Polypropylen


Polypropylen

Strukturformel
Strukturformel Polypropylen
Allgemeines
Name Polypropylen
Andere Namen
  • Polypropen
  • PP
CAS-Nummer 9003-07-0
Art des Polymers Thermoplast
Monomer
Monomer Propen
Summenformel C3H6
Molare Masse 42,08 g·mol−1
Eigenschaften
Aggregatzustand fest
Dichte 0.90 .. 0.915 kg/l[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.
Polypropylen (Kugel-Stab-Modell; blau: Kohlenstoff; grau: Wasserstoff)
Infrarotspektrum von Polypropylen

Polypropylen (Kurzzeichen PP) ist ein teilkristalliner Thermoplast und gehört zu der Gruppe der Polyolefine. Polypropylen wird durch Polymerisation des Monomers Propen mit Hilfe von Katalysatoren gewonnen. Im Jahr 2001 wurden 30 Millionen Tonnen Polypropylen hergestellt. Im Jahr 2007 betrug das Produktionsvolumen bereits 45,1 Millionen Tonnen mit einem Wert von ca. 65 Milliarden US$ (47,4 Milliarden €).[2]

Historische Informationen

Polypropylen wurde zum ersten Mal 1954 von Karl Rehn in den Farbwerken Hoechst und zeitgleich von Giulio Natta am Politecnico di Milano synthetisiert.[3] Natta, der Polypropylen zuerst zum Patent anmeldete, begann 1957 die großtechnische Synthese in der italienischen Firma Montecatini. Heute ist Polypropylen nach PE der (nach Umsatz) weltweit zweitwichtigste Kunststoff.

Eigenschaften

Recycling-Code für Polypropylen

Da im Gegensatz zu vielen anderen Kunststoffen die Molekülstruktur, die mittlere molare Masse, deren Verteilung, Copolymere sowie weitere Parameter stark variieren und somit auch die Eigenschaften beeinflusst werden können, existiert eine Vielzahl von PP-Sorten.

Die Dichte von PP liegt zwischen 0,895 g/cm³ und 0,92 g/cm³.

Der E-Modul von PP liegt zwischen 1300 N/mm² und 1800 N/mm².

Die Schallgeschwindigkeit beträgt 2650–2740 m/s longitudinal und 1300 m/s transversal.[1][4]

PP hat eine höhere Steifigkeit, Härte und Festigkeit als Polyethylen, diese sind jedoch niedriger als bei anderen Kunststoffen wie z. B. Polyamid.

PP hat eine Glasübergangstemperatur von 0 bis −10 °C und wird somit bei Kälte spröde. Die obere Gebrauchstemperatur liegt bei 100 bis 110 °C. Der Kristallit-Schmelzbereich liegt bei 160 bis 165 °C.

PP kann mit mineralischen Füllstoffen wie z. B. Talkum, Kreide oder Glasfasern gefüllt werden. Dadurch wird das Spektrum der mechanischen Eigenschaften (Steifigkeit, Gebrauchstemperaturen, etc.) deutlich erweitert.

PP ist beständig gegenüber fast allen organischen Lösungsmitteln und Fetten, sowie den meisten Säuren und Laugen. PP ist bei höheren Temperaturen gut löslich in Xylol, Tetralin und Decalin sowie weiteren Lösungsmitteln. Aufgrund seiner geringen Oberflächenenergie lässt es sich sehr schlecht verkleben und bedrucken.

PP ist geruchlos und hautverträglich, für Anwendungen im Lebensmittelbereich und der Pharmazie ist es geeignet, es ist physiologisch unbedenklich.

Nach IUPAC ist die bevorzugte ausgangsmaterialbezogene Bezeichnung Polypropen; nach der Wiederholungseinheit lautet die Bezeichnung poly(1-methylethylene).[5]

Herstellung

PP wird durch Polymerisation von Propen hergestellt. Für die Produktion von PP werden ungefähr zwei Drittel des weltweit hergestellten Propens verbraucht.[6]

Die Methyl-Seitengruppe kann isotaktisch, syndiotaktisch oder ataktisch eingebaut sein. Diese Anordnung hat Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften. Der isotaktische Aufbau, welcher z. B. mit Hilfe von Ziegler-Natta-Katalysatoren erzeugt werden kann, resultiert in einer teilkristallinen Struktur des PP. Dies lässt sich auf den stets auf einer Seite der Molekülkette befindlichen Methylrest zurückführen, welcher das Makromolekül in eine Helix-Form zwingt (vgl.: Zellulose). Die ataktische Variante des PP ist hingegen weniger kristallin, es enthält höhere amorphe Anteile.

Beständigkeit gegen Chemikalien

Polypropylen ist bei Raumtemperatur gegen fast alle gängigen Lösungsmittel und Chemikalien (chemische Beständigkeit), abgesehen von starken Oxidationsmitteln, beständig. Nichtoxidierende Säuren und Laugen können in Behältern aus PP gelagert werden. Bei erhöhter Temperatur erweichen zunächst und lösen wenig polare Lösungsmittel Polypropylen. Gängige Lösungsmittel für PP sind polychlorierte Kohlenwasserstoffe, hochsiedende Aromaten oder Decalin.

Expandiertes Polypropylen

Expandiertes Polypropylen (EPP) wurde in den 1980er Jahren entwickelt. Es handelt sich hierbei um einen Partikelschaumstoff auf Polypropylen-Basis. (Poröses expandiertes Polypropylen wird mit PEPP abgekürzt.) Anders als bei EPS wird EPP ohne Treibmittel ausgeliefert, so dass eine treibmittelbasierte nachträgliche Expansion nicht möglich ist.

Bei der EPP-Herstellung unterscheidet man zwei Prinzipverfahren: Die Autoklavtechnik (Standard) und die direkte Schaumextrusion (selten).

Die Verarbeitung im sog. Formteilprozess findet in speziellen Formteilautomaten statt. Diese unterscheiden sich durch ihre stabilere Ausführung von herkömmlichen EPS-Maschinen. Der eigentliche Verarbeitungsschritt besteht darin, die Schaumpartikel mittels Dampf (Dampftemperatur ca. 140 bis 165 °C – je nach Rohmaterialtyp) zu erweichen, damit sie versintern. Eine nachträgliche Bearbeitung (z. B. Entgraten) ist, anders als bei PU-Schaumstoffteilen, bei EPP-Formteilen nicht üblich.

EPP gewinnt zunehmend auch außerhalb der anfänglichen Einsatzgebiete (Automobil und hochwertige Mehrwegverpackung) an Bedeutung. So findet man EPP z. B. immer häufiger auch in den Bereichen Sport, Logistik, Möbel und Design, jedoch auch im RC-Modellbau, wo es zunehmend bei Anfängern aufgrund seiner Crashbeständigkeit beliebter wird.[7]

Eine neue Entwicklung besteht in dem Einsatz von EPP im Automobilinnenbereich. So besteht beim VW Touareg und beim Porsche Cayenne die Rücksitzunterbank aus EPP.[8]

CPP (cast polypropylene)

Cast Polypropylen (Kurzzeichen CPP, auch als UPP-Folie oder ungerecktes Polypropylen bekannt) ist ein vielseitig einsetzbares Verpackungsmaterial.[9]

Wie auch Polypropylen (PP) ist CPP ein teilkristalliner Thermoplast und gehört zu der Gruppe der Polyolefine. Im Vergleich zu herkömmlichen PE-Folien zeichnet sich CPP durch eine ausgesprochen hohe Transparenz, Steifigkeit und Abriebsfestigkeit aus. Diese Eigenschaften machen CPP, neben OPP (Oriented Polypropylene) zu dem meist eingesetzten Polymer in der Verpackungsindustrie. Hauptsächliche Einsatzgebiete sind die Verpackung von Lebensmitteln, Textilien oder medizinischen Artikeln und als Laminierungsschicht in Mehrschichtfolien.

Verstrecken von PP (OPP und BOPP)

Polypropylenfolien kann man durch das Verstrecken deutlich stabiler machen. Hierzu wird die extrudierte Folie über Walzen geführt, die in Maschinenrichtung an Geschwindigkeit zunehmen. Das führt zu einer Streckung des Kunststoffs in Längsrichtung. Um eine BOPP-Folie zu erhalten, wird danach auch noch in Querrichtung verstreckt.

Eigenschaften

Die Vorteile dieser Verarbeitung liegen u. a. in einer verringerten Wasserdampfpermeation. Die mechanische Festigkeit steigt, die Folien dehnen sich weniger, die Optik (Transparenz) wird verbessert. Die Weiterreißfestigkeit steigt ebenfalls.

Nachteile sind u. a. die abnehmende Siegelfähigkeit und Bedruckbarkeit. Der Lichtschutz wird geringer und die Sauerstoffbarrierewirkung nimmt ab.

OPP (oriented polypropylene)

Das extrudierte PP-Granulat kann hierzu auch nur längs verstreckt werden, um OPP (orientiertes PP) zu erhalten. Es wird zur Herstellung von hochfesten Folien, Verpackungsbändern, Garnen oder auch Verbundfolien eingesetzt.

BOPP (biaxially oriented polypropylene)

Dieses orientierte PP wird zusätzlich noch in Querrichtung verstreckt, um maximale Festigkeit dieses Kunststofftyps zu erhalten. Dies geschieht in einer Reckanlage (Vorwärmen – Strecken – Stabilisieren – Kühlen). Um Spannungen zu minimieren wird die Folie am Ende des Herstellungsprozesses durch nochmaliges Aufheizen thermofixiert.

Diese Kunststofffolie wird in der Verpackung vorwiegend auf Schlauchbeutelmaschinen (horizontal und vertikal) eingesetzt, als Monofolie oder Komponente einer Verbundfolie.

Verarbeitung

Der Weltmarktpreis für unverarbeitetes Polypropylen lag 2006 bei circa 950 Euro/Tonne.[10]

PP eignet sich zum Spritzgießen, Extrudieren, Blasformen, Warmumformen, Schweißen, Tiefziehen, für die spanende Verarbeitung oder zur Herstellung von Partikelschaum (EPP). Kleben ist in der Regel nicht möglich. In der Medizin wird es auch für Leistenbruchnetze eingesetzt, wobei es biologische resorbierende Anteile enthält. Die chemischen Bestandteile werden anscheinend problemlos im biologischen Umfeld integriert (VIPRO II Netze).

Ca. 5 Mio. t jährlich werden zu Fasern (Filamentgarne oder Stapelfasergarne wie z. B. Polycolon®) gezogen. Daraus werden u. a. Vliese und Gewebe hergestellt.

Anwendungsbeispiele

Kunststoffteil aus Polypropylen

Die oben erwähnten besonderen Eigenschaften von PP und EPP erlauben einen sehr breiten Einsatz dieses Kunststoffs.

  • Es wird im Maschinen- und Fahrzeugbau für Innenausstattungen für PKW, Armaturenbretter und Batteriegehäuse eingesetzt. Auch Crashabsorber-Elemente für den Fahrzeugbau, Kindersitze, Fahrradhelme.
  • In der Elektrotechnik wird es für Trafogehäuse, Draht- und Kabelummantelung und Isolierfolien verwendet. Eine besonders herausragende Bedeutung hat die BOPP orientierte Polypropylenfolie als Dielektrikum von Kunststoff-Folienkondensatoren und Leistungskondensatoren erlangt.
  • Im Bauwesen wird es für Armaturen, Fittinge und Rohrleitungen verwendet; in der Lüftungs- und Klimatechnik bei korrosionsbegünstigenden Bedingungen und bei der Förderung korrosiver Gase, meist in Form von PP-S (S = schwerentflammbar).
  • Kamine von Brennwertkesseln können aus PP-Rohren gebaut werden.
  • In der Textilindustrie wird es als Kammgarn im Polycolon verwendet. PP-Fasern werden u. a. zu Heimtextilien, Teppichen, Sporttextilien, Verpackungsmaterialien, Hygieneprodukten, medizinischen Produkten, Seilen, Geotextilien sowie Autoteilen weiter verarbeitet.
  • In der Lebensmittelindustrie, im Haushalt und in der Verpackungstechnik finden viele Produkte ihren Einsatz: Becher (für Milchprodukte), Flaschenverschlüsse, Innenteile für Geschirrspülmaschinen, für kochfeste Folien, wiederverwendbare Behälter, Thermotransportboxen bzw. Warmhaltebehälter (EPP), Verpackungsteile, Trinkhalme, Klebefolie, …
  • In feuchten Regionen wird es auch für Kunststoffgeldscheine wie den Australischen Dollar und den Neuseeland-Dollar verwendet.
  • Im Flugmodellbau wird EPP zur Herstellung von sehr widerstandsfähigen, anfängerfreundlichen Modellflugzeugen verwendet, die einen Absturz deutlich besser verkraften als klassische Balsaholz-Modellflugzeuge.
  • In der Orthopädietechnik wird PP als ein mehrgebräuchlicher gut zu verarbeitender Werkstoff angewandt.
  • Aus iPP können sehr haltbare Fasern zum Verspinnen gezogen werden.
  • In der allgemeinmedizinischen Chirurgie werden bei älteren Patienten und Rezidiven (Wiederauftreten), Netze aus Polypropylen für den Verschluss von Hernien, z. B. bei Leistenbrüchen, verwendet, um die Bauchdecke zu stärken und ein Rezidiv des Leistenbruchs zu verhindern.
  • Auch im Bootsbau findet Polypropylen Verwendung, vor allem bei kleinen Segeljollen wie dem Topper.

Siehe auch

Weblinks

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 W. Martienssen, Hans Warlimont: Springer handbook of condensed matter and materials data, Springer, 2005, ISBN 3-540-44376-2, auf google.books.de.
  2. Marktstudie Polypropylen von Ceresana Research.
  3. Polymer Pioneers S. 76.
  4. http://www.signal-processing.com/tech/us_data_plastic_frame.htm.
  5. J. Kahovec, R. B. Fox, K. Hatada: Nomenclature of regular single-strand organic polymers (IUPAC Recommendations 2002). In: Pure Appl. Chem., 2002, Vol. 74, No. 11.2, S. 1955 doi:10.1351/pac200274101921 Abstract..
  6. Marktstudie Propylen von Ceresana Research, Januar 2011.
  7. Website des EPP-forum.
  8. Webseite des Fachverbands Schaumkunststoffe und Polyurethane e.V..
  9. Werverpacktwas - Lexikon.
  10. London Metal Exchange: LME Plastics Market Data: May 2005 - May 2007.