Kunststoffe und Umwelt

Startseite >>> Lexika >>> Lexikon der Polymere >>> Umwelt

Kunststoffe und Umwelt

Bild vergrößern
Die meisten Kunststoffe werden aus Erdöl hergestellt. Doch dieser fossile Rohstoff, der als Zersetzungsprodukt aus ehemaligen Lebewesen entstanden ist, steht nicht unbegrenzt zur Verfügung. Daher erscheint es sinnvoll, wenn Kunststoffe im Recycling wiederverwertet werden. Viele Kunststoffe wie Polyethen sind gegen Umwelteinflüsse äußerst widerstandsfähig und bauen sich in der Natur nur schlecht ab. Die Kunststoffe lagern für Jahrtausende auf Mülldeponien, und manche Kunststoffe erzeugen beim Verbrennen sehr giftige Reaktionsprodukte (z.B. das PVC). Ein weiteres Problem stellen giftige Ausgangsstoffe und Zwischenprodukte dar, denen die Arbeiter bei der Produktion ausgesetzt sind. Auch diese Stoffe müssen entsorgt werden und können zu Umweltschädigungen führen. In der Zwischenzeit sind einige dieser Probleme erkannt worden, z.B. beim EU-weiten Verbot von Weich-PVC für Kinderspielzeug im Jahre 1999.

Recycling von Kunstoffen

Bei der Wiederverwertung von Kunststoffen sind drei Verfahren von Bedeutung:

Werkstoffliches Recycling: Die Kunststoffabfälle werden zunächst zu Granulat zerkleinert, danach eingeschmolzen und zu neuen Formen verarbeitet. Dieses Verfahren findet bei Flaschenkästen, Kunststoff-Flaschen (z.B. die PET-Flaschen) und Folien Anwendung. Nachteil: Ein Gemisch aus vielen kleinteiligen Abfällen lässt sich nur noch schwer und unter Zusatz von neuem Material verarbeiten.

Rohstoffliches Recycling: Die Makromoleküle der Kunststoffe werden in einer Pyrolyse in kurzkettige Moleküle aufgespalten. Durch Erhitzen bei 600-900°C unter Sauerstoffabschluss ist gewährleistet, dass keine Verbrennung stattfindet. Bei der Pyrolyse von Polyethen und Polypropen entstehen Monomere wie Methan, Ethan, Ethen, Propen und Benzol an. Die Auftrennung der einzelnen Produkte erhält man durch eine nachfolgende Destillation. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Abfälle nicht sortiert werden müssen. Allerdings erzeugt die notwendige Trennung der Produkte und die Neuherstellung der Kunststoffe hohe Kosten.

Thermische Verwertung: Die Kunststoffabfälle werden unter Nutzung der dabei entstehenden Wärmeenergie verbrannt. Diese Verwertung ist kostengünstig, es können aber giftige Produkte entstehen, so dass eine Abgasreinigungsanlage notwendig ist.

Biologisch abbaubare Polymere

Der anfallende Hausmüll kann auf Deponien gelagert, in Müllverbrennungsanlagen verbrannt oder wiederverwertet werden. Der Hausmüll enthält aber auch einen relativ hohen Anteil an kompostierbarem Material. Dabei sind nicht nur Stoffe auf pflanzlicher oder tierischer Basis abbaubar, sondern auch Kunststoffe, die folgende Anforderung erfüllen:

Sie enthalten keine biologisch nicht abbaubare Komponenten
Sie enthalten keine Zusätze wie Weichmacher oder Stabilisatoren
Der Kunststoff wird innerhalb eines bestimmten Zeitraums (max. 1 Jahr) in Wasser, Kohlenstoffdioxid und Humus umgewandelt

Voraussetzung dafür ist die biologische Abbaubarkeit der Rohstoffe. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick, welche Rohstoffe biologisch abbaubar sind: Biologisch abbaubare Polymere

nachwachsende Rohstoffe	aus fossilen Rohstoffen
pflanzlich: Stärke, Cellulose tierisch: Wolle, Seide, Gelatine, Chitin Produkte aus biotechnischen Synthesen	Polyester Polyesteramide (40% Polyesteranteil) Polyesterurethane (80% Polyester-Anteil)

Eine sinnvolle Alternative sind Blends, bei denen nachwachsende Rohstoffe mit abbaubaren Polyestern vermischt werden. So kombiniert ein derart hergestelltes Material die biologische Abbaubarkeit des nachwachsenden Rohstoffes mit der guten Verarbeitbarkeit des fossilen Rohstoffes.

Der Einsatz von biologisch abbaubaren Polymeren ist überall dort sinnvoll, wo das Material nur eine begrenzte Zeit halten muss, z.B. bei Plastiktüten, Joghurtbechern oder bei Verpackungsmaterial im Haushalt. Es sind zwei Gruppen von Polymeren von Bedeutung:

Materialien auf Stärke- und Cellulosebasis

Stärke wird vorwiegend aus Mais, Weizen oder Kartoffeln hergestellt. Damit die Stärke verarbeitet und verformt werden kann, wird sie mit Wasser oder mit Alkoholen als Weichmacher versetzt. Auf diese Art und Weise lassen sich aus Stärke Suppenteller, Kaffeetassen oder diverse Verpackungsmaterialien herstellen (z.B. für Eierbehälter oder nach dem Schäumen als Verpackungschips). Der Nachteil dieser Polymere liegt darin, dass sie wasseranziehend und durch Wärmebehandlung nicht gut verformbar sind. Cellophan ist aus biologisch abbaubarem Cellulosehydrat aufgebaut und eignet sich zur Herstellung von Verpackungsfolien (Näheres siehe unter >Cellulose und Produkte).

Materialien auf Polyesterbasis

Polyester sind oft nur als Kunstfasern bekannt. Sie kommen aber auch als natürliche Polymere vor. Ihre biologische Abbaubarkeit lässt sich aufgrund des Molekülbaus begründen. Sie enthalten nicht nur reine Kohlenstoff-Ketten, sondern durch die Ester-Bindung auch Sauerstoff-Atome in der Kette, z.B. Polymilchsäure, Poly-3-hydroxybuttersäure (Markenname Biopol^®), Polycaprolacton und der von der BASF entwickelte BTA-Copolyester (Markenname Ecoflex^®). Letzterer erhält man durch eine Umsetzung von Butandiol mit Terephthalsäure und Adipinsäure. Diese Polyester lassen sich zu Folien und Formteilen verarbeiten und eignen sich sogar als chirurgisches Nähmaterial. Die Ester-Bindung wird durch Wasser gespalten und kann dann von den Mikroorganismen abgebaut werden.

Bild vergrößern

Eine Folie für Lebensmittelverpackungen sollte im Interesse der Hygiene und der Haltbarkeit möglichst keine Gase und Flüssigkeiten durchlassen. Durch Polyester-Beschichtungen auf Stärke-Verpackungen erreicht man eine Wasser- und Fettundurchlässigkeit. Insofern stellen auch Verbundwerkstoffe aus biologisch abbaubaren Materialien eine sinnvolle Kombination dar.

Didaktische Hinweise und Ökobilanzen von abbaubaren Polymeren

Im Unterricht bietet sich eine Diskussion um die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen von nachwachsenden Rohstoffen im Hinblick auf die Kunststoffe an (vgl. auch das >Farbenprojekt). Zunächst kann man überlegen, ob die Verwendung einer Kunststoffverpackung überhaupt notwendig ist. So könnte man ja auch auf einen Markt gehen und die Behältnisse (z.B. Flaschen, Schüsseln) selbst mitbringen und befüllen lassen. Bei der Verwendung von PET für Getränke treten geschmackliche Veränderungen auf - beispielsweise beim Mineralwasser oder bei der Milch. Dies weist darauf hin, dass chemische Verbindungen von der Verpackung in das Getränk übergehen. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn die Flaschen länger an der Sonne oder an der Wärme stehen oder wenn die Getränke kohlenstoffdioxidhaltig sind. Bei der Verunreinigung handelt es sich vor allem um den leicht fruchtig schmeckenden Stoff Acetaldehyd, der bei der Kunststoffproduktion verwendet wird (chem. Formel vgl. >Aldehyde) in geringen Mengen ist auch Terephthalsäure (vgl. >Phthalsäure) in den PET-Flaschen nachweisbar. Es ist bis heute nicht hinreichend bekannt, wie sich der giftige Acetaldehyd in regelmäßig verabreichten, geringen Mengen auf den menschlichen Körper langfristig auswirkt, auch wenn die nachweisbaren Mengen meist unter dem gesetzlichen Grenzwert liegen *) vgl. Anmerkung. In der Zwischenzeit haben einige der Hersteller reagiert und das Herstellungsverfahren so geändert, dass die geschmacklichen Beeinträchtigungen beim Mineralwasser nicht mehr auftreten. Bei hochwertigen Produkten wird auch ein Blocker beigefügt, der den Acetaldehyd chemisch bindet.

Biologisch abbaubare Polymere	Herkömmliche Kunststoffe
Die Rohstoffe wachsen in der Natur immer wieder nach, keine Rohstoffknappheit	Die Erdölreserven sind begrenzt und gehen absehbar zur Neige
Die notwendigen Anbauflächen stehen teilweise nicht zur Verfügung	Länder mit hoher Bevölkerungsdichte können auf fossile Rohstoffe zurückgreifen
Der Einsatzbereich ist auf spezielle Anwendungsgebiete beschränkt, z.B. Verpackungsmaterial	Viele Spezialanwendungen sind möglich, z.B. elektrisch leitfähige Polymere, Spezialkleidung, Sportgeräte, Autolacke
Die Kunststoffe können kompostiert werden und bauen sich in der Natur ab	Manche Kunststoffe verrotten nur schwer und erzeugen Müllberge, z.B. Polyethen
Sie sind nicht so gut wasser- und fettabweisend, dies wird erst durch die Kombination in Verbundwerkstoffen erreicht	Die Kunststoffe und Kunstfasern sind von hoher Qualität und Homogenität (Festigkeit, Wasserundurchlässigkeit, Beständigkeit)
Ein Bearbeiten und Verformen, z.B. durch Erwärmen ist nicht so gut möglich	Die Kunststoffe lassen sich z.B. durch Spritzgießen und Spritzpressen verarbeiten

Grundsätzlich besitzen biologisch abbaubare Polymere eine günstigere Ökobilanz und verwirklichen den Grundsatz eines geschlossenen Stoffkreislaufes.


Arbeitsblatt (Bild vergrößern)	Lösungen (Bild vergrößern)

*) Anmerkung: Bei regelmäßigem Alkoholkonsum wird Alkohol in der Leber zu Acetaldehyd umgebaut. Der so gebildete Acetaldehyd erzeugt Kopfschmerzen und schädigt die Leber. In einigen Fällen entwickelt der menschliche Körper Antikörper gegen den Fremdstoff, die dann wiederum den Körper selbst schädigen. Das entspricht dem Prinzip einer Autoimmunkrankheit, die in diesem Fall alkoholbedingt ist. Acetaldehyd ist auch im Zigarettenrauch enthalten und verursacht bei Rauchern eine erhöhte Wahrscheinlichkeit an Krebs im oberen Verdauungstrakt (Mund, Speiseröhre, etc.).

Copyright: T. Seilnacht

www.seilnacht.com