I. v./m. (-fen), (ook: plastic), synthetische grondstof, gebruikt voor de vervaardiging van een groot aantal produkten (e);
II. onverb. stoff. bn., bestaande uit of gemaakt van kunststof: — bouwmaterialen.
(e) Kunststoffen hebben een aantal essentiële kenmerken.
1. Het zijn synthetische materialen, vervaardigd door de chemische industrie.
2. Het zijn macromoleculaire materialen, d.w.z. zij bestaan uit zeer grote moleculen, opgebouwd met behulp van chemische processen als →polymerisatie, →polycondensatie en →polyadditie.
3. Ergens op de technologische weg naar het eindprodukt ondergaat het materiaal een proces van plastische vormgeving.
Naar oorsprongscriteria worden de kunststoffen onderverdeeld in halfsynthetische en geheelsynthetische plastics. Bij de eerste is het macromoleculaire skelet opgebouwd door de levende natuur (cellulose, caseïne), terwijl door chemische modificatie, c.q. omzetting, de halfsynthetische kunststoffen worden vervaardigd (cellulosederivaten, caseïneplastics). De geheel synthetische kunststoffen worden uit monomeren van laagmoleculair karakter opgebouwd door middel van één van de genoemde chemische processen.
Naar structuurcriteria worden de kunststoffen onderverdeeld in thermoplasten en thermoharders. De thermoplasten zijn opgebouwd uit lineaire draadmoleculen, die ontstaan door chemische koppeling van bifunctionele monomeren. Monofunctionele grondstoffen, b.v. ethanol en azijnzuur, kunnen nooit fungeren als schakels in een keten: zij vormen uitsluitend het laagmoleculaire ethylacetaat. Bifunctionele monomeren echter, b.v. glycol en een dicarbonzuur als tereftaalzuur, kunnen in een alternerende aaneenschakeling een ‘polyester’vorming realiseren.
Het reactieprodukt is de polytereftaalzure glycolester of polyetheentereftalaat. Ook olefinen zijn bifunctionele monomeren, die door openklapping van de dubbele binding onder bepaalde katalytischenergetische invloeden aaneengeschakeld kunnen worden tot lineaire macromoleculen.
Voor de vervaardiging van kunststoffen met voldoende vormvastheid voor constructieve toepassingen is men aangewezen op macromoleculaire reactieprodukten met molecuulgewichten hoger dan 10000. Vele thermoplasten hebben echter molecuulgewichten die belangrijk hoger liggen, b.v. tussen 100000 en 1–3 mln. Met de hier gebruikte indicering n wordt aangegeven de polymerisatiegraad, d.i. het quotiënt van het (gemiddelde) molecuulgewicht van het macromoleculaire reactieprodukt en dat van het monomeer (b.v. etheen), of van de monomeercombinatie (b.v. tereftaalzuur + glycol – 2H2O).
In het macromoleculaire reactieprodukt liggen de draadmoleculen ongeordend in de wattenpropstructuur dooreen. De vormvastheid van het materiaal berust op de werking van cohesiekrachten, waarvan de actuele sterkte afhankelijk is zowel van de onderlinge afstand van de draadmoleculen als van de aard van de zijgroepen. Bij verhoging van de temperatuur worden de bewegingen van de ketendelen zodanig sterker dat de cohesiekrachten in toenemende mate overwonnen kunnen worden,d.w.z. het materiaal verliest boven een bepaald temperatuurniveau zijn vormvastheid en wordt zachter, weker, plastisch vervormbaar en tenslotte vloeibaar: vandaar de naam thermoplastisch materiaal. Een nadeel hiervan is dat voor elke thermoplast de gebruikstemperatuur beneden de verwekingstemperatuur gehouden moet worden. Anderzijds is het grote voordeel van deze situatie dat juist de thermoplasten zich lenen voor een grote verscheidenheid van vormgevingstechnieken boven een bepaald temperatuurniveau. De afhankelijkheid van de cohesiekrachten van de onderlinge afstand van de draadmoleculen wordt technisch benut in de toepassing van →weekmakers, die door hun homogene vermenging met het substraat van de thermoplast de afstand tussen de moleculen vergroten, waardoor een oorspronkelijk hard en stijf materiaal zacht, flexibel en soepel gemaakt kan worden.
Een toepassing is b.v. PVC met weekmakers in slangen, gordijnen, regenjassen, kunstleder).
Thermoharders hebben een driedimensionale netstructuur doordat men in plaats van bifunctionele monomeren, trifunctionele in reactie brengt. De vormvastheid van de thermoharders berust niet op cohesiekrachten van fysische aard, maar op reële chemische brugbindingen. De thermoharders zijn niet door temperatuurverhoging te verweken en dan in verdere vormgevingstechnieken te verwerken, zoals de thermoplasten. Ze moeten dus hun technosynthetische, chemische opbouw ondergaan gelijktijdig met hun techno-mechanische vormgeving (b.v. door persing in een matrijs of door een gietproces). Het niet verweken bij temperatuurverhoging duidt niet op onbeperkte thermoresistentie. Zoals gesmolten thermoplasten bij temperatuurverhoging niet verdampen, maar ontleden door een grillige afbraak van de organische macromoleculen, zullen ook de thermoharders ontledingsverschijnselen vertonen door desintegratie van de C–C-bindingen boven een bepaald temperatuurniveau (b.v. 200–300 °C).
De bekendste kunststoffen worden aangeduid met letterafkortingen, die in 1965 op internationaal niveau zijn aanvaard en in 1971 zijn uitgebreid (tabel 1).
--------------------------------
Tabel 1. Internationaal aanvaarde afkortingen voor kunststoffen afkorting kunststof iABS acrylonitril-butadieen-styreen iCA cellulose-acetaat iCAB cellulose-acetobutyraat iCAP cellulose-acetopropionaat iCMC carboxy-methylcellulose iCF cresolformaldehyde iCN cellulosenitraat iCP cellulosepropionaat iEC ethylcelluse iEP epoxy(harsen)
iE/P etheen/propeen-copolymeer iE/VA etheen/vinylacetaat-copolymeer iMF melamine-formaldehyde iPA polyamide iPAN polyacrylonitril iPC polycarbonaat iPCTFE polychlorotrifluoroetheen iPE polyetheen iPEC gechloreerd PE iPEO polyetheenoxide iPETP polyetheentereftalaat iPF fenolformaldehyde iPIB polyisobuteen iPMMA polymethylmethacrylaat iPOM polyoximethyleen iPP polypropeen iPS polystyreen iPTFE polytetrafluoroetheen iPUR polyurethaan iPVAC polyvinylacetaat iPVAL polyvinylalcohol iPVB polyvinylbutyral iPVC polyvinylchloride iPVCA polyvinylchloride-acetaat iPVCC gechloreerd PVC iPVDC polyvinylideenchloride iPVDF polyvinylideenfluoride iPVF polyvinylfluoride iPVFM polyvinylformaldehyde iSAN styreenacrylonitril iSB styreenbutadieen iSI siliconen iUF ureumformaldehyde iUP onverzadigdepolyester
------------------------------------------
EIGENSCHAPPEN. Kunststoffen kunnen qua uiterlijke verschijningsvorm hard en bros, taai, rubberachtig of plastisch zijn, afhankelijk van hun structuur en van de temperatuur. In het eenvoudigste geval van een niet-kristalliserend, onvernet polymeer bevindt de stof zich bij lage temperatuur in een harde, glasachtige toestand; bij temperatuurverhoging gaat deze bij het glaspunt (of glas–rubberovergangspunt), Tg, over in een rubberachtige fase doordat de aanvankelijk door fysische krachten tussen de ketendelen onbeweeglijke molecuulketens een grotere bewegingsvrijheid krijgen. De ligging van deze overgangstemperatuur wordt bepaald door de flexibiliteit van de ketenmoleculen en door hun onderlinge wisselwerking. Zo heeft de introductie van een methyl-zijgroep, b.v. polypropeen een vermindering van ketendraaibaarheid tot gevolg ten opzichte van polytheen waardoor de Tg van –120 °C (PE) stijgt tot –5 °C (PP).
Een nog grotere zijgroep zoals bij polystyreen brengt de Tg zelfs op 100 °C. Verhoging van keteninteractiekrachten b.v. met het polaire chlooratoom, heeft een soortgelijk effect: PVC [–CH2–CHCl–]n, heeft een Tg van 90 °C. Bij de glas–rubber-overgang daalt de elasticiteitsmodulus (stijfheid) met een factor 1000–10000. Bij iets hogere temperatuur kunnen de ketens zich ook ten opzichte van elkaar gaan verplaatsen, zodat vloei kan optreden (vloeitemperatuur Tv). Onder deze omstandigheden kan het materiaal vormgevingsprocessen ondergaan. Indien de ketens op enkele plaatsen door chemische bruggen aan elkaar verbonden zijn (b.v. met behulp van zwavel: vulcanisatie van rubbers), is vloei niet mogelijk en strekt de rubbertoestand zich over een groot temperatuurgebied uit.
Bij sterkere vernetting wordt in de rubberfase de stijfheid aanzienlijk verhoogd, terwijl ook het glaspunt Tg naar hogere temperatuur verschoven wordt. Dit geval doet zich voor bij thermoharders. Indien kristallisatie optreedt verliest de rubberfase ook haar oorspronkelijk karakter: het kristallijne gedeelte veroorzaakt een aanzienlijke stijfheidsverhoging terwijl door de steeds nog aanwezige amorfe rubberfase het materiaal nog een zekere taaiheid behoudt. Deze toestand duurt voort tot aan het kristallijne smeltpunt Tm, waarboven abrupt vloei optreedt.
Uit dit alles volgt dat kunststoffen technisch bruikbaar zijn in verschillende toestanden:
a. als glasachtig polymeer bij temperaturen beneden Tg (thermoplasten zoals PVC, PS, PMMA enz.).
b. als kristallijn polymeer beneden Tm (thermoplasten zoals PE, PP, PA enz.).
c. als sterk vernet polymeer, meestal beneden Tg (thermoharders zoals PF, EP, UP enz.),
d. als gevulcaniseerde rubber boven Tg (zoals SBR. IR, BR
enz.; →synthetische rubber).
Bij alle polymeren speelt de tijd een rol analoog aan die van de temperatuur, zodat vooral bij thermoplasten de schijnbare elasticiteitsmodulus daalt bij toenemende belastingsduur (kruipen relaxatieverschijnselen). Bij gebruik van kunststoffen in dragende constructies moet hiermee steeds terdege rekening worden gehouden. Ook voor andere mechanische eigenschappen zoals de treksterkte geldt deze beperking; de in afb. 1. voor verschillende kunststoffen aangegeven waarden gelden voor een belastingsduur van enkele minuten; bij langdurige belasting kunnen deze waarden b.v. door kruip of ook door langzame barstvorming aanzienlijk (b.v. tot drieof viermaal) lager liggen. Als andere eigenschappen kunnen genoemd worden: hoge elektrische weerstand, die gebruik als elektrische isolator mogelijk maakt, maar ook een neiging tot elektrostatische oplading met zich meebrengt (→antistatica); laag warmtegeleidingsvermogen, goede bestandheid tegen chemische en bacteriologische aantasting. VORMGEVING. De vormgeving van kunststoffen vindt in eerste instantie steeds plaats via de vloeibare of plastische fase. Bij thermoplasten wordt de als korrels of poeder aanwezige grondstof in een verwerkingsmachine door temperatuurverhoging vloeibaar gemaakt; de plastische massa wordt met behulp van een schroef of een plunjer getransporteerd naar het eigenlijke vormgevingsgereedschap (spuitkop, matrijs), waarna de vorm door afkoeling gefixeerd wordt.
Al naar gelang het type eindprodukt kent men diverse wijzen van vormgeving: extrusie, →spuitgieten, →kalanderen, →persen, →blaasextrusie, enz. Bij thermoharders is het uitgangsmateriaal veelal een laag-visceuze vloeistof, die eenvoudiger vormgevingstechnieken mogelijk maakt, zoals →gieten, en →impregneren (→gewapende kunststoffen). De irreversibele uithardingsreactie waarbij het driedimensionale netwerk gevormd wordt, vindt hierbij steeds plaats na de vormgeving. Zowel bij thermoplasten als bij thermoharders kan na het primaire vormgevingsproces verdere bewerking en verwerking plaats vinden door zagen, boren, frezen, lijmen enz.
TOEPASSINGSGEBIEDEN. Kunststoffen worden op een groot aantal ver uiteenlopende terreinen toegepast. Enkele sterk in ontwikkeling zijnde gebieden zijn: bouwnijverheid: isolatiebekleding (PUen PS-schuim), goten, regenpijpen, stortbakken, aanrechten, gevelplaten, vloeren, aanen afvoerleidingen enz.; autobouw: carosserieën, diverse motoren hulponderdelen, interieurbekleding enz.; botenbouw: gehele scheepsrompen van gewapende thermoharders; pijpleidingen: waterleiding en gas-, hoofden dienstleidingen, rioleringsbuis, chemicaliëntransport, elektrobuis enz.; verpakking: folies, zakken, kratten, flessen, vaten enz.; schoenindustrie: uit één stuk vervaardigde kinderschoenen, pantoffels, strandschoenen enz., synthetisch leder; landen tuinbouw: afdekfolies, tanks, grondstoomleidingen, drainagebuizen enz.; medische wetenschap: slangen, injectiespuiten, hartkleppen, aderprothesen, botvervanging, contactlenzen enz.
GESCHIEDENIS. Het assortiment van kunststoffen omvat ca. 40–50 plastics, die met elkaar een belangrijke rol spelen in de materiaalvoorziening van de wereld. De opkomst van de eerste kunststoffen dateert van 1868, toen J.W.Hyatt in de VS het celluloid ontwikkelde uit nitrocellulose en kamfer. In 1907 verkreeg L.H.Baekeland octrooi op het bakeliet, waarmee als eerste thermoharder het fenolformaldehyde werd gelanceerd. De grote groei is echter eerst mogelijk geworden toen niet langer willekeurige empirie, maar gerichte chemische technologie de voedingsbodem werd voor een veelzijdig researchen ontwikkelingswerk op het terrein van de kunststoffen. Dit was te danken aan het pionierswerk van H.Staudinger (1881–1965), wiens conceptie in de jaren twintig de vakwereld het inzicht verschafte dat het hier gaat om de opbouw van draadmoleculen, waarvan het fysisch-chemisch eigenschapspatroon door latere research vanuit vele laboratoria steeds meer is ontwikkeld. Naast Staudinger moeten als pioniers op dit terrein worden vermeld: W.H.Carothers, H.Mark, K.Ziegler en G.Natta.
ECONOMIE. Hoewel vóór de Tweede Wereldoorlog wel enkele honderdduizenden tonnen kunststof werden vervaardigd, dateert de snelle groei van na de oorlog. Dit wordt geïllustreerd in afb.2, waarin tevens de groei van de produktie van enkele kunststofsoorten is aangegeven, die samen ongeveer ca. 60 % van het totaal uitmaken. Het relatief grote aandeel van de polyolefinen (PE en PP) is hierbij opvallend (van 7 % in 1955 tot ruim 30 % in 1975).
Afb.3 geeft tenslotte een vergelijking met staal, ditmaal op volumebasis. Volgens deze prognose zullen de jaren tachtig de kunststoffen de ferrometalen qua totaal volumegebruik voorbijstreven.
-------------------------------------------------
kunststof. Tabel 2. Enkele produktiecijfers jaar produktie wereld Nederland België × 1000 t × 1000 t × 1000 t
1951 1500
1961 7500 92 357
1965 14500 245 120
1970 30000 800 340
1974 41000 1400 1000
-------------------------------------------------
MILIEUASPECTEN. De kunststoffen zijn zowel in de produktieprocessen als in de verwerkingstechnieken veel minder milieubelastend dan de conventionele materialen zoals metalen, papier, keramische materialen, glas en leder. De vervanging van deze materialen door plastics vanwege schaarste in de grondstofvoorziening is bovendien een in sociaal-economisch opzicht aantrekkelijke aangelegenheid door de beperking van energieverbruik en vermindering van water- en luchtvervuiling. De als huisvuil te kwalificeren afval van kunststoffen kan op de vuilnisbelt niet vanzelf verdwijnen door verwering aan de lucht of door afbraak in microbiologische processen. Bij de vuilverbranding zullen zij echter overgaan in de onschadelijke verbrandingsprodukten water en kooldioxide. Bij de verbranding van chloorhoudende kunststoffen komt ook zoutzuur (HCl) vrij. Men heeft moderne verbrandingsovens ontwikkeld, waarin dit HCl door uitwassing uit de rookgassen wordt geëlimineerd.
Behalve huisvuil is er echter ook zwerfvuil, waarin glas en plastic als resistente materialen niet verweren of wegroesten, zoals wel het geval is met papier en blik. Een Amerikaans onderzoek signaleert 6 % plastics in zwerfvuil.
Er zijn enkele procédés ontwikkeld voor de vervaardiging van wel afbreekbare kunststoffen. Een zeer beperkte toepasbaarheid ontneemt deze uitvindingen echter alle perspectief op een universele betekenis voor het zeer omvangrijke gebruiksgebied van kunststoffen. Het belanden van kunststoffen in zwerfvuil zal bestreden resp. voorkomen moeten worden door orde en discipline in het afvoeren van afval en kunststoffen [dr. A.E.Schouten, dr.ir. A.K.van der Vegt] LITT: E.C.Bernhardt, Processing of thermoplastic materials (1959); F.W.Billmeyer, Textbook of polymer Science (1962); R.Houwinken A.J.Staverman, Chemie und Technologie der Kunststoffe (3 dln. 1962); G.Schulz, Die Kunststoffe (1964); A.E. Schouten en A.K.van der Vegt, Plastics (1966); Ned. vaktijdschrift Plastica (orgaan Ned.Ver. Fed. voor Kunststoffen).; A.A.Harness, Kunststoffen (2e dr. 1976).
