Over kunststoffen

Wat zijn kunststoffen precies? Wat zijn de verschillen tussen de groepen?

Wat zijn kunststoffen?

Het is moeilijk om een korte en toch exacte definitie van kunststoffen te geven. In het woord "kunst" is het kunstmatige te herkennen en het oorspronkelijk veel gebruikte woord plastics vertelt ons dat het materiaal plastisch, dus vormbaar is. Kunststoffen zijn synthetische, vormbare stoffen. Ze hebben ook gemeen dat zij opgebouwd zijn uit lange ketenen van moleculen, de zg. "makromoleculen" en dat zij praktisch allemaal koolstof bevatten. Zij zijn dus overwegend organisch. Samengevat kunnen wij zeggen dat kunststoffen:

  • geheel of gedeeltelijk langs kunstmatige weg verkregen zijn; 
  • de basismaterialen voor de synthese zijn uit de natuur afkomstig, bijv. aardolie, aardgas, water, enz.;
  • bestaan uit makromoleculen;
  • van organische aard zijn, dus koolstof bevatten (siliconen vormen daarop een uitzondering);
  • vormbaar zijn; de vorming of vervorming vindt plaats onder de invloed van druk en warmte;
  • tijdens ontstaan of verwerking vloeibaar zijn.

Twee hoofdgroepen

De kunststoffen zijn onderverdeeld in twee hoofdgroepen:

Thermoplasten
Dit zijn kunststoffen, die (onder de invloed van druk en warmte) theoretisch onbeperkt van vorm veranderd kunnen worden. Voorbeelden: PVC, polyetheen, acrylaat, nylon.

Thermoharders
Dit zijn kunststoffen waarbij de vormbaarheid éénmalig is. Als men ze (ook weer onder de invloed van druk en warmte) een bepaalde vorm heeft gegeven, kan deze, ook al verhit men opnieuw, niet veranderen. Voorbeelden: Hardweefsel en HPL. De oorzaak van dit verschil in gedrag komt door het verschil in de structuur. Alle kunststoffen bestaan uit ketenvormige grote moleculen, de zg. makromoleculen. Bij thermoplasten kennen wij twee structuurvormen, nl. de amorfe en de kristallijne.

Structuur
Bij de amorfe structuur liggen de moleculen kriskras door elkaar heen en kunnen zich bij verwarming gemakkelijk bewegen. Bij de kristallijne structuur liggen de meeste molecuulketens evenwijdig aan elkaar. Bij thermoharders liggen de makromoleculen ook kriskras door elkaar heen, echter met dien verstande, dat op iedere kruising ervan een onderlinge verbinding bestaat. Deze structuur noemt men het driedimensionale netwerk.

Amorfe molecuulstructuur

Amorfe molecuulstructuur

Kristallijne molecuulstructuur

Kristallijne molecuulstructuur

Gedrag bij verwarming
Het gedrag van de verschillende kunststofsoorten verschilt naarmate de temperatuur hoger wordt. In het eerste traject behouden de drie structuren nagenoeg hun stijfheid. Dit wordt de glasfase genoemd. Wordt de temperatuur verhoogd dan blijft de thermoharder dezelfde lijn volgen, maar de beide thermoplastische structuren vertonen verweking. Deze rubberfase is bij kristallijne structuren aanzienlijk kleiner dan bij de amorfe. Een thermoplastische plaat kan in deze fase vervormd worden.

De vloei- of smeltfase wordt bereikt door de temperatuur nog verder te verhogen. De thermoplasten smelten en kunnen onder druk in een matrijs gebracht worden, zodat na afkoeling een product volgens de matrijsvorm is ontstaan. De thermoharder met zijn driedimensionale netwerk klapt pas aan het eind van de vloeifase ineen en gaat eigenlijk direct over in ontleding.

3D Structuur Thermoharder

Molecuulstructuur Thermoharders

Koelen we de amorfe en kristalline thermoplasten weer af tot de aanvangstemperatuur, dan zullen ze de fasen in omgekeerde volgorde doorlopen. Theoretisch kan men dit een oneindig aantal malen herhalen, zonder dat het materiaal te lijden heeft. In de praktijk is echter gebleken, dat er door stof en bijvoorbeeld vettigheid van de vormen een vervuiling plaatsvindt, die de kwaliteit van het materiaal sterk beïnvloedt. Wij merkten reeds op, dat het verschil in gedrag bij verwarming van de thermoplasten en de thermoharders ook voor de verwerking zeer belangrijk is. Thermoplastische kunststoffen zijn chemisch geheel klaar. We behoeven ze alleen maar te smelten en vervolgens de gewenste vorm te geven, waarop na afkoeling het voorwerp gereed is. De thermoharders worden geleverd als grondstof, in een toestand waarin ze chemisch gezien nog geen thermoharder zijn. Wanneer nu druk en warmte worden toegepast, dus als ze geperst worden in een warme matrijs, ontstaat een kort moment van smelten, waarna ze verharden en niet meer opnieuw smeltbaar zijn.

Polymerisatie

Het zal u opgevallen zijn, dat de chemische namen van de kunststoffen erg ingewikkeld lijken. Bij de thermoplasten komen wij vaak het woord "poly" tegen, gevolgd door één of meer andere woorden. Dit woord "poly" betekent "veel" en wordt gebruikt omdat de lange ketenachtige moleculen bestaan uit vele kleine moleculen, welke door een chemische reactie aan elkaar geregen zijn. Deze chemische reactie noemt men: polymerisatie. De naam achter "poly" geeft de grondstof aan waaruit de kunststof ontstaan is, bijvoorbeeld polystyreen. Styreen is namelijk de grondstof, welke gepolymeriseerd wordt en waaruit dan polystyreen ontstaat.

Co-polymeren

Soms laat men bepaalde kunststoffen tezamen polymeriseren. Er ontstaat dan een copolymeer. Co betekent: "samen". Zo'n copolymeer vormt dan een kunststof met een combinatie van eigenschappen. Men zou dit kunnen vergelijken met een metaallegering bijvoorbeeld messing (een mengsel van koper en zink). Zo kan men harde kunststoffen zachter en taaier maken door rubber mee te polymeriseren. Ook zijn eigenschappen en verwerkbaarheid te beïnvloeden door toevoegingen zoals weekmakers, stabilisatoren en pigmenten. Van groot belang is de toevoeging van een zg. UV-stabilisator waardoor de weerbestendigheid verbeterd wordt.