:

„Biologisch abbaubare Kunststoffe“. In: Umweltbundesamt. Bearbeitungsstand: August 2009. URL: https://www.umweltbundesamt.de (Abgerufen: 8. Januar 2017)

9. Versicherung der selbstständigen Erarbeitung

Ich versichere, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und nur mit den angegebenen Hilfsmitteln angefertigt habe und dass ich alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinne nach anderen Werken entnommen sind, durch Angaben der Quellen als Zitate oder Entlehnungen kenntlich gemacht habe.

Anmerkungen / Verweise

[1] Ehrenstein 2008 (S.29)

[2] „Viskoelastizität“

[3] Bergmann 2005 (S.31)

[4] „Elastomer“

[5] „Zugversuch“

[6] Bergmann 2005  (S. 5)

[7] „Defekte Dichtung: 25.000 Liter Sekt ausgelaufen“

[8] Leitenberger, Bernd: „Schlampereien in der Raumfahrt“

[9] „Kunststoffe“. In: enuis.de

[10] Bart 2006 (S.98)

[11] Affolter, Samuel: „Langzeitverhalten von Thermoplasten“ (S.3)

[12] „Kunststoffe“. In: Modulor GmbH (A-14)

[13] Ehrenstein 2008 (S.32)

[14] „Eigenspannung“

[15] Ehrenstein 2008 (S.29)

[16]  Ehrenstein 2008 (S.29)

[17] „UV degradation“

[18] Wenzel, Mirko/ Erath, Johann:„Alterungsverhalten“

[19] Song, Qilei: „Photo-oxidative enhancement of polymeric molecular sieve membranes”

[20] Azevedo, Helena S./ Reis, Rui L.: „Understanding the Enzymatic Degradation of Biodegradable Polymers and Strategies to Control Their Degradation Rate“

[21] Pongratz, Sonja: „Alterung von Kunststoffen während der Verarbeitung und im Gebrauch“

[22] Ehrenstein 2008 (S.32f)

[23] Erath, Johann: „Biogene Alterung“

[24] Affolter, Samuel: „Langzeitverhalten von Thermoplasten“ (S.17)

[25] Kratzert, Mirjam: „Taktizität”

[26] „Kristallisation“

[27] Ehrenstein 2008 (S.32)

[28] „Schrumpfen (Textil)“

[29] Menges 2011 (S.165)

[30] „Faser-Kunststoff-Verbund“

[31] „Kunststoffe, Ein allgemeiner Überblick“

[32] Sommer, Falk/ Gerd Breusch: „Spektrum der Dialyse & Apherese“

[33] „General Aging Theory and Simplified Protocol for Accelerated Aging of Medical Devices“

[34] Beier, Wolfgang: „Biologisch Abbaubare Kunststoffe“

[35] Beier, Wolfgang: „Biologisch Abbaubare Kunststoffe“

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