Kunststoffe und Wasser

Kunststoffe, die zur Stoffklasse der Polymere gehören, bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen, die durch Polymerisation von Monomeren hergestellt werden. Der Alltag moderner Gesellschaften ist ohne Kunststoffe nicht mehr ökologisch und ökonomisch denkbar. In 2012 wurden 288 Millionen Tonnen Polymere künstlich hergestellt mit weiter steigender Tendenz. [1]  Kunststoffe werden in allen Bereichen der Technik genutzt, in der Landwirtschaft, Bauindustrie, Farbenindustrie im Auto-, Flugzeug-, Bahn- und Schiffsbau, Energiewirtschaft, Verpackungsindustrie, Kosmetika, Umwelttechnik, Medizin, Pharmazie um nur einige wichtige Bereiche zu nennen. [2]  Besonders interessant ist die Frage nach der Beziehung zwischen Kunststoffen und Wasser. Einerseits ist für alle technische Anwendungen von Polymeren essentiell, dass Polymere absolut wasserstabil sind – man denke dabei nur z. B. an ein Bergsteiger-Kunststoffseil – andererseits ist für andere Anwendungen gerade die Wasserlöslichkeit von Kunststoffen notwendig. Ein sehr schönes Beispiel sind sogenannte Superabsorber, die aus chemisch vernetzten wasserlöslichen Polymeren bestehen und bei Kontakt mit Wasser große Mengen ihres Eigengewichtes an Wasser aufnehmen können, was zu einer Volumenexpansion führt. Dies wird auch als Quellung bezeichnet. Derartige Systeme gehören zu der Substanzklasse der Hydrogele, die als Superabsorber Einsatz z. B. in Babywindeln finden.

Ein ganz anderer Aspekt betrifft die Formulierung von Kunststofflösungen, die z. B. für die Farbindustrie und Kunststoffindustrie essentiell sind. Wässrige Lösungen wasserlöslicher Kunststoffe, z. B. Poly(vinylalkohol), Polyacrylamid und Polyethylenoxid, verhalten sich prinzipiell ganz ähnlich wie Lösungen von nichtwasserlöslichen Kunststoffen, z. B. Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyamid66. Mit steigender Konzentration wird ein deutlicher Anstieg der Viskosität beobachtet, was bei Verarbeitung, z. B. Streichen mit Pinseln oder Lackieren mit Sprühpistolen, zu erheblichen Problemen führen kann. Weiterhin wird zur Erhöhung der Wasserstabilität wasserlöslicher Polymere mit der chemischen oder physikalischen Vernetzung ein weiterer Prozessschritt benötigt. Einen eleganten Ausweg stellen hier Dispersionen nichtwasserlöslicher Polymere dar, die entweder direkt während der Polymerisation (primäre Dispersionen) oder durch postsynthetische Dispersion in Wasser erhalten werden. In beiden Fällen können mit derartigen Dispersionen oft sehr hohe Festgehalte an Kunststoffen in Wasser realisiert werden, die so mit Lösungen nicht sinnvoll wären. In Dispersionen sind die Kunststoffe in Form feiner Partikel (meistens < 0.5 µm) in Wasser verteilt. Zudem ist die Additivierung derartiger Dispersionen relativ einfach. Die Verarbeitung solcher wässriger Kunststoffsysteme ist wesentlich sicherer und ökologisch weit weniger belastend als die Verarbeitung von Kunststofflösungen aus organischen Lösungsmitteln. Primäre Dispersionen werden durch Emulsionspolymerisationen erhalten, die immerhin mit mehr als 10 Millionen Tonnen (Trockenmasse) pro Jahr technisch durchgeführt wird. Bei Emulsionspolymerisation werden ganz ähnlich wie bei der Suspensionspolymerisation nur wenig in wasserlösliche Monomere (z. B. Styrol, Acrylate, Diene) in Wasser dispergiert (oft mit Hilfe von Tensiden und Antikoagulationsmitteln) und anschließend mittels wasserlöslicher Initiatoren radikalisch polymerisiert. [3]  Dabei werden im Gegensatz zur Suspensionspolymerisation, bei der monomerlösliche Initiatoren verwendet werden, sehr fein dispergierte Kunststoffpartikel erhalten. Ein weiterer technischer Vorteil von Suspensions- und Emulsionspolymerisationen in Wasser gegenüber herkömmlichen Schmelze- oder Lösungspolymerisationen ist die nahezu ideale Wärmeabführung der meistens stark exothermen Polymerisationsreaktionen.

Einem neuem Trend der aktuellen Forschung folgend werden Kunststoffe untersucht, die sowohl wasserlöslich als auch wasserunlöslich sein können. [4]  Die Wasserlöslichkeit dieser Kunststoffe, die auch als responsive Polymere bezeichnet werden, wird durch externe Parameter, z. B. Temperatur, pH-Wert oder Kunststoffkonzentration bestimmt. Mit einer derart kontrollierbaren Wasserlöslichkeit von Polymeren sind vollkommen neue Anwendungen denkbar in Medizin, z. B. in der Ablösung von Zellen von Oberflächen, in der Pharmazie, z. B. in der kontrollierten Medikamentenfreisetzung, und in der gezielten Einstellung superhydrophober Oberflächen.

Die großen Mengen nutzbringender Kunststoffe bedingen auch Fragen nach der Ressourcenbelastung durch Kunststoffe, der Abfallentsorgung von Kunststoffen und der Umweltbelastung durch Kunststoffe. Gerade die im Zusammenhang mit Kunststoffen ausgelösten Umweltbelastungen durch Wasserverunreinigungen sind derzeit im Fokus der öffentlichen Diskussion. Es geht dabei konkret weniger um wasserlösliche Kunststoffe, sondern vielmehr um wasserunlösliche Kunststoffe, die in Form von sogenanntem Mikroplastikpartikeln in wässrigen Systemen vorliegen. [5]  Diese Mikroplastikpartikel werden entweder als sogenannte primäre Mikropartikel in Wasser eingetragen oder als sekundäre Mikropartikel in Wasser durch Erosion größerer Plastikpartikel erzeugt. Vollkommen unbekannt ist, inwieweit Mikropartikel die Flora und Fauna wässriger Systeme negativ beeinflussen. Offensichtlich sind aber Strände, die von großen und kleinen Kunststoffpartikeln übersäht sind, und verendete Seevögel, in deren Mägen sich große Mengen von Kunststoffabfälle befinden. Die Diskussion zu den Ursachen und den Folgen im Zusammenhang mit Kunststoffabfällen und Wasser wird zum Teil sehr emotional geführt. Es ist unerlässlich, dass sich diesem wichtigen Themenkomplex Experten aus allen betroffenen Bereichen inklusive der Experten für Wasser und Kunststoffe, der Thematik annehmen und zur Versachlichung der Diskussion und dem Erarbeiten möglicher Gegenmaßnahmen beitragen. In dem Spannungsfeld dieser Diskussion bieten sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Analysenmethoden, für die Einsicht in das Verhalten von Kunststoffen in der Umwelt und gar für die Entwicklung neuer Kunststoffe und Anwendungen. Eines ist klar: Die Verweigerung von Kunststoffen kann nicht die Lösung zukünftiger gesellschaftlicher Probleme darstellen, sondern führt in eine technische Sackgasse, die wir uns zum Wohle zukünftiger Generationen nicht leisten können.

Literatur

[1] Plastic – the facts 2013, PlasticEurope 2013

(http://www.plasticseurope.de).

[2] Makromoleküle, Industrielle Polymere und Synthese, H.-G. Elias, Wiley 2001.

[3] Polymere, S. Klotzenburg, M. Maskos, O. Nuyken, Springer 2013.

[4] M. Urban, Handbook of Stimuli-Responsive Materials, Wiley 2011.

[5] H. Imhof, N. P. Ivleva, J. Schmid, R. Niessner, C. Laforsch, Current Biology 2013, 23, R867-R868.