Die Menschheit verwendet seit Anbeginn der Geschichte natürliche Polymermaterialien wie Holz, Leder und Wolle, synthetische Polymere wurden jedoch erst nach der Entwicklung der Gummitechnologie im 19. Jahrhundert möglich.Das erste synthetische Polymermaterial, Zelluloid, wurde 1869 von John Wesley Hyatt aus Zellulosenitrat und Kampfer erfunden.Ein großer Durchbruch bei synthetischen Polymeren war die Erfindung von Bakelit durch Leo Hendrik Baekeland im Jahr 1907. Hermann Staudingers Arbeit in den 1920er Jahren zeigte deutlich die makromolekulare Natur langer Ketten sich wiederholender Einheiten.1 Das Wort „Polymer“ kommt aus dem Griechischen und bedeutet „viele“. Teile'.Das rasante Wachstum der Polymerindustrie begann kurz vor dem Zweiten Weltkrieg mit der Entwicklung von Acrylpolymeren, Polystyrol, Nylon, Polyurethanen und der anschließenden Einführung von Polyethylen, Polyethylenterephthalat, Polypropylen und anderen Polymeren in den 1940er und 1950er Jahren.Während im Jahr 1945 nur etwa 1 Million Tonnen produziert wurden, übertraf die Produktionsmenge von Kunststoffen im Jahr 1981 die von Stahl, und der Abstand ist seitdem kontinuierlich größer geworden.
Reine Polymere werden selten allein verarbeitet.Sie werden mit anderen Materialien vermischt, typischerweise durch mechanisches Mischen oder Mischen im Schmelzzustand, um Pellets, Pulver oder Pellets herzustellen, die in nachfolgenden Verarbeitungsvorgängen verwendet werden.2 Solche zusammengesetzten Produkte werden als „Kunststoffe“ bezeichnet, was auf Griechisch „biegsam“ bedeutet.Die Verbindungen können Füllstoffe (zur Kostensenkung), Verstärkungen, andere Polymere, Farbstoffe, Flammschutzmittel, Stabilisatoren (zur Verhinderung einer Verschlechterung durch Licht, Hitze oder andere Umwelteinflüsse) und verschiedene Verarbeitungshilfsmittel enthalten.
Synthetische Polymere können in zwei Kategorien eingeteilt werden.Thermoplaste (bei weitem das größte Volumen) können durch Erhitzen geschmolzen, durch Abkühlen verfestigt und wiederholt wieder geschmolzen werden.Haupttypen sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyethylenterephthalat (PET) und Polyamid (PA, Nylon).Durch die Anwendung von Wärme und Druck werden Duroplaste durch Vernetzung, also die Bildung dauerhafter dreidimensionaler Netzwerke, ausgehärtet.Sie können durch Erhitzen zur Wiederaufbereitung nicht erweicht werden.Bakelit, Epoxidharze und die meisten Polyurethane sind Duroplaste.
Die vorliegende Übersicht widmet sich ausschließlich der Verarbeitung von Thermoplasten.Kommerzielle Thermoplaste werden entsprechend ihrer Leistung in „Commodity“ (geringe Leistung, wie z. B. PE, PP, PS und PVC), „Engineering“ (wie PC, Nylon und PET) oder „fortgeschritten“ (höchste Leistung, wie z. B.) eingeteilt Flüssigkristallpolymere (LCPs), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyetheretherketon (PEEK)).Das erwartete explosionsartige Wachstum im Bereich Maschinenbau und moderne Polymere blieb aus.Die Verwendung von Kunststoffen hat in den letzten drei Jahrzehnten kontinuierlich zugenommen, vor allem jedoch in der Kategorie der Gebrauchsgüter.Derzeit machen Standardpolymere etwa 88 % des produzierten Volumens aus3, technische Kunststoffe etwa 12 % und fortgeschrittene weniger als 1 %.Obwohl die Preise für fortschrittliche Polymere pro Kilogramm viel höher sind als die für Standardpolymere, ist ihr globaler Wert für die Wirtschaft immer noch sehr gering.
Standardkunststoffe weisen im Vergleich zu Metallen oder Keramiken eine geringe Festigkeit und Steifigkeit auf und neigen dazu, unter einer aufgebrachten Kraft zu kriechen.Bei ihrer Verwendung als Feststoffe unterliegen sie auch Temperaturbeschränkungen (die meisten schmelzen im Bereich von 100–250 °C).Die Zugmodule von Standardkunststoffen betragen ~1 GPa (im Vergleich zu 210 GPa für Stahl).Durch die Ausrichtung der Polymerketten kann eine deutliche Verbesserung erreicht werden.Tatsächlich sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sehr stark, und einschichtige Polyethylene wurden mit Modulwerten hergestellt, die über denen von Stahl liegen.Durch spezielle Verarbeitungstechniken, beispielsweise Extrusion und anschließendes Ziehen bei niedrigen Temperaturen, kann eine hohe Orientierung erreicht werden.Bei niedrigen Temperaturen haben die Polymerketten eine eingeschränkte Beweglichkeit und die Orientierung bleibt nach dem Strecken erhalten.Jüngste Entdeckungen und Entwicklungen von Single-Site-Katalysatoren auf Metallocenbasis haben zu neuen Qualitäten von Standardpolymeren mit kontrollierter molekularer Architektur und verbesserten Eigenschaften geführt.
Die weltweite Produktion von Polymeren stieg3 von 27 Millionen Tonnen im Jahr 1975 auf etwa 200 Millionen Tonnen pro Jahr im Jahr 2000 und wächst immer noch.Laut einem aktuellen Bericht4 beliefen sich die Lieferungen von Kunststoffprodukten in den USA im Jahr 2000 auf 330 Milliarden US-Dollar, und die vorgelagerten Zulieferindustrien erzielten einen Umsatz von 90 Milliarden US-Dollar, was einer jährlichen Gesamtsumme von 420 Milliarden US-Dollar entspricht.Die Gesamtbeschäftigung wurde auf 2,4 Millionen geschätzt – etwa 2 % der US-Arbeitskräfte.Das Wachstum der Polymerindustrie ist das Ergebnis der einzigartigen Kombination von Eigenschaften von Kunststoffprodukten, zu denen einfache Formgebung und Herstellung, geringe Dichten, Korrosionsbeständigkeit, elektrische und thermische Isolierung sowie häufig eine günstige Steifigkeit und Zähigkeit pro Gewichtseinheit gehören.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.02.2018