Reichelt Chemietechnik Magazin
Die Verwendung von Kunststoffen in der Laboranalytik hat in den letzten Jahrzehnten rapide zugenommen. Vielseitigkeit, Wirtschaftlichkeit und technologische Fortschritte in der Kunststoffherstellung sind die Gründe dafür. Kunststoffe werden in der Laboranalytik häufig und in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, von der Probenvorbereitung bis zur Aufbewahrung und auch in hochpräzisen Analyseinstrumenten. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Arten von Kunststoffen, ihre Anwendungsbeispiele, technologische Innovationen und Entwicklungen sowie deren Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit in der Laboranalytik.
Arten von Kunststoffen in der Laboranalytik
Der entscheidende Prozess bei der Herstellung von Kunststoffen ist die Polymerisation, bei der kleine Moleküle, sogenannte Monomere, zu langen, miteinander verbundenen Polymerketten reagieren. Dieser Vorgang kann verschiedenartig durchgeführt werden, abhängig von den spezifischen Eigenschaften des gewünschten Kunststoffs.
Thermoplastische Kunststoffe
Thermoplaste sind Kunststoffe, die unter Erwärmung weich werden, sich verformen lassen und bei Abkühlung wieder erstarren. Nach dem Abkühlen können sie erneut erwärmt und verformt werden. Diese Gruppe umfasst viele weit verbreitete Kunststoffe, wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP).
Polyethylen (PE) wird häufig verwendet, um Verpackungen, Kunststofffolien und Rohre herzustellen. Das Polymer ist leicht und preiswert, zudem ungiftig, inert und leicht zu reinigen. Überdies ist PE beständig gegenüber vielen Chemikalien und hat eine hohe Schlagfestigkeit. Es ist auch beständig gegenüber Temperaturen um +100 °C und wird häufig für den Laborbedarf und Zubehörartikel wie Schläuche, Flaschen und Becher, Probenbehälter, Pipettenspitzen und Mikrotiterplatten verwendet.
Polypropylen (PP) ist robust und hitzebeständig und hat ähnliche Eigenschaften wie PE, ist jedoch härter und widerstandsfähiger gegen Chemikalien und weist eine hohe Schlagfestigkeit auf. Es ist auch gegenüber hohen Temperaturen beständig und kann sterilisiert werden. Verwendet wird PP häufig für Laborgeräte und Laborzubehör, die hohen Temperaturen oder Chemikalien ausgesetzt sind. Die Palette reicht von Hähnen und Ventilen, Analyseflaschen und Kanister bis hin zu Schlauchverbindern und Gewindeadaptern.
Polystyrol (PS) ist leicht und preiswert, jedoch nicht so widerstandsfähig wie andere Thermoplaste. Ferner ist PS unbeständig gegenüber vielen organischen Lösungsmitteln und sollte daher nicht für aggressive Chemikalien und Lösungsmittel verwendet werden. Das Polymer ist von hoher Transparenz und eignet sich daher gut für optische Anwendungen wie die Mikroskopie und Fluoreszenzmessungen. PS wird häufig für Verbrauchsmaterialien in der Laboranalytik verwendet, beispielsweise für Laborröhrchen und Küvetten.
Polyvinylchlorid (PVC) weist eine gute Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Chemikalien auf. Weich-PVC wird häufig für elastische Gummischläuche und Halbzeuge verwendet, bei denen Flexibilität erforderlich ist. Hart-PVC kommt hingegen in Form von Verbindungsstücken, Kunststoffrohren und Kunststoffplatten sowie anderen Halbzeugen zum Einsatz. Der Werkstoff ist eine kostengünstige Option, die sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet.
Polycarbonat (PC) ist glasklar, sehr stark kratz- und schlagfest und wird daher auch verwendet, um Brillengläser, Schutzhelme und CD-Hüllen herzustellen. Es ist jedoch nicht sehr temperaturbeständig. PC wird häufig für Laborgeräte und -zubehör verwendet, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Polymethylmethacrylat (PMMA), allgemein bekannt als Acrylglas oder Plexiglas, ist ein synthetischer, glasähnlicher thermoplastischer Kunststoff. Er bietet eine klare Sicht auf die Proben und ist leicht zu reinigen. PMMA wird in der Laboranalytik für die Herstellung von transparenten Gefäßen wie Zylindern, Reagenzglasgestellen und Exsikkatoren, Petrischalen und anderen optischen Teilen verwendet.
Duroplaste
Duroplaste sind Kunststoffe, die beim Aushärten irreversibel vernetzte Strukturen bilden und daher nicht durch Erhitzen erweichbar sind. Beispiele sind Epoxidharze, Phenolharze und Melaminharze. Sie sind im Allgemeinen sehr hart, stabil und widerstandsfähig gegen Chemikalien und Witterungseinflüsse. Als Bedienteile aus diesem Polymer kommen etwa Knöpfe und Griffe zum Einsatz.
Elastomere – Gummiartige Kunststoffe
Elastomere, auch bekannt als Gummi oder Kautschuke, sind Kunststoffe mit elastischen Eigenschaften, die nach Dehnung zur ursprünglichen Form zurückkehren. Beispiele sind Naturkautschuk, Silikonkautschuk und thermoplastische Elastomere wie EPDM/PP. Im Labor finden sich Elastomere als Pumpenschläuche für Schlauchquetschpumpen oder Schläuche aus Naturkautschuk, die beispielsweise für Vakuumpumpen eingesetzt werden.
Kunststoffe im Labor und ihre Anwendungen
Kunststoffe finden in der Laboranalytik vielfältige Anwendungen, da sie robust und chemikalienbeständig sind. Sie werden zur Herstellung von Pipetten, Petrischalen und Reaktionsgefäßen eingesetzt. Kunststoff-Pipettenspitzen aus Polyethylen sind kostengünstig und können einfach entsorgt werden. Ihre vielseitigen Eigenschaften machen sie zu einer bevorzugten Lösung für verschiedene Laboranwendungen.
Reagenzgläser werden zum Mischen und Lagern von Chemikalien verwendet. Sie sind in der Regel aus Borosilikatglas oder Kunststoff hergestellt. Kunststoffreagenzgläser sind leichter und bruchsicherer als Glasreagenzgläser.
Pipetten werden zum Abmessen und Transferieren von Flüssigkeiten verwendet. Sie sind in der Regel aus Kunststoff oder Glas hergestellt. Kunststoffpipetten sind leichter und bruchsicherer als Glaspipetten.
Probenbehälter wie Petrischalen, Reagenzgläser und Mikrotiterplatten werden häufig zur Aufbewahrung und den Transport von Proben verwendet und bestehen meistens aus Polyethylen und Polypropylen.
Kunststoffschläuche sind im Einsatz, um Flüssigkeiten zu übertragen. Kunststoff-Verbinder werden verwendet, um Schläuche, Gewindeanschlüsse oder Rohre zu verbinden. Kunststoffwaagschalen zum Wiegen von Proben sind leichter und bruchsicherer als Metallwaagschalen. Auch andere Laborgeräte, wie Zentrifugen und Mikroskope, sind häufig mit Kunststoffkomponenten ausgestattet.
Fläschchen werden zum Lagern von Proben verwendet und sind in der Regel aus Kunststoff oder Glas hergestellt. Reaktionsgefäße werden zur Durchführung von chemischen Reaktionen verwendet. Sie üblicherweise aus Borosilikatglas hergestellt, aber auch Reaktionsgefäße aus den fluorierten Kunststoffen PTFE und PFA sind üblich.
Für die Filtration kommen ebenfalls Kunststoffe zum Einsatz. Dies können beispielsweise gesinterte Kunststoffe in Form von Sinterplatten, Stäben und Rohren sein, gefertigt aus PTFE oder PE, sowie Rundfilter und Filterkerzen aus verschiedenen Polymeren. Ferner werden Polymer-Fasern aus Polyamiden, Polyestern oder fluorierten Kunststoffen werden zur Fertigung von Siebgeweben eingesetzt.
Innovationen und Weiterentwicklungen
Die Kunststofftechnologie entwickelt sich ständig weiter, um den steigenden Anforderungen gerecht zu werden. Diese Innovationen tragen dazu bei, die Funktionalität, Zuverlässigkeit und Umweltverträglichkeit von Kunststoffen in der Laboranalytik zu verbessern, was wiederum die Qualität der Experimente und Analysen in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen steigert.
Biokompatible Kunststoffe sind entwickelt worden, um die Wechselwirkungen mit biologischen Proben zu minimieren. Dies ist entscheidend für genaue Analysen und biologische Studien in der Biotechnologie und Molekularbiologie.
Innovative Kunststoffgeräte wie Lab-on-a-Chip-Systeme ermöglichen die Integration und Automatisierung mehrerer Laborprozesse auf einem kleinen Chip, was zu einer schnelleren Analyse, geringerem Probenverbrauch und verbesserten Ergebnissen führt.
Elektrisch ableitfähige Kunststoffe verhindern elektrostatische Entladungen, die Messungen beeinflussen oder empfindliche elektronische Geräte beschädigen können. Antimikrobielle Kunststoffe enthalten antimikrobielle Wirkstoffe, die das Wachstum von Bakterien auf der Oberfläche des Kunststoffs hemmen.
Verbesserungen in der optischen Transparenz und Lichtleitfähigkeit von Kunststoffen ermöglichen eine präzisere optische Analyse, insbesondere in Anwendungen wie Spektroskopie und Fluoreszenzmessungen.
Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit
Kunststoffe sind in der analytischen Chemie weit verbreitet, da sie für Laborgeräte, Probenbehälter und andere Anwendungen unerlässlich sind. Sie bieten viele Vorteile wie geringes Gewicht, Robustheit und einfache Handhabung. Allerdings bringen sie auch manche Probleme für die Umwelt mit sich – bei der Herstellung werden schädliche Chemikalien freigesetzt, insbesondere bei der Produktion aus nicht-erneuerbaren Rohstoffen wie Erdöl. Da sie biologisch nicht abbaubar sind, können sie für Jahrzehnte in der Umwelt verbleiben. Umso mehr müssen nachhaltige Ansätze gefunden werden, um diese Auswirkungen so weit wie möglich zu reduzieren.
Dafür eignen sich Maßnahmen wie:
- Nachhaltige, umweltverträgliche, biobasierte Kunststoffe verwenden
- Abfälle vermeiden
- Recycling sortenreiner Kunststoffe
Ein Beispiel für nachhaltige Kunststoffe sind Biokunststoffe wie Polymilchsäure (PLA), die aus fermentierter Maisstärke oder anderen pflanzlichen Rohstoffen wie Zuckerrohr, Zuckerrüben oder Weizen hergestellt werden. PLA ist biologisch abbaubar und kann in vielen Anwendungen herkömmliche Kunststoffe ersetzen.
Eine weitere Herausforderung ist die Entsorgung von Kunststoffen. Deshalb sollte grundsätzlich die Menge von Kunststoffabfällen so weit wie möglich reduziert werden. Zwar nicht alle, aber dennoch viele Kunststoffe lassen sich recyclen. Dazu gehören PET (Polyethylenterephthalat), HDPE (High Density Polyethylen), PP (Polypropylen), PS (Polystyrol) oder LDPE (Low Density Polyethylen). Je nach Art und Verwendung gibt es für das Recycling verschiedene Verfahren.
Recycling von Kunststoffen – Die gängigen Verfahren
Am häufigsten verwendet wird das mechanische Recycling. Es beinhaltet das Schreddern und Schmelzen von Kunststoffen. Die Bestandteile können dann verwendet werden, um neue Kunststoffprodukte herzustellen.
Beim chemischen Recycling werden die Kunststoffe in ihre chemischen Bestandteile zersetzt, mit denen sich neue Kunststoffprodukte herstellen lassen.
Das thermische Recycling beinhaltet die Verbrennung von Kunststoffen zur Energieerzeugung. Es ist jedoch nicht so effektiv wie mechanisches oder chemisches Recycling und führt meistens zu Luftverschmutzung.
Der biologische Abbau von Kunststoffen durch Mikroorganismen wird als chemisches Recycling bezeichnet. Es ist jedoch noch in der Entwicklungsphase und wird derzeit nur für bestimmte Arten von Kunststoffen verwendet.
Kunststoffe im Labor: Vielseitig einsetzbar und allgegenwärtig
Kunststoffe spielen eine entscheidende Rolle in der Laboranalytik und bieten zahlreiche Vorteile wie Anpassungsfähigkeit, Beständigkeit gegenüber Chemikalien, Transparenz für optische Messungen, Leichtgewicht, geringe Kosten und Möglichkeit zur Herstellung maßgeschneiderter Geräte durch 3D-Druck.
Die Umweltverträglichkeit von Kunststoffen ist ein wichtiges Thema. Innovationen in Kunststofftechnologien haben durch die Verwendung von sterileren Materialien, biologisch abbaubaren Polymeren, bis hin zu recycelten Kunststoffen zu nachhaltigen, biologisch abbaubaren Kunststoffen geführt.
Diese Fortschritte tragen dazu bei, die Effizienz, Genauigkeit und Umweltfreundlichkeit von Laboranalysen zu verbessern, indem sie sich den spezifischen Anforderungen und Herausforderungen der Laboratorien anpassen.
Bild-Quellen: Beitragsbild | © pressmaster – stock.adobe.com Plastbikecher aus Polymilchsäure (PLA) | © Ildar Sagdejev (Specious), CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons