Ueber die Geschichte der Kunststoffe

Über die Geschichte der Kunststoffe

Im täglichen Leben begegnen uns viele verschiedene Kunststoffarten: polymere Werkstoffe, die umgangssprachlich als Plastik oder Gummi bezeichnet werden. Doch worum handelt es sich bei Kunststoffen? Kunststoffe sind organische Werkstoffe, die synthetisch aus organischen Molekülen hergestellt werden. Durch chemische Reaktionen entstehen lineare, verzweigte oder vernetzte Makromoleküle.

Die ersten Kunststoffe aus natürlich vorkommenden Rohstoffen

Die Geschichte des Plastiks begann 1531 mit dem Augsburger Benediktinerpater Wolfgang Seidel. Er entdeckte, dass sich aus Magerkäse durch wiederholtes Erhitzen und Abkühlen ein Material „hart wie Knochen und wunderbar durchschneidend“ bildet[1]. Aus diesem Kunsthorn oder Kasein, auch unter dem alten Handelsnamen Galalith bekannt, das eingefärbt werden konnte, wurden Formen, Geschirr und Schmuck hergestellt. Es dauerte noch fast 200 Jahre, bis der Franzose Charles-Marie de La Condamine (1701 – 1774) von seiner Reise nach Südamerika im Jahr 1745 Naturkautschuk mitbrachte.

1839 entdeckte der Amerikaner Charles Goodyear (1800 – 1860), dass sich beim Erhitzen von Kautschuk und Schwefel ein elastisches Gummi bildet.

Cellulosenitrat, auch Schießbaumwolle genannt, wurde 1846 von drei Chemikern, Christian Friedrich Schönbein (1799 – 1868), Rudolf Christian Böttger (1806 – 1881) und Friedrich Julius Otto (1809 – 1870) unabhängig voneinander entdeckt. Der Engländer Alexander Parkes (1813 – 1890) entwickelte das Cellulosenitrat weiter zu einem Material, das sich beim Erhitzen verformen ließ und seine Form nach dem Abkühlen beibehielt, den ersten Thermoplasten. Unter dem Namen Parkesine präsentierte er es 1862 auf der Weltausstellung in London. Er konnte es jedoch nicht verwerten und verkaufte das Patent an den amerikanischen Chemiker John Wesley Hyatt (1837 – 1920).

Latex-Schlauch NR-Vakuum-Chemieschlauch geschichte-der-kunststoffe

Dieser entwickelte aus Cellulosenitrat und Campher wenige Jahre später das Zelluloid mit dem Ziel, ein Ersatzmaterial für Elfenbein zu finden, aus dem Billardkugeln hergestellt wurden. Auch andere Produkte wie Kämme, Küchenutensilien, Knöpfe und Spielwaren wurden aus Zelluloid gefertigt. Den Durchbruch aber schaffte das Material als fotografisches Filmträgermaterial durch den amerikanischen Erfinder Hannibal W. Goodwin (1822 – 1900), der im Jahr 1887 dafür ein Patent erhielt. Der Nachteil von Zelluloid ist jedoch die leichte Brennbarkeit, die durch den Ersatz von Cellulosenitrat durch Celluloseacetat, eine Entdeckung des Chemikers Arthur Eichengrün (1887 – 1949), deutlich verringert werden konnte.

1884 patentierte der Franzose Hilaire de Chardonnet (1839 – 1924) die erste Kunstfaser, die er aus Maulbeerblättern, Schwefel- und Salpetersäure herstellte. Aus den Fasern wird ein Stoff hergestellt, den man „Chardonnet-Seide“ nennt – ein Vorläufer der Kunstseiden sowie der Polyamid- und Polyester-Fasern.

Die ersten rein synthetischen Kunststoffe

Einen Höhepunkt in der Geschichte der Kunststoffe markiert die Herstellung von Kunststoffen aus rein synthetischen Rohstoffen. 1907 entwickelte der belgische Chemiker Leo Hendrik Baekeland (1863 – 1944) ein Verfahren zur Herstellung und Weiterverarbeitung eines Phenolharzes.

Volksempfaenger mit Gehaeuse aus Bakelit geschichte-der-kunststoffe
Volksempfänger mit Gehäuse aus Bakelit

Dieses Material wurde von ihm Bakelit genannt und war der erste Kunststoff, der in großen Mengen industriell hergestellt wurde.

Fünf Jahre später, im Jahr 1912, patentierte Fritz Klatte (1880 – 1934) ein Verfahren zur Herstellung von Polyvinylchlorid, besser bekannt als PVC.

Seine großtechnische Herstellung erfolgte jedoch erst ab 1938. Haushaltswaren und Spielzeuge aus Plastik zogen in den Alltag ein, Plastik galt als modern, sauber und chic. Kunststoffe ersetzten mehr und mehr rare und teure Naturstoffe, um Engpässe zu vermeiden, vor allem während des Zweiten Weltkriegs.

Hermann Staudinger – der Vater der Polymerchemie

Ein Meilenstein in der Geschichte der Kunststoffe war die Entwicklung einer Theorie über den Aufbau makromolekularer Stoffe durch Hermann Staudinger (1881 – 1965). Im Jahr 1922 prägte er den Begriff Makromolekül und wies nach, dass sich kleine Moleküle, die Monomere, zu größeren Molekülen, den Polymeren verbinden können. Seine Forschungsarbeiten zur Aufklärung der Reaktionsmechanismen bei der Entstehung von Polymeren ebneten den Weg für die Synthese „neuer“ Polymere. Je nachdem, welche Monomere man kombiniert, erhält man Makromoleküle mit unterschiedlichen Eigenschaften. Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der makromolekularen Chemie wurde er 1953 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Maschinen und Bearbeitungsverfahren

Neben dem Verständnis des Aufbaus von Polymeren und des Reaktionsmechanismus bei deren Entstehung sowie der Entwicklung von Katalysatoren war für die Herstellung von Kunststoffprodukten auch die Bearbeitung der verschiedenen Kunststoffarten notwendig, ein weiterer Meilenstein in der Geschichte der Kunststoffe.

Der deutsche Chemiker und Nobelpreistraeger Hermann Staudinger (1881 - 1965)
Der deutsche Chemiker und Nobelpreisträger Hermann Staudinger (1881 – 1965)

In den 1930er Jahren wurden einige Verfahren und Maschinen zur Herstellung von Kunststoffprodukten entwickelt. Hans Gastrow konstruierte eine „vollautomatische“ Spritzgussmaschine, die 1933 in die Serienfertigung ging. 1934 baute die Berstorff GmbH in Hannover den ersten Kalander, ein Rollensystem zur Herstellung von Kunststofffolien. 1935 wurden erste Maschinen zum Blasformen, ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoffhohlkörpern, eingesetzt. Im selben Jahr wurde der erste Extruder gebaut, eine elektrisch beheizte Kunststoff-Schneckenpresse.

Wichtige Polymere

Nachdem die Grundsteine für die Herstellung gelegt waren, begann eine rasante Entwicklung vieler Kunststoffarten. 1930 wurde Polystyrol (PS) von der IG Farben in Ludwigshafen großtechnisch produziert. Im selben Jahr gelang die Entwicklung von Polyesterfasern aus Polyethylenterephthalat (PET), die unter den Handelsnamen Trevira® und Diolen® bekannt sind. 1928 entwickelte Otto Röhm Polymethylmethacrylat (PMMA), das 1933 von der Firma Röhm & Haas AG unter dem Namen Plexiglas® vermarktet wurde.

Platte aus PMMA Rundstab aus PMMA geschichte-der-kunststoffe

Ebenfalls 1933 wurde erstmals Polyethylen (PE) unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen hergestellt. Es dauerte noch sieben Jahre, PE wirtschaftlich rentabel herzustellen. Zwanzig Jahre später gelang es mit neuen Katalysatoren, den sogenannten Ziegler-Natta-Katalysatoren, PE bei niedrigem Druck und niedrigen Temperaturen und somit kostengünstiger zu produzieren.

1935 wurden erste Polyamide (PA) entwickelt und 1938 patentiert, etwa Nylon® (PA 6.6) und Perlon® (PA 6).

Als DuPont 1939 die ersten Nylonstrümpfe auf den Markt brachte, wurden in vier Tagen sechs Millionen Strümpfe verkauft. Ab 1942 durfte Nylon ausschließlich für Fallschirme und militärische Zwecke verwendet werden. 1935 entwickelte Otto Bayer (1902 – 1982) das sogenannte Additionsverfahren. Dadurch konnten erstmals Polyurethane (PUR) hergestellt werden konnte. 1941 kamen sie in den Handel.

Bereits 1901 stellte Frederic Stanley Kipping (1863 – 1949) das erste Silikon her. Die wirtschaftlich rentable Produktion gelang jedoch erst 1944.

Polytetrafluorethylen (PTFE) wurde 1938 bei DuPont entwickelt und 1946 unter dem Namen Teflon® auf den Markt gebracht. 1953 wurde Polycarbonat bei den Farbenfabriken Bayer in Leverkusen entwickelt und ab 1958 unter dem Handelsnamen Makrolon® großtechnisch produziert.

Die Firma Montedison in Ferrara stellt 1957 Polypropylen (PP) in industriellem Maßstab her und ein Jahr später kommt Polyacetal (POM) auf den Markt. 1965 wurde die Aramidfaser Kevlar® entwickelt, die beiden Polymere Polysulfon (PSU) und Polybutylenterephthalat (PBT) werden auf den Markt gebracht.

Hochleistungskunststoffe, Funktionspolymere und leitfähige Kunststoffe

Wiederum ein Jahr später ist Kraton®, einer der ersten thermoplastischen Elastomere, kommerziell erhältlich. In den 1970er Jahren begann die Entwicklung und Produktion von Hochleistungskunststoffen wie Polyetheretherketon (PEEK), Polyetherimid (PEI) und Polyphenylensulfid (PPS). Befestigungselemente, wie Schrauben und Muttern, sowie Schläuche aus PEEK, werden für besonders anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt. Sie gelten als mechanisch belastbar, temperaturbeständig und chemisch resistent.

Hochdruck-Gerader-Kapillar-Verbinder aus PEEK Sechskantschraube aus PEEK geschichte-der-kunststoffe

1977 wurde eine neue Kunststoffart, die der leitfähigen Polymere, von den drei Chemikern Hideki Shirakawa (1936), Alan Heeger (1936) und Alan MacDiarmid (1927 – 2007) entwickelt, die dafür im Jahr 2000 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Leitfähige Polymere nehmen eine Sonderstellung ein, da sie im Gegensatz zu allen anderen Kunststoffarten elektrisch leitend sind. Das einfachste leitfähige Polymer ist Polyacetylen (PAC). Beispiele für leitfähige Polymere sind daneben Polypyrrol (PPy), Polyanilin (Pani), Polythiophen (PT) und Polyparaphenylen (PPP).

1983 übertraf der Verbrauch an Kunststoffen erstmals den Verbrauch von Stahl.

Seit den 1980er Jahren hat sich der Schwerpunkt bei der Entwicklung neuer Polymere von der Entwicklung neuartiger Monomere auf die Entwicklung maßgeschneiderter Polymere für bestimmte Anforderungen und Anwendungen durch Fortschritte in der Synthese und in der Verarbeitung verlagert. Gegenstand neuerer Entwicklungen sind sogenannte intelligente oder Funktionspolymere.

Diese Art von Polymeren ändert chemische oder physikalische Eigenschaften reversibel, wenn sie Änderungen, wie zum Beispiel Temperatur, Licht, pH-Wert, elektrischem oder magnetischem Feld ausgesetzt werden und ermöglicht damit weitere Anwendungsgebiete. Doch wie bei konventionellen Polymeren wird von der Entwicklung bis zur Marktreife noch einige Zeit vergehen.

Was sind Massenkunststoffe, technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe?

Massenkunststoffe werden sehr preiswert hergestellt und haben einen Anteil von etwa 80 % an der weltweiten Produktion. Zu dieser Gruppe gehören in der Reihenfolge ihres Anteils Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polyurethan (PU) und Polyethylenterephthalat (PET).

Der Massenkunststoff Polyethylen wird fuer die Herstellung von Folien, Umverpackungen, Behaeltern und Schlaeuchen eingesetzt
Der Massenkunststoff Polyethylen wird u. a. für die Herstellung von Folien, Umverpackungen, Behältern und Schläuchen eingesetzt

Technische Kunststoffe übertreffen die Eigenschaften der Standardkunststoffe, wie zum Beispiel Schlagzähigkeit und Elastizitätsmodul, was sich auch im Preis bemerkbar macht. Sie können bei Temperaturen bis zu +130 °C eingesetzt werden und zeigen eine hohe Haltbarkeit, gute Viskosität sowie Dämpfung und lassen sich gut verarbeiten. Ihr Marktanteil liegt bei etwa 20 %. Zu den technischen Kunststoffen gehören Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polylactid (PLA) und Polyoxymethylen (POM).

Bei Hochleistungskunststoffen werden Eigenschaften je nach Anwendung deutlich optimiert. Sie können bei Temperaturen über +150 °C eingesetzt werden. Einige zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien, radioaktive Strahlung und Umwelteinflüsse aus, andere sind extrem verschleißfest, hochrein, besonders elektrisch isolierend oder können bei Temperaturen unter -200 °C verwendet werden. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften liegen Hochleistungskunststoffe im oberen Preissegment mit etwa 20 Euro pro kg und ihr Marktanteil bei nur 0,2 %. Zu den Hochleistungskunststoffen gehören unter anderen Polyetheretherketon (PEEK) und Polytetrafluorethylen (PTFE).

Es scheint für jeden Zweck einen geeigneten Kunststoff zu geben. Die Umwelt- und Rohstoffproblematik jedoch machen neue und nachhaltige Lösungen notwendig.

Quellen:
[1] https://sinplastic.com/geschichte-der-kunststoffe/
Bildquellen:
Beitragsbild | © raeva – stock.adobe.com
Volksempfänger | © CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=843610
Hermann Staudinger | © Hermann_Staudinger_ETH-Bib_Portr_14419.jpg: Fr. Schmelhaus / ETH Zürichderivative work: Regi51 (talk) - Hermann_Staudinger_ETH-Bib_Portr_14419.jpg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15574519
Massenkunststoff Polyethylen | © nikirov – stock.adobe.com

Über Dr. Stefanie Schiestel

Stefanie Schiestel hat an den Universitäten Saarbrücken und Heidelberg Chemie studiert und an der Universität Heidelberg promoviert. Anschließend hat sie sieben Jahre am Naval Research Institute in Washington D.C. gearbeitet und ist seitdem in den Bereichen Beschichtung und Analytik tätig. Seit 2021 hat sie für das Online-Magazin der Reichelt Chemietechnik mehr als 50 Beiträge verfasst.