Plastik

Kunststoffe sind eine breite Palette synthetischer oder halbsynthetischer Werkstoffe, die hauptsächlich aus Polymeren bestehen . Ihre charakteristische Eigenschaft, die Plastizität , ermöglicht es ihnen, in verschiedenste feste Formen gegossen , extrudiert oder gepresst zu werden . Diese Anpassungsfähigkeit, kombiniert mit einer Vielzahl weiterer Eigenschaften wie geringem Gewicht, Haltbarkeit, Flexibilität, chemischer Beständigkeit, geringer Toxizität und kostengünstiger Herstellung, hat zu ihrer weltweiten Verbreitung geführt. ^{[ 1 ]} Während die meisten Kunststoffe aus Erdgas und Erdöl hergestellt werden , wird ein wachsender Anteil aus nachwachsenden Rohstoffen wie Polymilchsäure (PLA) produziert . ^{[ 2 ]}

Zwischen 1950 und 2017 wurden schätzungsweise 9,2 Milliarden Tonnen Kunststoff hergestellt, wobei mehr als die Hälfte dieser Menge seit 2004 produziert wurde. Allein im Jahr 2023 sollen laut vorläufigen Zahlen weltweit über 400 Millionen Tonnen Kunststoff produziert worden sein. ^{[ 3 ]} Sollte sich der globale Trend der Kunststoffnachfrage fortsetzen, wird die jährliche weltweite Kunststoffproduktion bis 2060 voraussichtlich 1,3 Milliarden Tonnen übersteigen. ^{[ 3 ]} Zu den Hauptverwendungszwecken von Kunststoff zählen Verpackungen (ca. 40 % des Verbrauchs) und das Bauwesen (ca. 20 % des Verbrauchs). ^{[ 1 ]}

Der Erfolg und die Dominanz von Kunststoffen seit Beginn des 20. Jahrhunderts haben der Menschheit große Vorteile gebracht, von Medizinprodukten bis hin zu leichten Baumaterialien. Die Abwassersysteme vieler Länder sind auf die Widerstandsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit von Polyvinylchlorid (PVC) angewiesen . Gleichzeitig sind Kunststoffe aufgrund ihrer langsamen Zersetzung in natürlichen Ökosystemen die Grundlage weit verbreiteter Umweltbedenken ^{[ 4 ]} . Der Großteil des produzierten Kunststoffs wird nicht wiederverwendet, weshalb die Beseitigung von Mikroplastik notwendig ist . Einige Kunststoffe sind für die Wiederverwendung ungeeignet. Ein Großteil landet auf Mülldeponien oder verschmutzt die Umwelt . Besondere Besorgnis gilt Mikroplastik . Die Verschmutzung der Meere durch Plastikmüll führt beispielsweise zur Bildung von Müllstrudeln . Von dem bisher entsorgten Kunststoff wurden etwa 14 % verbrannt und weniger als 10 % recycelt ^{[ 5 ] .}

In Industrieländern wird etwa ein Drittel des Kunststoffs für Verpackungen verwendet, und annähernd die gleiche Menge findet im Bauwesen Verwendung, beispielsweise für Rohrleitungen , Sanitärinstallationen oder Vinylverkleidungen . ^{[ 6 ]} Weitere Anwendungsbereiche sind Automobile (bis zu 20 % Kunststoff ^{[ 6 ]} ), Möbel und Spielzeug. ^{[ 6 ]} In Entwicklungsländern können die Anwendungsbereiche von Kunststoff abweichen; in Indien werden 42 % des Kunststoffverbrauchs für Verpackungen verwendet. ^{[ 6 ]} Weltweit werden jährlich etwa 50 kg Kunststoff pro Person produziert, wobei sich die Produktion alle zehn Jahre verdoppelt.

Der weltweit erste vollsynthetische Kunststoff war Bakelit , erfunden 1907 in New York von Leo Baekeland ^{[ 7 ]} , der auch den Begriff „Kunststoffe“ prägte . ^{[ 8 ]} Heute werden Dutzende verschiedener Kunststoffarten hergestellt, darunter Polyethylen , das häufig für Produktverpackungen verwendet wird , und Polyvinylchlorid (PVC), das aufgrund seiner Festigkeit und Haltbarkeit im Bauwesen und für Rohre eingesetzt wird. Viele Chemiker haben zur Materialwissenschaft der Kunststoffe beigetragen, darunter Nobelpreisträger Hermann Staudinger , der als „Vater der Polymerchemie “ gilt , und Herman Mark , bekannt als „Vater der Polymerphysik “. ^{[ 9 ]}

Das Wort „Kunststoff“ stammt vom altgriechischen πλαστικός ( plastikos ) ab, was „formbar“ bedeutet und wiederum von πλαστός ( plastos ) abgeleitet ist, was „geformt“ oder „geformt“ heißt. ^{[ 10 ]} Im modernen Sprachgebrauch bezeichnet der Begriff „Kunststoff“ meist feste, synthetische Produkte petrochemisch hergestellter Rohstoffe. ^{[ 11 ]}

Der Begriff Plastizität bezeichnet als Substantiv die Verformbarkeit von Materialien, die bei der Kunststoffherstellung verwendet werden. Plastizität ermöglicht das Formen, Extrudieren oder Komprimieren in verschiedenste Formen, darunter Folien, Fasern, Platten, Rohre, Flaschen und Behälter. In der Materialwissenschaft hat Plastizität auch eine technischere Definition, die die irreversible Formänderung fester Stoffe unter Einwirkung äußerer Kräfte beschreibt. Diese Definition geht jedoch über den Rahmen dieses Artikels hinaus.

Die meisten Kunststoffe enthalten organische Polymere. ^{[ 12 ]} Die überwiegende Mehrheit dieser Polymere besteht aus Ketten von Kohlenstoffatomen, gegebenenfalls mit zusätzlichen Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatomen. Diese Ketten setzen sich aus vielen sich wiederholenden Einheiten zusammen , die wiederum aus Monomeren gebildet werden . Jede Polymerkette besteht aus mehreren Tausend solcher Einheiten. Das Rückgrat bildet den Hauptstrang der Kette und verbindet eine große Anzahl dieser Einheiten miteinander. Um die Eigenschaften eines Kunststoffs gezielt zu beeinflussen, hängen verschiedene Molekülgruppen, sogenannte Seitenketten , an dieses Rückgrat. Sie werden üblicherweise an die Monomere gebunden, bevor diese selbst zur Polymerkette verknüpft werden. Die Struktur dieser Seitenketten beeinflusst die Eigenschaften des Polymers.

Kunststoffe werden üblicherweise anhand ihrer chemischen Struktur, bestehend aus Polymerhauptkette und Seitenketten, klassifiziert. Wichtige Gruppen dieser Art sind Acrylaten , Polyester , Silikone , Polyurethane und halogenierte Kunststoffe . Kunststoffe lassen sich auch nach dem chemischen Syntheseverfahren, wie Kondensation , Polyaddition und Vernetzung , klassifizieren . ^{[ 13 ]} Weitere Klassifizierungskriterien sind ihre physikalischen Eigenschaften wie Härte , Dichte , Zugfestigkeit , Wärmebeständigkeit und Glasübergangstemperatur . Zusätzlich können Kunststoffe nach ihrer Beständigkeit und ihren Reaktionen gegenüber verschiedenen Substanzen und Prozessen, wie organischen Lösungsmitteln, Oxidation und ionisierender Strahlung , klassifiziert werden . ^{[ 14 ]} Andere Klassifizierungen basieren auf Eigenschaften, die für die Herstellung oder das Produktdesign für einen bestimmten Zweck relevant sind. Beispiele hierfür sind Thermoplaste , Duroplaste , leitfähige Polymere , biologisch abbaubare Kunststoffe , technische Kunststoffe und Elastomere .

Eine wichtige Klassifizierung von Kunststoffen ist der Grad, in dem die zu ihrer Herstellung verwendeten chemischen Prozesse reversibel sind oder nicht.

Thermoplaste verändern ihre chemische Zusammensetzung beim Erhitzen nicht und können daher wiederholt geformt werden. Beispiele hierfür sind Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC). ^{[ 15 ]}

Duroplaste, auch Duroplaste genannt, können nur einmal schmelzen und ihre Form annehmen: Nach dem Erstarren bleiben sie fest und formstabil. ^{[ 16 ]} Beim erneuten Erhitzen zersetzen sie sich, anstatt zu schmelzen. Beispiele für Duroplaste sind Epoxidharz, Polyimid und Bakelit. Die Vulkanisation von Kautschuk ist ein Beispiel für diesen Prozess. Vor der Erhitzung in Gegenwart von Schwefel ist Naturkautschuk ( Polyisopren ) ein klebriges, leicht flüssiges Material; nach der Vulkanisation ist das Produkt trocken und fest.

Duroplaste bestehen aus eng vernetzten Polymeren. Die Vernetzungen sind in der Abbildung als rote Punkte dargestellt.

Elastomere bestehen aus weitmaschigen, vernetzten Polymeren. Die weitmaschige Vernetzung ermöglicht es dem Material, sich unter Zugbelastung zu dehnen.

Thermoplaste bestehen aus unvernetzten Polymeren, oft mit einer teilkristallinen Struktur (rot dargestellt). Sie haben eine Glasübergangstemperatur und sind schmelzbar.

Standardkunststoffe oder Standardpolymere sind Kunststoffe, die in großen Mengen für Anwendungen wie Verpackungen, Lebensmittelbehälter und Haushaltsprodukte hergestellt werden, darunter sowohl Einwegprodukte als auch langlebige Gebrauchsgegenstände . Im Gegensatz zu technischen Kunststoffen sind Standardkunststoffe in der Regel kostengünstig in der Herstellung und weisen vergleichsweise schwache mechanische Eigenschaften auf. Zu den weit verbreiteten Standardkunststoffen gehören Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polyethylenterephthalat (PET). Produkte aus Standardkunststoffen sind beispielsweise Einwegteller , Einwegbecher , Foto- und Magnetbänder, Kleidung, Mehrwegtaschen, medizinische Tabletts und Anzuchtschalen. ^{[ 17 ]}

Etwa 80 % der weltweiten Kunststoffproduktion entfallen auf Standardkunststoffe, die vor allem aufgrund ihrer geringen Kosten und einfachen Verarbeitung gewählt werden. Diese Kunststoffe werden in Massenproduktion hergestellt und sind in Verpackungen, Lebensmittelbehältern und Einwegartikeln allgegenwärtig. Die meisten Standardkunststoffe sind anhand ihrer Harzidentifikationscodes (RICs) identifizierbar, einem von ASTM International entwickelten standardisierten Nummerierungssystem .

Polyethylenterephthalat (PET oder PETE)

Polyethylen hoher Dichte (HDPE oder PE-HD)

Polyvinylchlorid (PVC oder V)

Polyethylen niedriger Dichte (LDPE oder PE-LD),

Polypropylen (PP)

Polystyrol (PS)

Neben den sechs oben genannten, bekanntesten Kunststoffen gibt es weitere, in großen Mengen produzierte und weit verbreitete Standardkunststoffe wie Polyurethane (PUR). PUR zählen aufgrund ihrer geringen Kosten, einfachen Herstellung und Vielseitigkeit ebenfalls zu den Standardkunststoffen. Allerdings weisen sie keine RIC-Werte auf, da sie eine Vielzahl chemisch unterschiedlicher Formulierungen wie Schäume und Klebstoffe umfassen.

Verpackungen stellen den größten Anwendungsbereich für Standardkunststoffe dar und verbrauchten allein im Jahr 2015 146 Millionen Tonnen (36 % der weltweiten Produktion). Neben Verpackungen sind diese Kunststoffe jedoch in verschiedenen anderen Bereichen wie Landwirtschaft, Bauwesen, Konsumgüter und Gesundheitswesen unverzichtbar.

Obwohl viele Eigenschaften wie Langlebigkeit und Beständigkeit gegen biologischen Abbau in verschiedenen Anwendungsbereichen wünschenswert sind, haben sie zu erheblichen Umweltproblemen geführt. Schätzungsweise 8 bis 12 Millionen Tonnen Plastik gelangen jährlich in die Ozeane, hauptsächlich durch unsachgemäß entsorgte Verpackungsabfälle. Standardkunststoffe machen den Großteil dieser Verschmutzung aus, da ihre Recyclingquoten weiterhin niedrig sind (z. B. werden weltweit nur etwa 9 % aller Kunststoffe recycelt). Mikroplastik, das bei deren Abbau entsteht, bedroht zusätzlich Ökosysteme und die menschliche Gesundheit.

Die verbleibenden rund 20 % der Kunststoffe sind technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe, die aufgrund ihrer Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und anderer herausragender Eigenschaften geschätzt werden. Diese Kunststoffe sind teurer, weniger verbreitet und werden häufig in spezialisierten Anwendungen eingesetzt.

Technische Kunststoffe sind robuster und werden zur Herstellung von Produkten wie Fahrzeugteilen, Bau- und Konstruktionsmaterialien sowie einigen Maschinenteilen verwendet. In manchen Fällen handelt es sich um Polymermischungen . ^{[ 1 ]} Technische Kunststoffe können Metalle in Fahrzeugen ersetzen, wodurch deren Gewicht reduziert und die Kraftstoffeffizienz um 6–8 % verbessert wird. Rund 50 % des Volumens moderner Autos bestehen aus Kunststoff, was jedoch nur 12–17 % des Fahrzeuggewichts ausmacht. ^{[ 21 ]}

• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): Gehäuse für elektronische Geräte (z. B. Computermonitore, Drucker, Tastaturen) und Abflussrohre
• Schlagfestes Polystyrol (HIPS): Kühlschrankauskleidungen, Lebensmittelverpackungen und Becher für Verkaufsautomaten
• Polycarbonat (PC): CDs, Brillen, Schutzschilde , Sicherheitsfenster, Ampeln und Linsen
• Polycarbonat + Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC + ABS): eine Mischung aus PC und ABS, die einen festeren Kunststoff ergibt, der für Innen- und Außenteile von Autos sowie für Gehäuse von Mobiltelefonen verwendet wird.
• Polyethylen + Acrylnitril-Butadien-Styrol (PE + ABS): eine gleitfähige Mischung aus PE und ABS, die in Trockenlagern mit geringer Beanspruchung verwendet wird
• Polymethylmethacrylat (PMMA) ( Acrylglas ): Kontaktlinsen (der ursprünglichen „harten“ Variante), Verglasungen (weltweit bekannt unter verschiedenen Handelsnamen wie Perspex , Plexiglas und Oroglas), Diffusoren für Leuchtstoffröhren und Rücklichtabdeckungen für Fahrzeuge. In Wasser suspendiert und mit weiteren Hilfsstoffen hergestellt, bildet es außerdem die Grundlage für künstlerische und kommerzielle Acrylfarben .
• Silikone (Polysiloxane): hitzebeständige Harze, die hauptsächlich als Dichtungsmittel, aber auch für Hochtemperatur-Kochgeschirr und als Basisharz für Industrielacke verwendet werden.
• Harnstoff-Formaldehyd (UF): einer der Aminoplastike, die als mehrfarbige Alternative zu Phenolharzen verwendet werden: wird als Holzleim (für Sperrholz, Spanplatten, Hartfaserplatten) und für Gehäuse elektrischer Schalter eingesetzt.

Hochleistungskunststoffe sind eine Kategorie von Polymeren, die im Vergleich zu Standard- und technischen Kunststoffen überlegene Eigenschaften aufweisen. Diese Kunststoffe sind temperaturbeständig, oft über 150 °C (302 °F), weisen eine hohe Beständigkeit gegen chemische Korrosion und Zersetzung auf, besitzen ausgezeichnete mechanische und elektrische Eigenschaften und sind leicht und vielseitig einsetzbar. ^{[ 1 ]}

• Aramide : Diese Klasse hitzebeständiger und starker synthetischer Fasern ist vor allem für ihre Verwendung bei der Herstellung von Körperschutzwesten bekannt, findet aber auch Anwendung in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich und umfasst Kevlar , Nomex und Twaron .
• Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE)
• Polyetheretherketon (PEEK): ein starker, chemikalien- und hitzebeständiger thermoplastischer Kunststoff; seine Biokompatibilität ermöglicht den Einsatz in medizinischen Implantaten und Formteilen für die Luft- und Raumfahrt. Es zählt zu den teuersten kommerziellen Polymeren.
• Polyetherimid (PEI): ein hochtemperaturbeständiges, chemisch stabiles Polymer, das nicht kristallisiert
• Polyimid : ein hochtemperaturbeständiger Kunststoff, der in Materialien wie Kapton- Klebeband verwendet wird.
• Polysulfon (PS): Hochtemperatur-schmelzverarbeitbares Harz, das in Membranen, Filtermedien, Tauchrohren für Wassererhitzer und anderen Hochtemperaturanwendungen eingesetzt wird.
• Polytetrafluorethylen (PTFE): hitzebeständige, reibungsarme Beschichtungen, die in Antihaftbeschichtungen für Bratpfannen, Dichtungsband und Wasserrutschen verwendet werden.
• Polyamidimid (PAI): Hochleistungskunststoff, der in großem Umfang für Hochleistungszahnräder, Schalter, Getriebe und andere Automobilkomponenten sowie für Teile der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt wird ^{[ 22 ].}
• Polyphenylensulfid (PPS): extreme chemische Beständigkeit, Flammschutz und thermische Stabilität (bis zu 428°F).
• Polyethersulfon (PES): bekannt für seine Transparenz, hohe Temperaturbeständigkeit (bis 200 °C) und Biokompatibilität. Häufig verwendet in Medizinprodukten, lebensmittelkonformen Geräten und Beleuchtungssystemen für die Luft- und Raumfahrt.
• Polyvinylidenfluorid (PVDF): ein reaktionsträges thermoplastisches Fluorpolymer, das für seine extreme Chemikalienbeständigkeit , UV-Stabilität und piezoelektrischen Eigenschaften bekannt ist. Es wird häufig für Halbleiterrohre, Bindemittel in Lithium-Ionen-Batterien und architektonische Beschichtungen verwendet.
• Flüssigkristallpolymere (LCPs): Eine Polymerklasse, die die Eigenschaften von Flüssigkeiten und Kristallen vereint und sich durch extreme Dimensionsstabilität, geringe Wärmeausdehnung und hohe Durchschlagsfestigkeit auszeichnet. Sie werden häufig in miniaturisierter Elektronik, Glasfaserkabeln und chirurgischen Instrumenten eingesetzt.
• Polyimide (PI): Eine Klasse von Hochleistungs-Duroplasten, die bis zu 300 °C (572 °F) einsetzbar sind und sich durch hervorragende dielektrische Eigenschaften und Strahlungsbeständigkeit auszeichnen. Sie werden häufig in flexiblen Leiterplatten, Raumanzugschichten und Triebwerkskomponenten verwendet.
• Polybenzimidazol (PBI): extrem hohe Hitzebeständigkeit (kurzzeitig bis 752 °F), geringe Ausgasung und Flammwidrigkeit. Häufig verwendet in Feuerwehrausrüstung , Halbleiterwerkzeugen und Hitzeschilden für die Luft- und Raumfahrt .
• Bismaleimid (BMI): bekannt für seine hohe Glasübergangstemperatur (ca. 250 °C) und geringe Feuchtigkeitsaufnahme. Wird häufig in Verbundwerkstoffen für Flugzeuge und in militärischen Radarsystemen eingesetzt.
• Cyanatester : bekannt für ihre geringen dielektrischen Verluste und ihre hohe Strahlungsbeständigkeit im Weltraumbereich. Häufig verwendet in Satellitenkomponenten und Radarantennen.

Viele Kunststoffe sind amorph , d. h., sie besitzen keine hochgeordnete Molekularstruktur. ^{[ 23 ]} Kristalline Kunststoffe weisen eine regelmäßige Anordnung der Atome auf, wie beispielsweise Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polybutylenterephthalat (PBT) und Polyetheretherketon (PEEK). Einige Kunststoffe sind jedoch teils amorph und teils kristallin in ihrer Molekularstruktur, wodurch sie sowohl einen Schmelzpunkt als auch einen oder mehrere Glasübergänge (die Temperatur, oberhalb derer die lokale molekulare Flexibilität deutlich zunimmt) aufweisen. Zu diesen sogenannten teilkristallinen Kunststoffen gehören Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polyamide (Nylon), Polyester und einige Polyurethane.

Leitfähige Polymere umfassen bestimmte Polyacetylene , die großes wissenschaftliches Interesse geweckt haben. ^{[ 24 ]} Mit solchen Materialien wurden Leitfähigkeiten von bis zu 80 Kilosiemens pro Zentimeter (kS/cm) erreicht, obwohl dieser Wert nicht mit dem von Kupfer (60 MS/cm) vergleichbar ist. ^{[ 25 ]} Ein praktischer leitfähiger Kunststoff ist Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Polystyrolsulfonat . ^{[ 1 ]}

Biologisch abbaubare Kunststoffe sind Kunststoffe, die so konzipiert sind, dass sie sich nach Gebrauch zersetzen. Die bekanntesten dieser Materialien sind Polymilchsäuren (PLA), die zusätzlich dadurch attraktiv sind, dass sie aus nicht-petrochemischen, nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. PLA haben jedoch bisher nur begrenzten kommerziellen Erfolg erzielt. ^{[ 1 ]} Sie zersetzen sich unter Einwirkung biologischer Faktoren wie Sonnenlicht, ultravioletter Strahlung , Feuchtigkeit, Bakterien, Insekten, Enzymen oder Windabrieb.

Während die meisten Kunststoffe aus Petrochemikalien hergestellt werden, bestehen Biokunststoffe größtenteils aus nachwachsenden Rohstoffen wie Zellulose und Stärke. ^{[ 26 ]} Aufgrund der begrenzten fossilen Brennstoffreserven und des Anstiegs der Treibhausgasemissionen, der hauptsächlich durch die Verbrennung dieser Brennstoffe verursacht wird, gewinnt die Entwicklung von Biokunststoffen zunehmend an Bedeutung. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Die weltweite Produktionskapazität für biobasierte Kunststoffe wird auf 327.000 Tonnen pro Jahr geschätzt. Im Vergleich dazu wurde die weltweite Produktion von Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), den weltweit führenden petrochemisch hergestellten Polyolefinen, im Jahr 2015 auf über 150 Millionen Tonnen geschätzt. ^{[ 29 ]}

Die Kunststoffindustrie umfasst die weltweite Produktion, Compoundierung , Verarbeitung und den Vertrieb von Kunststoffprodukten. Obwohl der Nahe Osten und Russland den Großteil der benötigten petrochemischen Rohstoffe liefern, konzentriert sich die Kunststoffproduktion auf den globalen Osten und Westen. Die Kunststoffindustrie besteht aus einer Vielzahl von Unternehmen und lässt sich in verschiedene Sektoren unterteilen:

Zwischen 1950 und 2017 wurden schätzungsweise 9,2 Milliarden Tonnen Kunststoff hergestellt, mehr als die Hälfte davon seit 2004. Seit den Anfängen der Kunststoffindustrie in den 1950er-Jahren ist die weltweite Produktion enorm gestiegen und erreichte 2021 400 Millionen Tonnen pro Jahr; dies ist ein deutlicher Anstieg gegenüber 381 Millionen Tonnen im Jahr 2015 (ohne Additive). ^{[ 5 ] [ 18 ]} Ab den 1950er-Jahren kam es zu einem rasanten Anstieg des Kunststoffverbrauchs für Verpackungen, im Bauwesen und in anderen Sektoren. ^{[ 5 ]} Sollte sich der globale Trend der Kunststoffnachfrage fortsetzen, wird die jährliche weltweite Kunststoffproduktion bis 2050 voraussichtlich 1,1 Milliarden Tonnen übersteigen. ^{[ 5 ]}

• Polypropylenanlagen
• 
  Eine Slovnaft- Anlage in Bratislava , Slowakei
• 
  Ein Polypropylenwerk von SOCAR Polymer in Sumgayit , Aserbaidschan

Kunststoffe werden in Chemieanlagen durch Polymerisation ihrer Ausgangsmaterialien ( Monomere ) hergestellt, die fast immer petrochemischer Natur sind. Diese Anlagen sind in der Regel groß und ähneln optisch Ölraffinerien mit ihren weitläufigen Rohrleitungen. Dank ihrer Größe können sie Skaleneffekte nutzen . Trotzdem ist die Kunststoffproduktion nicht besonders monopolisiert; etwa 100 Unternehmen decken 90 % der weltweiten Produktion ab. ^{[ 30 ]} Darunter befinden sich sowohl private als auch staatliche Betriebe. Rund die Hälfte der gesamten Produktion findet in Ostasien statt, wobei China der größte Einzelproduzent ist. Zu den wichtigsten internationalen Herstellern gehören:

• BASF
• Braskem
• Dow Chemical
• ExxonMobil
• Indorama Ventures
• LyondellBasell
• SABIC
• Shin-Etsu Chemical
• Sibur
• Sinopec

Historisch gesehen dominierten Europa und Nordamerika die weltweite Kunststoffproduktion. Seit 2010 hat sich Asien jedoch zu einem bedeutenden Produzenten entwickelt, wobei China im Jahr 2020 31 % der gesamten Kunststoffgranulatproduktion ausmachte. ^{[ 31 ]} Regionale Unterschiede im Produktionsvolumen von Kunststoffen werden durch die Verbrauchernachfrage, die Preise fossiler Rohstoffe und Investitionen in die petrochemische Industrie bestimmt. So wurden beispielsweise seit 2010 in den Vereinigten Staaten über 200 Milliarden US-Dollar in neue Kunststoff- und Chemieanlagen investiert, begünstigt durch die niedrigen Rohstoffkosten. Auch in der Europäischen Union (EU) wurden hohe Investitionen in die Kunststoffindustrie getätigt, die über 1,6 Millionen Menschen beschäftigt und einen Jahresumsatz von mehr als 360 Milliarden Euro erwirtschaftet. In China gab es 2016 über 15.000 Kunststoffhersteller mit einem Umsatz von über 366 Milliarden US-Dollar. ^{[ 5 ]}

Im Jahr 2017 wurde der globale Kunststoffmarkt von Thermoplasten dominiert – Polymeren, die geschmolzen und wiederverarbeitet werden können. Zu den Thermoplasten gehören Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS) und synthetische Fasern, die zusammen 86 % aller Kunststoffe ausmachen. ^{[ 5 ]}

Kunststoff wird nicht als reiner, unverfälschter Stoff verkauft, sondern mit verschiedenen Chemikalien und anderen Materialien vermischt. Zu diesen Zusatzstoffen gehören beispielsweise Stabilisatoren , Weichmacher und Farbstoffe , die die Lebensdauer, Verarbeitbarkeit oder das Aussehen des Endprodukts verbessern sollen. In manchen Fällen werden zwei Polymerarten zu einer Polymermischung kombiniert , wie beispielsweise schlagfestes Polystyrol . Große Unternehmen führen die Compoundierung vor der Produktion mitunter selbst durch, während andere Hersteller diese Aufgabe an Dritte vergeben. Unternehmen, die sich auf diese Arbeit spezialisiert haben, werden als Compoundierer bezeichnet.

Die Compoundierung von Duroplasten ist relativ einfach, da diese bis zur Aushärtung flüssig bleiben . Bei Duroplasten, die für die Herstellung der meisten Produkte verwendet werden, ist es jedoch notwendig, den Kunststoff zu schmelzen, um die Additive einzumischen. Dies erfordert das Erhitzen auf 150–320 °C. Geschmolzener Kunststoff ist viskos und fließt laminar , was zu einer unzureichenden Durchmischung führt. Die Compoundierung erfolgt daher mittels Extrusionsanlagen, die die notwendige Wärme und Durchmischung gewährleisten, um ein gut dispergiertes Produkt zu erhalten.

Die Konzentrationen der meisten Additive sind üblicherweise recht niedrig. Für die Herstellung von Masterbatch- Produkten können jedoch hohe Konzentrationen hinzugefügt werden . Die Additive sind in diesen Produkten zwar konzentriert, aber dennoch gut im Trägerharz dispergiert. Masterbatch-Granulat kann mit günstigerem Bulk-Polymer vermischt werden und gibt seine Additive während der Verarbeitung ab, wodurch ein homogenes Endprodukt entsteht. Dies kann kostengünstiger sein als die Verarbeitung eines fertig compoundierten Materials und wird insbesondere zur Einbringung von Farbe häufig angewendet.

Kurzes Video zum Thema Spritzgießen (9 Min. 37 Sek.)

Blasformen einer Plastikgetränkeflasche

Verarbeiter (manchmal auch als Prozessoren bezeichnet) sind Unternehmen oder Spezialisten, die aus Rohstoffen, oft in Form von Harzen, Granulat oder Folien, fertige Kunststoffprodukte herstellen.

• Spritzgießen : Dabei wird geschmolzener Kunststoff unter hohem Druck in einen Formhohlraum eingespritzt. Der Kunststoff erstarrt in der Form und nimmt die gewünschte Gestalt an.
• Blasformen : Dabei wird ein Kunststoffrohr, der sogenannte Vorformling, erhitzt und in einer Form aufgeblasen, um hohle Produkte wie Flaschen und Spielzeug herzustellen.
• Rotationsformen : Dabei wird eine Form unter Hitzeeinwirkung um zwei Achsen gedreht. Kunststoffpulver wird in die Form gegeben, schmilzt und haftet beim Drehen der Form an den Wänden. So entstehen dickwandige Hohlkörper wie beispielsweise IBCs ( Intermediate Bulk Container) .
• Gießen : Dabei wird flüssiges Harz in eine Form gegossen, wo es zu einer vorgegebenen Form erstarrt.
• Folienblasen : Dabei wird ein Polymer erhitzt und zu einer dünnen, durchgehenden Folie aufgeblasen. Häufig verwendet zur Herstellung von Polyethylen- und Polypropylenfolien für Verpackungen.
• Spinnen : Dabei wird eine Polymerschmelze oder -lösung in kontinuierliche Stränge umgewandelt.
• 3D-Druck : Hierbei wird ein Objekt mithilfe von computergestützter Designsoftware Schicht für Schicht dreidimensional gedruckt, basierend auf einem digitalen Modell .

Bei Duroplasten ist das Verfahren etwas anders, da die Kunststoffe anfangs flüssig sind und erst aushärten müssen , um feste Produkte zu erhalten. Die meisten Geräte sind jedoch im Wesentlichen ähnlich.

Zu den am häufigsten hergestellten Kunststoff-Konsumgütern zählen Verpackungen aus LDPE (z. B. Beutel, Behälter, Lebensmittelverpackungsfolien), Behälter aus HDPE (z. B. Milchflaschen, Shampooflaschen, Eiscremebecher) und PET (z. B. Flaschen für Wasser und andere Getränke). Zusammen machen diese Produkte rund 36 % des weltweiten Kunststoffverbrauchs aus. Die meisten davon (z. B. Einwegbecher, -teller, -besteck, Take-away-Behälter, Tragetaschen) werden nur kurzzeitig, oft weniger als einen Tag, verwendet. Auch der Einsatz von Kunststoffen im Bauwesen, in der Textilindustrie, im Transportwesen und bei Elektrogeräten trägt wesentlich zum Kunststoffmarkt bei. Kunststoffprodukte für diese Zwecke haben in der Regel eine längere Lebensdauer. Ihre Nutzungsdauer kann von etwa fünf Jahren (z. B. Textilien und Elektrogeräte) bis zu über 20 Jahren (z. B. Baumaterialien, Industriemaschinen) reichen. ^{[ 5 ]}

Der Plastikverbrauch variiert zwischen Ländern und Gemeinschaften, wobei Plastik in irgendeiner Form in den Alltag der meisten Menschen Einzug gehalten hat. Nordamerika (d. h. die NAFTA-Region) ist für 21 % des weltweiten Plastikverbrauchs verantwortlich, dicht gefolgt von China (20 %) und Westeuropa (18 %). In Nordamerika und Europa ist der Pro-Kopf-Verbrauch von Plastik hoch (94 kg bzw. 85 kg/Kopf/Jahr). In China ist der Pro-Kopf-Verbrauch niedriger (58 kg/Kopf/Jahr), der Verbrauch insgesamt jedoch aufgrund der großen Bevölkerung hoch. ^{[ 5 ]}

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  Wasserflaschen aus PET
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  Polyethylen hoher Dichte ( HDPE ) wird zur Herstellung robuster Behälter verwendet; transparente Behälter können aus PET hergestellt werden.
• 
  Einweganzüge können aus Vliesstoff aus HDPE hergestellt werden.
• 
  Versandtaschen aus Kunststoff, hergestellt aus HDPE
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  Ein Ziploc- Beutel aus LDPE
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  Lebensmittelverpackung aus LDPE
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  Metallisierte Polypropylenfolie ist ein häufig verwendetes Verpackungsmaterial für Snacks. ^{[ 32 ]}
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  Die Schale des Kinder Joy besteht aus Polypropylen.
• 
  Ein Polypropylen-Stuhl
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  Hocker aus HDPE
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  Expandierter Polystyrolschaum ("Thermocol")
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  Extrudierter Polystyrolschaum („Styropor“)
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  Styropor-Essensbehälter
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  Eierkarton aus PET
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  Ein Stück Verpackungsschaumstoff aus LDPE
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  Ein Küchenschwamm aus Polyurethanschaum
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  Antihaft- Kochgeschirr mit Teflonbeschichtung
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  Das iPhone 5c ist ein Smartphone mit einem Polycarbonat -Unibody-Gehäuse.
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  Um dem extremen Wasserdruck standzuhalten , verfügt dieses 10 Meter tiefe Monterey Bay Aquarium über Fenster aus bis zu 33 cm dickem Acrylglas .
• 
  PVC- Rohre
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  PVC-Blisterverpackung

Die größte Anwendung von Kunststoffen liegt in der Verwendung als Verpackungsmaterial, sie werden aber auch in vielen anderen Branchen eingesetzt, darunter: Bauwesen (Rohre, Dachrinnen, Türen und Fenster), Textilien ( Stretchstoffe , Fleece ), Konsumgüter (Spielzeug, Geschirr, Zahnbürsten), Transportwesen (Scheinwerfer, Stoßfänger, Karosserieteile , Außenspiegel ), Elektronik (Telefone, Computer, Fernseher) und als Maschinenteile. ^{[ 18 ]} In der Optik werden Kunststoffe zur Herstellung asphärischer Linsen verwendet. ^{[ 33 ]}

Additive sind Chemikalien, die Kunststoffen beigemischt werden, um deren Eigenschaften oder Aussehen zu verbessern. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Additive sind daher einer der Gründe für die weite Verbreitung von Kunststoffen. ^{[ 36 ]} Kunststoffe bestehen aus Polymerketten. Viele verschiedene Chemikalien werden als Kunststoffadditive verwendet. Ein zufällig ausgewähltes Kunststoffprodukt enthält in der Regel etwa 20 Additive. Die Art und Konzentration der Additive werden üblicherweise nicht auf den Produkten angegeben. ^{[ 5 ]}

In der EU werden über 400 Additive in großen Mengen eingesetzt. ^{[ 37 ] [ 5 ]} Eine globale Marktanalyse ergab 5.500 Additive. ^{[ 38 ]} Alle Kunststoffe enthalten mindestens Polymerstabilisatoren , die eine Schmelzverarbeitung (Formgebung) ohne Polymerabbau ermöglichen . Additive in Polyvinylchlorid (PVC), das häufig für Sanitärinstallationen verwendet wird, können bis zu 80 % des Gesamtvolumens ausmachen. ^{[ 5 ]} Reines Kunststoffharz (unverfälschtes Harz) wird selten verkauft.

Additive können schwach an Polymere gebunden sein oder in der Polymermatrix reagieren. Obwohl Additive in Kunststoffe eingemischt werden, bleiben sie chemisch von diesen getrennt und können bei normalem Gebrauch, auf Deponien oder nach unsachgemäßer Entsorgung in die Umwelt allmählich wieder freigesetzt werden . ^{[ 39 ]} Additive können sich auch zersetzen und andere Verbindungen bilden, die harmloser oder giftiger sein können. Die Fragmentierung von Kunststoffen in Mikro- und Nanoplastik kann dazu führen, dass sich chemische Additive in der Umwelt weit vom Verwendungsort entfernen. Nach ihrer Freisetzung können einige Additive und Derivate in der Umwelt verbleiben und sich in Organismen anreichern. Sie können negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Lebewesen haben. Eine kürzlich von der US-Umweltschutzbehörde (US EPA) durchgeführte Überprüfung ergab, dass von 3.377 potenziell mit Kunststoffverpackungen in Verbindung stehenden Chemikalien und 906 wahrscheinlich damit in Verbindung stehenden Chemikalien 68 von der ECHA als „höchste Gefährdung der menschlichen Gesundheit“ und 68 als „höchste Gefährdung der Umwelt“ eingestuft wurden. ^{[ 5 ]}

Da Additive die Eigenschaften von Kunststoffen verändern, müssen sie beim Recycling berücksichtigt werden. Derzeit erfolgt das Recycling fast ausschließlich durch einfaches Einschmelzen und Verarbeiten von gebrauchtem Kunststoff zu neuen Produkten. Additive stellen aufgrund ihrer schwierigen Entfernbarkeit Risiken für recycelte Produkte dar. Beim Recycling von Kunststoffprodukten ist es sehr wahrscheinlich, dass die Additive in die neuen Produkte integriert werden. Kunststoffabfälle, selbst wenn sie alle aus demselben Polymertyp bestehen, enthalten unterschiedliche Arten und Mengen an Additiven. Das Mischen dieser Additive kann zu einem Material mit inkonsistenten Eigenschaften führen, was für die Industrie unattraktiv sein kann. Beispielsweise kann das Mischen verschiedenfarbiger Kunststoffe mit unterschiedlichen Farbstoffen ein verfärbtes oder braunes Material ergeben. Aus diesem Grund wird Kunststoff vor dem Recycling üblicherweise sowohl nach Polymertyp als auch nach Farbe sortiert. ^{[ 5 ]}

Mangelnde Transparenz und unzureichende Berichterstattung entlang der Wertschöpfungskette führen häufig zu Wissenslücken hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung der Endprodukte. So wurden beispielsweise bromierte Flammschutzmittel in neue Kunststoffprodukte eingearbeitet. Flammschutzmittel sind eine Gruppe von Chemikalien, die in Elektronik- und Elektrogeräten, Textilien, Möbeln und Baumaterialien verwendet werden und nicht in Lebensmittelverpackungen oder Babypflegeprodukten enthalten sein sollten. Eine aktuelle Studie wies bromierte Dioxine als unbeabsichtigte Verunreinigungen in Spielzeug nach, das aus recyceltem Elektronikschrott hergestellt wurde und bromierte Flammschutzmittel enthielt. Bromierte Dioxine weisen eine ähnliche Toxizität wie chlorierte Dioxine auf. Sie können negative Auswirkungen auf die Entwicklung und das Nervensystem haben und in Mechanismen des endokrinen Systems eingreifen. ^{[ 5 ]}

Kunststoffe haben sich unter anderem deshalb so stark verbreitet, weil sie relativ unbedenklich sind. Sie sind nicht akut toxisch, vor allem weil sie aufgrund ihres hohen Molekulargewichts unlöslich und/oder unverdaulich sind . Auch ihre Abbauprodukte sind selten toxisch. Das Gleiche gilt nicht für einige Zusatzstoffe, die tendenziell ein niedrigeres Molekulargewicht aufweisen.

Kontroversen um Kunststoffe beziehen sich häufig auf deren Zusatzstoffe, von denen einige potenziell schädlich sind. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 34 ]} Beispielsweise sind bestimmte Flammschutzmittel wie Octabromdiphenylether und Pentabromdiphenylether für Lebensmittelverpackungen ungeeignet. Weitere schädliche Zusatzstoffe sind Cadmium , Chrom , Blei und Quecksilber (geregelt durch das Minamata-Übereinkommen über Quecksilber ), die früher in der Kunststoffproduktion verwendet wurden und in vielen Ländern verboten sind. Dennoch finden sie sich weiterhin routinemäßig in einigen Kunststoffverpackungen, auch für Lebensmittel.

Zusatzstoffe können auch bei der Abfallverbrennung problematisch sein, insbesondere bei unkontrollierter Verbrennung oder in veralteten Verbrennungsanlagen, wie sie in vielen Entwicklungsländern üblich ist. Unvollständige Verbrennung kann zur Freisetzung gefährlicher Stoffe wie saurer Gase und Asche führen, die persistente organische Schadstoffe (POP) wie Dioxine enthalten kann . ^{[ 5 ]}

Eine Reihe von Zusatzstoffen, die als gesundheits- und/oder umweltschädlich eingestuft wurden, unterliegen internationaler Regulierung. Das Stockholmer Übereinkommen über persistente organische Schadstoffe (POP) ist ein globaler Vertrag zum Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt vor Chemikalien, die über lange Zeiträume in der Umwelt verbleiben, sich geografisch weit verbreiten, sich im Fettgewebe von Menschen und Wildtieren anreichern und schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit oder die Umwelt haben. ^{[ 5 ]} Die Verwendung von Bisphenol A (BPA) in Babyflaschen aus Kunststoff ist in vielen Teilen der Welt verboten, in einigen einkommensschwachen Ländern jedoch nicht eingeschränkt. ^{[ 5 ]}

Im Jahr 2023 wurde bei Seevögeln die sogenannte Plastosis entdeckt, eine neue Krankheit, die durch die Aufnahme von Plastikmüll verursacht wird. Bei betroffenen Vögeln wurden vernarbte und entzündete Verdauungstrakte festgestellt, was ihre Fähigkeit zur Nahrungsverdauung beeinträchtigen kann. ^{[ 42 ]} „Wenn Vögel kleine Plastikteile aufnehmen, entzündet sich der Verdauungstrakt. Mit der Zeit führt die anhaltende Entzündung zu Vernarbungen und Verformungen des Gewebes, was Verdauung, Wachstum und Überleben beeinträchtigt.“ ^{[ 43 ]}

Kunststoffe an sich weisen aufgrund ihrer Wasserunlöslichkeit und ihres hohen Molekulargewichts eine geringe Toxizität auf. Sie sind biochemisch inert. Additive in Kunststoffprodukten können jedoch problematischer sein. ^{[ 45 ]} Beispielsweise werden Weichmacher wie Adipate und Phthalate häufig spröden Kunststoffen wie PVC zugesetzt, um sie biegsam zu machen. Spuren dieser Verbindungen können aus dem Produkt austreten. Aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen solcher Auswaschungen hat die EU die Verwendung von DEHP (Di-2-ethylhexylphthalat) und anderen Phthalaten in bestimmten Anwendungsbereichen eingeschränkt, und die USA haben die Verwendung von DEHP, DPB , BBP , DINP , DIDP und DnOP in Kinderspielzeug und Babyartikeln durch den Consumer Product Safety Improvement Act begrenzt . ^{[ 46 ]} Es ist ein Mythos, dass die Verwendung von Kunststoffflaschen oder Lebensmittelverpackungen Krebs beim Menschen verursacht, selbst wenn die Verpackung in der Mikrowelle erhitzt wird. ^{[ 47 ]}

Alkylphenole können zu Umweltverschmutzungen führen. ^{[ 41 ]}

Obwohl ein fertiger Kunststoff ungiftig sein kann, können die Monomere, die bei der Herstellung seiner Ausgangspolymere verwendet werden, toxisch sein. In manchen Fällen können geringe Mengen dieser Chemikalien im Produkt verbleiben, wenn keine geeigneten Verarbeitungsmethoden angewendet werden. Beispielsweise hat die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) der Weltgesundheitsorganisation Vinylchlorid , die Vorstufe von PVC, als krebserregend für den Menschen eingestuft. ^{[ 46 ]}

Einige Kunststoffprodukte zersetzen sich zu Chemikalien mit östrogenartiger Wirkung. ^{[ 48 ]} Bisphenol A (BPA), der Hauptbestandteil von Polycarbonaten , ist ein östrogenähnlicher endokriner Disruptor , der in Lebensmittel übergehen kann. ^{[ 46 ]} Untersuchungen in Environmental Health Perspectives zeigen, dass BPA, das aus der Beschichtung von Konservendosen, Zahnversiegelungen und Polycarbonatflaschen freigesetzt wird, das Körpergewicht der Nachkommen von Labortieren erhöhen kann. ^{[ 49 ]} Eine neuere Tierstudie legt nahe, dass selbst geringe BPA-Belastungen zu Insulinresistenz führen können, was wiederum Entzündungen und Herzerkrankungen begünstigen kann. ^{[ 50 ]} Im Januar 2010 berichtete die Los Angeles Times , dass die US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde (FDA) 30 Millionen US-Dollar für die Untersuchung von Hinweisen auf einen Zusammenhang zwischen BPA und Krebs ausgibt. ^{[ 51 ]} Auch Bis(2-ethylhexyl)adipat , das in PVC-basierter Frischhaltefolie enthalten ist, gibt Anlass zur Sorge, ebenso wie die flüchtigen organischen Verbindungen im Neuwagengeruch . Die EU hat ein dauerhaftes Verbot für die Verwendung von Phthalaten in Spielzeug. Im Jahr 2009 verbot die US-Regierung bestimmte Arten von Phthalaten, die häufig in Kunststoffen verwendet wurden. ^{[ 52 ]}

Die Schätzungen zur Menge des im letzten Jahrhundert produzierten Plastikmülls gehen auseinander. Einer Schätzung zufolge wurden seit den 1950er Jahren eine Milliarde Tonnen Plastikmüll entsorgt. ^{[ 53 ]} Andere Schätzungen gehen von einer kumulierten menschlichen Produktion von 8,3 Milliarden Tonnen Plastik aus, von denen 6,3 Milliarden Tonnen Abfall sind und nur 9 % recycelt werden. ^{[ 54 ]}

Es wird geschätzt, dass dieser Abfall zu 81 % aus Polymerharz, zu 13 % aus Polymerfasern und zu 32 % aus Additiven besteht. Im Jahr 2018 fielen über 343 Millionen Tonnen Kunststoffabfall an, wovon 90 % aus Post-Consumer-Kunststoffabfällen (Industrie-, Landwirtschafts-, Gewerbe- und kommunale Kunststoffabfälle) bestanden. Der Rest waren Produktionsabfälle aus der Harzherstellung und der Fertigung von Kunststoffprodukten (z. B. Materialien, die aufgrund ungeeigneter Farbe, Härte oder Verarbeitungseigenschaften aussortiert wurden). ^{[ 5 ]}

Die Ocean Conservancy berichtete, dass China, Indonesien, die Philippinen, Thailand und Vietnam mehr Plastik ins Meer einleiten als alle anderen Länder zusammen. ^{[ 55 ]} Die Flüsse Jangtse, Indus, Gelber Fluss, Hai, Nil, Ganges, Perlfluss, Amur, Niger und Mekong transportieren 88 % bis 95 % der weltweiten Plastikmenge ins Meer. ^{[ 56 ] [ 57 ]}

Die Präsenz von Kunststoffen, insbesondere von Mikroplastik , in der Nahrungskette nimmt zu. In den 1960er Jahren wurde Mikroplastik im Magen-Darm-Trakt von Seevögeln nachgewiesen, und seither wurden immer höhere Konzentrationen gefunden. ^{[ 58 ]} Die Langzeitwirkungen von Kunststoffen in der Nahrungskette sind noch weitgehend unerforscht. Im Jahr 2009 wurde geschätzt, dass 10 % des modernen Abfalls aus Kunststoff bestehen, ^{[ 59 ]} wobei die Schätzungen je nach Region variieren. ^{[ 58 ]} Inzwischen bestehen 50 % bis 80 % des Mülls in Meeresgebieten aus Kunststoff. ^{[ 58 ]} Kunststoff wird häufig in der Landwirtschaft eingesetzt. Es befindet sich mehr Kunststoff im Boden als in den Ozeanen. Die Präsenz von Kunststoff in der Umwelt schädigt Ökosysteme und die menschliche Gesundheit. ^{[ 60 ]}

Die Forschung zu den Umweltauswirkungen konzentrierte sich bisher typischerweise auf die Entsorgungsphase. Allerdings ist auch die Kunststoffproduktion für erhebliche ökologische, gesundheitliche und sozioökonomische Auswirkungen verantwortlich. ^{[ 61 ]}

Vor dem Montrealer Protokoll wurden FCKW häufig bei der Herstellung des Kunststoffs Polystyrol verwendet , dessen Produktion zur Zerstörung der Ozonschicht beigetragen hatte .

Zu den Maßnahmen zur Minimierung der Umweltauswirkungen von Kunststoffen gehören die Reduzierung der Kunststoffproduktion und -verwendung, Abfall- und Recyclingrichtlinien sowie die proaktive Entwicklung und der Einsatz von Alternativen zu Kunststoffen, beispielsweise für nachhaltige Verpackungen .

Mikroplastik ist „synthetisches festes Partikelmaterial oder polymere Matrix mit regelmäßiger oder unregelmäßiger Form und einer Größe von 1 μm bis 5 mm, das primären oder sekundären Herstellungscharakter hat und wasserunlöslich ist .“ ^{[ 62 ]} Mikroplastik verschmutzt natürliche Ökosysteme , indem es aus verschiedenen Quellen in die Umwelt gelangt, darunter Kosmetika , Kleidung , Bauwesen , Renovierungen , Lebensmittelverpackungen und industrielle Prozesse. Es gibt jedoch verschiedene Strategien zur Beseitigung von Mikroplastik , die dazu beitragen können, die Auswirkungen der Plastikverschmutzung zu mindern.

Der Begriff Mikroplastik dient zur Unterscheidung von größeren, nicht mikroskopischen Kunststoffabfällen . Derzeit werden zwei Arten von Mikroplastik unterschieden. Primäres Mikroplastik umfasst alle Kunststofffragmente oder -partikel , die bereits vor ihrem Eintrag in die Umwelt eine Größe von 5,0 mm oder weniger aufweisen . Dazu gehören Mikrofasern aus Kleidung, Mikrokügelchen , Kunststoffglitter [ ^{63 ] und} Kunststoffgranulat ( auch Nurdles genannt). ^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ]} Sekundäres Mikroplastik entsteht durch den Abbau größerer Kunststoffprodukte durch natürliche Verwitterungsprozesse nach ihrem Eintrag in die Umwelt. Zu diesen Quellen sekundären Mikroplastiks zählen Wasser- und Limonadenflaschen, Fischernetze, Plastiktüten, Mikrowellenbehälter , Teebeutel und Reifenabrieb. ^{[ 67 ] [ 66 ] [ 68 ] [ 69 ]}

Beide Arten sind dafür bekannt, in der Umwelt in hohen Konzentrationen vorzuliegen, insbesondere in aquatischen und marinen Ökosystemen , wo sie als Wasserverschmutzung gelten . ^{[ 70 ]} Schätzungen zufolge wird das Gewicht von Mikroplastik im Meer bis 2050 das Gewicht der Fische übersteigen. ^{[ 71 ]}

Mikroplastik reichert sich auch in der Luft und in terrestrischen Ökosystemen an . Luftgetragenes Mikroplastik wurde sowohl in der Atmosphäre als auch in Innenräumen und im Freien nachgewiesen.

Da sich manche Kunststoffe nur langsam abbauen (oft über Hunderte bis Tausende von Jahren), ^{[ 72 ] [ 73 ]} ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Mikroplastik von vielen Organismen aufgenommen, in deren Körper und Gewebe eingebaut und dort angereichert wird . ^{[ 74 ] [ 75 ]} In terrestrischen Ökosystemen wurde nachgewiesen, dass Mikroplastik die Lebensfähigkeit von Bodenökosystemen verringert . ^{[ 76 ] [ 77 ]}

Mikroplastik zerfällt wahrscheinlich durch chemische Verwitterungsprozesse, mechanische Zersetzung und sogar durch die Verdauung von Tieren in kleinere Nanoplastikpartikel. Nanoplastik ist eine Untergruppe des Mikroplastiks und kleiner als 1  μm (1  Mikrometer oder 1000  nm). Nanoplastik ist für das menschliche Auge unsichtbar. ^{[ 78 ]}

Kunststoffe werden durch verschiedene Prozesse abgebaut , wobei Hydrolyse und Photooxidation die wichtigsten sind . Die chemische Struktur bestimmt das Verhalten eines Polymers. Daher lassen sich die Abbauwege anhand der Polymertypen der wichtigsten Polymere bewerten. Diese sind (nach Volumen): Polyolefine (Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol), Polyvinylchlorid (PVC) und Polyethylenterephthalat (PET). ^{[ 79 ]} Im Allgemeinen korreliert die Abbaubarkeit eines Polymers mit dem Vorhandensein funktioneller Gruppen (Ester, Amide). Polyolefine, denen funktionelle Gruppen fehlen, bauen sich sehr langsam ab, insbesondere Polyethylen. Im Fall von Polyethylen wird der Abbau auf Reaktionen von Defekten innerhalb der Polymerkette, wie z. B. Alkengruppen, zurückgeführt. ^{[ 80 ]} PET, ein Polyester, wird relativ schnell über verschiedene Wege abgebaut, darunter Esterhydrolyse und Photooxidation. Während die anderen Hauptpolymere bis > 400 °C stabil sind, zersetzt sich PVC bereits bei < 300 °C. Dieser Prozess ist mit der Freisetzung von Chlorwasserstoff (HCl) verbunden. Das entstehende HCl katalysiert den Abbau des PVC, daher werden große Anstrengungen unternommen, das HCl durch Mischen des PVC mit Additiven abzufangen.

Es sind zwar Mikroorganismen bekannt, die Kunststoffe abbauen können, doch stellen sie weiterhin eine Kuriosität dar. ^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]}

Phenol-Formaldehyd , allgemein bekannt als Bakelit, wird vom Weißfäulepilz P. chrysosporium abgebaut . ^{[ 88 ]}

Kunststoffrecycling

Im Uhrzeigersinn von oben links:

• Sortierung von Kunststoffabfällen in einem Wertstoffhof
• Gebündelte, farblich sortierte Altflaschen
• Gesammeltes HDPE, bereit zum Recycling
• Eine Gießkanne aus recycelten Flaschen

Kunststoffrecycling bezeichnet die Weiterverarbeitung von Kunststoffabfällen zu anderen Produkten. ^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]} Recycling kann die Abhängigkeit von Deponien verringern, Ressourcen schonen und die Umwelt vor Plastikverschmutzung und Treibhausgasemissionen schützen . ^{[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]} Die Recyclingquoten liegen hinter denen anderer wiederverwertbarer Materialien wie Aluminium , Glas und Papier zurück . Von Beginn der Kunststoffproduktion bis 2015 produzierte die Welt rund 6,3 Milliarden Tonnen Kunststoffabfälle, von denen nur 9 % recycelt wurden und lediglich etwa 1 % mehr als einmal. ^{[ 95 ]} Von den restlichen Abfällen wurden 12 % verbrannt und 79 % entweder auf Deponien entsorgt oder als Schadstoffe in die Umwelt freigesetzt. ^{[ 95 ]}

Nahezu alle Kunststoffe sind nicht biologisch abbaubar und verbreiten sich ohne Recycling in der Umwelt ^{[ 96 ] [ 97 ]} , wo sie Plastikverschmutzung verursachen . Beispielsweise gelangen seit 2015 jährlich etwa 8 Millionen Tonnen Plastikmüll in die Ozeane, schädigen marine Ökosysteme und führen zur Bildung von Müllstrudeln im Meer . ^{[ 98 ]}

Die meisten Kunststoffrecyclingverfahren sind derzeit mechanisch und beinhalten das Einschmelzen und Umformen von Kunststoff zu anderen Materialien. Dies kann zu Polymerabbau auf molekularer Ebene führen und erfordert eine Sortierung der Abfälle nach Farbe und Polymertyp vor der Weiterverarbeitung, was oft aufwendig und teuer ist. Fehler können zu Materialien mit inkonsistenten Eigenschaften führen, wodurch diese für die Industrie unattraktiv werden. ^{[ 99 ]} Obwohl die Filtration beim mechanischen Recycling die Freisetzung von Mikroplastik reduziert, können selbst die effizientesten Filtrationssysteme die Freisetzung von Mikroplastik in das Abwasser nicht vollständig verhindern. ^{[ 100 ] [ 101 ]}

Beim Rohstoffrecycling wird Kunststoffabfall in seine Ausgangschemikalien umgewandelt, aus denen dann neuer Kunststoff hergestellt werden kann. Dies ist mit höheren Energie- und Kapitalkosten verbunden. Alternativ kann Kunststoff in Energierückgewinnungsanlagen anstelle fossiler Brennstoffe verbrannt oder biochemisch in andere für die Industrie nutzbare Chemikalien umgewandelt werden. ^{[ 102 ]} In einigen Ländern ist die Verbrennung die vorherrschende Form der Kunststoffabfallentsorgung, insbesondere dort, wo Richtlinien zur Vermeidung von Deponierung gelten.

Kunststoffrecycling hat in der Abfallhierarchie eine niedrige Priorität ; Abfallvermeidung und Kunststoffwiederverwendung sind nachhaltigere und langfristigere Lösungen für die Umwelt . Das Recycling von Kunststoffen wird zwar seit den frühen 1970er Jahren gefördert ^{[ 103 ]} , doch aufgrund wirtschaftlicher und technischer Herausforderungen hatte es bis Ende der 1980er Jahre keinen nennenswerten Einfluss auf das Management von Kunststoffabfällen.

Durch Erhitzen auf über 500 °C (932 °F) unter Sauerstoffausschluss ( Pyrolyse ) lassen sich Kunststoffe in einfachere Kohlenwasserstoffe zerlegen , die als Ausgangsstoffe für die Herstellung neuer Kunststoffe dienen können. ^{[ 104 ]} Diese Kohlenwasserstoffe können auch als Brennstoffe verwendet werden. ^{[ 105 ]}

Laut der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD ) trug Plastik im Jahr 2019 mit 1,8 Milliarden Tonnen Kohlendioxid (CO₂ _{) zur} Treibhausgasbelastung der Atmosphäre bei, was 3,4 % der globalen Emissionen entspricht. ^{[ 106 ]} Bis 2060 könnten die Treibhausgasemissionen durch Plastik auf 4,3 Milliarden Tonnen pro Jahr ansteigen. Die Auswirkungen von Kunststoffen auf die globale Erwärmung sind ambivalent. Kunststoffe werden in der Regel aus fossilen Brennstoffen hergestellt; daher entstehen bei der Kunststoffproduktion zusätzliche Methanemissionen. Zudem ist ein Großteil der in der Kunststoffproduktion verwendeten Energie nicht nachhaltig , beispielsweise die hohen Temperaturen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Allerdings können Kunststoffe auch Methanemissionen reduzieren, beispielsweise durch Verpackungen zur Verringerung von Lebensmittelabfällen. ^{[ 107 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2024 ergab, dass Kunststoff im Vergleich zu Glas und Aluminium möglicherweise weniger negative Auswirkungen auf die Umwelt hat und daher für die meisten Lebensmittelverpackungen und andere gängige Anwendungen die beste Option sein könnte. ^{[ 108 ]} Die Studie stellte fest, dass „der Ersatz von Kunststoffen durch Alternativen in den meisten Fällen zu höheren Treibhausgasemissionen führt“ und dass die Studie mit Beteiligung europäischer Forscher ergab, dass „15 von 16 Anwendungsbereichen, in denen ein Kunststoffprodukt weniger Treibhausgasemissionen verursacht als seine Alternativen.“ ^{[ 108 ]}

Im Jahr 2025 diskutierten erstmals in der Geschichte fast alle Länder nicht nur über Recycling, sondern auch über die Reduzierung der Plastikproduktion. Dies kann als unverzichtbarer Bestandteil der Lösung des Klimawandelproblems angesehen werden, da Plastik laut den Vereinten Nationen und dem US-amerikanischen Lawrence Berkeley National Laboratory für 3–5 % der Emissionen verantwortlich ist und sich dieser Anteil bis 2060 verdreifachen könnte. Ein Grund dafür ist, dass bei der Verbrennung von Plastik Ruß freigesetzt wird , dessen Treibhauspotenzial bis zu 5.000-mal höher ist als das von CO₂. ^{[ 109 ]}

Die Herstellung von Kunststoffen aus Rohöl erfordert 7,9 bis 13,7 kWh/lb (unter Berücksichtigung des durchschnittlichen Wirkungsgrads von 35 % der US-amerikanischen Kraftwerke). Die Produktion von Silizium und Halbleitern für moderne elektronische Geräte ist noch energieintensiver: 29,2 bis 29,8 kWh/lb für Silizium und etwa 381 kWh/lb für Halbleiter. ^{[ 110 ]} Dies ist deutlich höher als der Energiebedarf für die Herstellung vieler anderer Materialien. Beispielsweise benötigt die Eisenproduktion (aus Eisenerz) 2,5–3,2 kWh/lb, die Glasproduktion (aus Sand usw.) 2,3–4,4 kWh/lb, die Stahlproduktion (aus Eisen) 2,5–6,4 kWh/lb und die Papierproduktion (aus Holz) 3,2–6,4 kWh/lb. ^{[ 111 ]}

Durch die schnelle Verbrennung von Kunststoffen bei sehr hohen Temperaturen werden viele toxische Bestandteile wie Dioxine und Furane abgebaut . Dieses Verfahren wird häufig bei der Müllverbrennung eingesetzt . Müllverbrennungsanlagen behandeln üblicherweise auch das Rauchgas, um die Schadstoffe weiter zu reduzieren. Dies ist notwendig, da bei der unkontrollierten Verbrennung von Kunststoffen krebserregende polychlorierte Dibenzo-p-dioxine entstehen . ^{[ 112 ]} Die Verbrennung von Kunststoffen im Freien erfolgt bei niedrigeren Temperaturen und setzt üblicherweise solche toxischen Dämpfe frei.

In der Europäischen Union wird die Verbrennung von Siedlungsabfällen durch die Industrieemissionsrichtlinie geregelt ^{[ 113 ]} , die eine Mindesttemperatur von 850 °C für mindestens zwei Sekunden vorschreibt. ^{[ 114 ]}

Das Bakterium Blaptica dubia soll beim Abbau von handelsüblichem Polystyrol helfen. Dieser biologische Abbau scheint in einigen kunststoffabbauenden Bakterien stattzufinden, die im Darm von Kakerlaken vorkommen. Die Abbauprodukte wurden auch in deren Kot nachgewiesen. ^{[ 115 ]}

Die Entwicklung von Kunststoffen begann mit der Verwendung natürlicher Kunststoffe (z. B. Gummi und Schellack ) und führte über deren chemische Modifizierung (z. B. Naturkautschuk, Cellulose , Kollagen und Milchproteine ) bis hin zu vollständig synthetischen Kunststoffen (z. B. Bakelit, Epoxidharz und PVC). Frühe Kunststoffe waren biobasierte Materialien wie Ei- und Blutproteine, die organische Polymere sind . Um 1600 v. Chr. verwendeten die Mesoamerikaner Naturkautschuk für Bälle, Bänder und Figuren. ^{[ 6 ]} Im Mittelalter dienten behandelte Rinderhörner als Fenster für Laternen . Materialien, die die Eigenschaften von Hörnern nachahmten, wurden durch die Behandlung von Milchproteinen mit Lauge entwickelt. Im 19. Jahrhundert, mit dem Fortschritt der Chemie während der Industriellen Revolution , wurden zahlreiche neue Materialien entdeckt. Die Entwicklung von Kunststoffen beschleunigte sich durch Charles Goodyears Entdeckung der Vulkanisation im Jahr 1839 , mit der Naturkautschuk gehärtet wurde.

Parkesine , 1855 von Alexander Parkes erfunden und im Folgejahr patentiert ^{[ 116 ]} , gilt als erster künstlicher Kunststoff. Es wurde aus Cellulose (dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände) hergestellt, die mit Salpetersäure als Lösungsmittel behandelt wurde. Das dabei entstehende Produkt (allgemein bekannt als Cellulosenitrat oder Pyroxilin) ​​konnte in Alkohol gelöst und zu einem transparenten und elastischen Material ausgehärtet werden, das sich durch Erhitzen formen ließ. ^{[ 117 ]} Durch die Zugabe von Pigmenten konnte es Elfenbein ähneln. Parkesine wurde 1862 auf der Weltausstellung in London vorgestellt und brachte Parkes die Bronzemedaille ein. ^{[ 118 ]}

1893 entdeckte der französische Chemiker Auguste Trillat ein Verfahren zur Unlöslichkeit von Kasein (Milchproteinen) durch Eintauchen in Formaldehyd . Das daraus entstandene Material wurde unter dem Namen Galalith vermarktet . ^{[ 119 ]} 1897 erhielt der Hannoveraner Druckereibesitzer Wilhelm Krische den Auftrag, eine Alternative zur Schultafel zu entwickeln. ^{[ 119 ]} Das daraus entstandene hornartige Plastik aus Kasein wurde in Zusammenarbeit mit dem österreichischen Chemiker Friedrich Adolf Spitteler (1846–1940) entwickelt. Obwohl es für den ursprünglich vorgesehenen Zweck ungeeignet war, wurden später andere Anwendungsmöglichkeiten entdeckt. ^{[ 119 ]}

Der weltweit erste vollsynthetische Kunststoff war Bakelit , erfunden 1907 in New York von Leo Baekeland ^{[ 7 ]} , der auch den Begriff „Kunststoffe“ prägte . ^{[ 8 ]} Zahlreiche Chemiker trugen zur Materialwissenschaft der Kunststoffe bei, darunter Nobelpreisträger Hermann Staudinger , der als „Vater der Polymerchemie “ gilt , und Herman Mark , bekannt als „Vater der Polymerphysik “. ^{[ 9 ]} Nach dem Ersten Weltkrieg führten Fortschritte in der Chemie zu einer explosionsartigen Entwicklung neuer Kunststoffarten, deren Massenproduktion in den 1940er- und 1950er-Jahren begann. ^{[ 59 ]} Zu den frühesten Beispielen dieser neuen Polymere zählten Polystyrol (erstmals in den 1930er-Jahren von BASF hergestellt ) ^{[ 6 ]} und Polyvinylchlorid (erstmals 1872 entwickelt, aber erst Ende der 1920er-Jahre kommerziell produziert). ^{[ 6 ]} 1923 stellte Durite Plastics, Inc. als erstes Unternehmen Phenol-Furfural-Harze her. ^{[ 120 ]} 1933 wurde Polyethylen von den Forschern Reginald Gibson und Eric Fawcett von Imperial Chemical Industries (ICI) entdeckt . ^{[ 6 ]}

Die Entdeckung von Polyethylenterephthalat (PET) wird Mitarbeitern der Calico Printers' Association in Großbritannien im Jahr 1941 zugeschrieben. Die Lizenz wurde an DuPont für die USA und an ICI für den Rest der Welt vergeben. Da PET einer der wenigen Kunststoffe war, die sich in vielen Fällen als Glasersatz eigneten, fand es in Europa weite Verbreitung für Flaschen. ^{[ 6 ]} 1954 entdeckte Giulio Natta Polypropylen , dessen Herstellung 1957 begann. ^{[ 6 ]} Ebenfalls 1954 erfand Dow Chemical expandiertes Polystyrol (EPS), das für Gebäudeisolierung, Verpackungen und Becher verwendet wird . ^{[ 6 ]} Seit den 1960er-Jahren erlebte die Kunststoffproduktion mit dem Aufkommen von Polycarbonat und HDPE, die in verschiedenen Produkten weit verbreitet sind, einen rasanten Aufschwung. ^{[ 121 ]} In den 1980er- und 1990er-Jahren erlebten das Kunststoffrecycling und die Entwicklung biologisch abbaubarer Kunststoffe einen Aufschwung, um die Umweltbelastung zu verringern. ^{[ 122 ] [ 123 ]} Von 2000 bis heute haben Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen und das gestiegene Bewusstsein für Mikroplastik umfangreiche Forschungsarbeiten und politische Maßnahmen zur Bekämpfung der Plastikverschmutzung angestoßen. ^{[ 124 ]}

Derzeit wird an einem globalen Vertrag zur Plastikverschmutzung gearbeitet . Am 2. März 2022 stimmten die UN-Mitgliedstaaten auf der wiederaufgenommenen fünften UN-Umweltversammlung (UNEA-5.2) für die Einrichtung eines zwischenstaatlichen Verhandlungsausschusses (INC) mit dem Mandat , ein rechtsverbindliches internationales Abkommen zu Kunststoffen voranzutreiben. ^{[ 125 ]} Die Resolution trägt den Titel „Plastikverschmutzung beenden: Auf dem Weg zu einem international rechtsverbindlichen Instrument“. Das Mandat sieht vor, dass der INC seine Arbeit bis Ende 2022 aufnehmen muss, mit dem Ziel, „bis Ende 2024 einen Entwurf für ein globales, rechtsverbindliches Abkommen fertigzustellen“. ^{[ 126 ]}