Reichelt Chemietechnik Magazin
Vor etwa 100 Jahren begann die Herstellung rein synthetischer, also nur aus künstlichen Komponenten bestehenden Kunststoffen. 1907 entwickelte der belgische Chemiker Leo Hendrik Baekeland (1863 – 1944) ein Verfahren zur Herstellung und Weiterverarbeitung eines Phenolharzes. Dieser Kunststoff wurde von ihm Bakelit genannt und war der erste Kunststoff, der in großen Mengen industriell hergestellt wurde. 1912 patentierte Fritz Klatte (1880 – 1934) ein Verfahren zur Herstellung von Polyvinylchlorid, besser bekannt als PVC.
Polypropylen wurde 1951 zum ersten Mal von den US-Amerikanern J. Paul Hogan (1919 – 2012) und Robert Banks (1921 – 1989) synthetisiert. 1953 entwickelte der deutsche Chemiker und langjährige Leiter des Mülheimer Max-Planck-Instituts für Kohleforschung, Karl Ziegler (1898 – 1973), Katalysatoren für die Polymerisation von Ethen, das vorher bei hohen Drücken und Temperaturen von bis zu 300 MPa und +300 °C hergestellt wurde.
Er verwendete bei der Synthese metallorganische Katalysatoren, mit denen bei niedrigerem Druck und Temperatur gearbeitet werden konnte und damit der großtechnische Einsatz ermöglicht wurde.
1954 gelang Karl Rehn in den Farbwerken Hoechst die Synthese von Polypropylen unter Verwendung von Ziegler-Katalysatoren. Gleichzeitig stellte der italienische Chemiker Giulio Natta (1903 – 1979) in Mailand Polypropylen her und meldete dafür ein Patent an. 1963 erhielten Karl Ziegler und Giulio Natta den Nobelpreis für ihre „Entdeckungen auf dem Gebiet der Chemie und Technologie der Hochpolymeren“.
Struktur und Eigenschaften
Die chemisch korrekte Bezeichnung für Polypropylen ist Polypropen, oft wird auch die Abkürzung PP verwendet.
Bei Polypropylen kann die Methyl-Seitengruppe unterschiedlich angeordnet sein. Die Anordnung der Methyl-Seitengruppe wird durch die Taktizität beschrieben: bei isotaktischem PP befinden sich alle Methylgruppen auf einer Seite der Polymerkette, bei syndiotaktischem PP sind die Methylgruppen abwechselnd auf beiden Seiten angeordnet und bei atatischem PP zufällig unregelmäßig auf beiden Seiten[1].
Die Anordnung der Methyl-Seitengruppe beeinflusst die Kristallinität und die Eigenschaften. Mit zunehmender Kristallinität steigen die Glasübergangstemperatur, der Schmelzpunkt, Härte, Festigkeit und Steifheit. Isotaktisches PP besitzt mit 70 -80 %[2] den höchsten Kristallisationsgrad der drei PP-Stereoisomere und hat eine höhere Festigkeit und Steifheit verglichen mit High-Density-Polyethylen. Die auf einer Seite angeordneten Methylgruppen zwingen die Polymerkette in eine Helix-Form. Bei syndiotaktischem PP beträgt der Kristallisationsgrad 30 -40 %[2]. Es ist transparent und schlagzäh, aber weniger steif als isotaktisches PP. Ataktisches PP ist amorph und bei Raumtemperatur klebrig. Für die industrielle Anwendung hat isotaktisches Polypropylen die größte Bedeutung.
Polypropylen besitzt eine Dichte kleiner als 1 g/cm3 und ist damit einer der „leichten“ Kunststoffe. Gleichzeitig gehört er zu den härtesten Kunststoffen. Mit einer Glasübergangstemperatur zwischen +0 °C und -10 °C wird PP unter +0 °C spröde. Die maximale Einsatztemperatur bei Dauerbetrieb liegt bei +110 °C.
Außerdem ist Polypropylen beständig gegenüber Säuren, Laugen, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Ketonen und Wasser, was diesen Kunststoff für den Einsatz im chemischen Labor und für den Laborbedarf prädestiniert. Angegriffen wird es von oxidierenden Säuren, wie Salpetersäure und konzentrierte Schwefelsäure, aromatischen, cyclischen und halogenierten Kohlenwasserstoffen. Ebenfalls unbeständig ist Polypropylen gegen UV- und Röntgenstrahlung.
Mit einem spezifischen elektrischen Widerstand >1016 Ω·cm und einer Durchschlagfestigkeit bis zu 50 kV/mm ist dieser Kunststoff ein Isolator, seine elektrischen Eigenschaften sind mit denen von Keramiken vergleichbar. PP besitzt eine höhere Steifheit, Härte und Festigkeit als Polyethylen sowie eine gute Barriere-Eigenschaft gegenüber Feuchtigkeit und Fetten. Polypropylen enthält ebenso wie Polyethylen keine Weichmacher.
Industrielle Herstellung von Polypropylen
Polypropylen ist ein thermoplastischer Kunststoff und gehört zu der Gruppe der Polyolefine. Ausgangsprodukt ist das Monomer Propen, aus dem durch radikalische Polymerisation in Gegenwart von Ziegler-Natta-Katalysatoren Polypropylen bei Raumtemperatur entsteht. Als Ziegler-Natta-Katalysatoren bezeichnet man eine Kombination von zwei Metallverbindungen, die ein katalytisch aktives Zentrum bilden, an das sich das Monomer Propen anlagert und die Polymerkette zu wachsen beginnt. Die Auswahl des Katalysators bestimmt die Lage der Methylseitengruppe. Werden als Katalysatoren Triethyl-Aluminium und Titan-Trichlorid eingesetzt, erhält man isotaktisches PP. Für die Herstellung von syndiotaktischem PP werden Diethyl-Aluminiumchlorid und Vanadiumtetrachlorid verwendet.
Neben Polypropylen, das auch als Polypropylen-Homopolymer (PP-H) bezeichnet wird, gibt es weitere Polymere, sogenannte Copolymere, die neben dem Monomer Propen andere Monomere enthalten. Das häufigste ist das Ethylen-Propylen-Copolymer, das aus den Monomeren Ethen und Propen, ebenfalls in Gegenwart von Ziegler-Natta-Katalysatoren, hergestellt wird.
Verarbeitung
PP-Kunststoffe sind als ungefärbte und gefärbte Granulate oder Pulver zur Weiterverarbeitung erhältlich. Ungefärbt ist das Material grau.
Zudem kann der Kunststoff je nach Anwendungsanforderung mit Füllstoffen versetzt werden. Durch die Zugabe von mineralischen Füllstoffen wie Talkum, Mineral-, Glas- oder Carbonfasern können die Härte, Festigkeit und Steifigkeit verbessert werden. Werden keramische Füllstoffe wie zum Beispiel Magnesiumoxid, Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid zugesetzt, erhält man einen wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Kunststoff. Durch Zusatz von Graphit oder metallischen Pulvern wie Kupfer und Aluminium wird der Kunststoff wärme- und elektrisch leitend.
Aus Polypropylen können Folien, Fasern und Schäume hergestellt werden. PP-Fasern sind mit einer Dichte von 0,9 g/cm3 die leichtesten Kunststofffasern und finden Anwendung in der Textilindustrie und im Bauwesen.
Bei Folien unterscheidet man zwischen „orientiertem“ PP (oriented PP, OPP) und „gegossenem“ PP (cast PP, CPP). „Oriented“ PP wird bei der Herstellung durch Walzen in Längsrichtung gedehnt, wodurch die Folie steif und transparent wird. Wird anschließend noch in Querrichtung verstreckt, erhält man „biaxially oriented“ PP (BOPP). „Biaxially oriented“ PP-Folien zeichnen sich durch Reiß-, Stoß- und Durchstoßfestigkeit aus. Wird eine zusätzliche Acryllackierung aufgetragen, nennt man dieses Material OPPA. „Cast“ PP ist nicht gedehnt, weniger transparent und elastischer als OPP.
Geschäumtes PP wird als „expanded“ PP (EPP) oder „porous expanded“ PP (PEPP) bezeichnet. Es besteht zu 75 bis 95 % aus Luft, hat eine Dicht zwischen 20 bis 250 kg/m3 und zeigt ein sehr gutes Wärmedämmverhalten, eine hohe Formstabilität und eine höhere Stoß- und Druckfestigkeit als kompaktes PP. Im Vergleich zu einem kompakten Kunststoff werden nur etwa 10 % Material benötigt, was EPP zu einem ressourcenschonenden Material macht.
Anwendungsbeispiele – Von der Textilfaser zum Becherglas
Seit der ersten großtechnischen Herstellung von Polypropylen stieg das Produktionsvolumen rasant an: 1955 wurden 200 Tonnen PP produziert, 2012 lag das Produktionsvolumen bereits bei 54 Millionen Tonnen. In den Industrieländern liegt der Pro-Kopf-Verbrauch bei 18 kg/Jahr, in Entwicklungsländern bei nur 2 kg/Jahr[3]. Die Kosten für ein Kilogramm Granulat liegen wie bei Polyethylen bei etwa 1 Euro/kg. Gemessen am Umsatz ist Polypropylen nach Polyethylen der zweitwichtigste Massenkunststoff weltweit und findet zahlreiche Anwendungsgebiete.
In der Automobilindustrie wird Polypropylen als Material für Armaturenbretter, Stoßstangen, Luftfilter- und Scheinwerfergehäuse, Spoiler, Sitzbezüge, Kindersitze und Crash-Absorber eingesetzt.
Im Bauwesen wird PP in vielen unterschiedlichen Bereichen verwendet. So findet man diesen Kunststoff in Armaturen und Rohrleitungen für die Trinkwasserinstallation, in der Klima- und Lüftungstechnik, als Dämmmaterial, in Möbelscharnieren und in Kunstrasen. Mischt man Beton mit PP-Fasern, werden die Frostbeständigkeit, Abriebfestigkeit, Druckfestigkeit und Gaspermeabilität deutlich erhöht. Im Brandfall zersetzen sich die Fasern, es kommt zu Mikrorissbildungen, durch die Spannungen im Beton abgebaut werden und entstehende Gase entweichen können[4,5].
Polypropylen ist Bestandteil des Funktionsgarns Polycolon®, das in verschiedenen Textilien verarbeitet wird. Es ist die leichteste der handelsüblichen Fasern, ist hautverträglich und besitzt eine hohe Oberflächenspannung. Dadurch werden Wasser und Schweiß von ihr nicht aufgenommen. Deshalb wird das Funktionsgarn gerne für die Herstellung von Sportbekleidung und Outdoor-Kleidung verwendet. Auch in Heimtextilien, Teppichen, Seilen und Fischereinetzen findet es Anwendung.
In der chemischen und Pharmaindustrie werden Laborbehälter wie zum Beispiel Messbecher, Erlenmeyer-Kolben, Messkolben und Abdampfschalen, Kunststoffschläuche, Laborbecken und Einmalartikel des Laborbedarfs wie Spritzen, Spatel und Kunststoffbehälter aus Polypropylen verwendet.
Im Haushalt bestehen viele Gegenstände aus Polypropylen: Joghurt- und Margarinebecher, Flaschenverschlüsse, Kunststoffbehälter für Reinigungsmittel, Gehäuse von Elektrokleingeräten wie Kaffeemaschinen oder Wasserkocher, Formteile in Haushaltsgeräten wie Waschmaschine oder Trockner. Folien aus CPP und OPP sind Bestandteil der Verpackungen von Gemüse und Süßigkeiten. Aus EPP werden Thermoboxen, Möbel, Fahrradhelme und Modellflugzeuge gefertigt[6].
Recycling
Polypropylen ist ein sehr vielseitiger Kunststoff und aufgrund seiner Eigenschaften in vielen unterschiedlichen Bereichen einsetzbar. PP ist gut recyclebar, sofern die Sortenreinheit gewährleistet ist. Produkte aus Polypropylen können am Recycling Code 5 erkannt werden.
Es kann für die Wiederverwertung aufbereitet und zu neuen Produkten umgeschmolzen werden. Wird bei der Produktion von Polypropylen recyceltes Material eingesetzt, kann der für die Produktion benötige Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Jedoch dürfen Produkte aus recyceltem Material nicht in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.
Die Verbrennung von Polypropylen ist unkritisch, da nur Wasser und Kohlenstoffdioxid entstehen. PP besitzt einen hohen Heizwert, vergleichbar mit dem von Kohle oder Öl.
Laut dem „American Chemistry Council“ (ACC), dem Interessenverband der Chemischen Industrie in den USA, betrug der Recycling-Anteil von Polypropylen 2017 weniger als 1 %, die Nachfrage nach recyceltem Material ist aber sehr viel größer[7]. Die Firma Proctor & Gamble entwickelte ein Recyclingverfahren für Polypropylen, das hoch reines Rezyklat liefert. In Zusammenarbeit mit der US-Firma Pure Cycle Technologies Inc. wurde 2018 in Ohio eine Produktionsanlage geplant, die ab 2021 aus 54.000 Tonnen Alt-Polypropylen 48.000 Tonnen recyceltes Polypropylen produzieren soll[8]. Vorgesehen ist, auch eine Zulassung bei der amerikanischen „Food and Drug Administration“ (FDA) zu beantragen, sodass das recycelte PP auch in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden kann.
Quellen: 1) https://de.wikipedia.org/wiki/Polypropylen 2) https://de.wikipedia.org/wiki/Kristallisation_(Polymer) 3) https://www.kunststoffe.de/a/grundlagenartikel/marktentwicklung-polypropylen-pp-264429 4) https://opus4.kobv.de/opus4-bam/frontdoor/index/index/docId/35734 5) https://www.beton.wiki/index.php?title=Kunststofffaserbeton 6) https://epp-forum.com/einsatzgebiete 7) https://www.thebalancesmb.com/an-overview-of-polypropylene-recycling-2877863 8) https://purecycletech.wpengine.com/2019/09/successful-run-of-feedstock-evaluation-unit/
Bildquellen: Beitragsbild | © lukasvetic – stock.adobe.com Taktizität von Polypropylen | © Minihaa, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=47058395 Bunt eingefärbte PP-Granulate | © Emilia – stock.adobe.com Plastic recycle logo | © Tomia, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=591691