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    Von Styrol, über Polystyrol bis hin zur Herstellung von Styropor®

    Styrol, Polystyrol und Styropor®

    Polystyrol ist ein Kunststoff, der in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz kommt: sei es in Joghurtbechern, Verpackungsmaterialien, Spielzeugbausteinen oder zu Isolierzwecken im Gebäudebau. Die wohl bekannteste Verwendung ist aber geschäumtes Polystyrol, auch bekannt als Styropor®. Wir haben uns diesen besonderen Kunststoff mal etwas genauer angesehen und beantworten in diesem Artikel Fragen zur Herstellung, den Eigenschaften, der Verwendung und dem Recycling von Polystyrol.

    Was ist Polystyrol?

    Neben den häufigsten Polymeren oder Kunststoffen dieser Welt (Polyethylen, Polypropylen) nimmt Polystyrol eine ganz besondere Stellung ein. Das fängt bereits mit dem Ausgangsmaterial an. Stryrol – eigentlich Styren, auch veraltet Vinylbenzol genannt – ist ein aromatisches Molekül ähnlich wie Toluol oder Benzol. Es hat einen intensiven, blumig-beißenden Geruch. An den ringförmigen Grundkörper befindet sich eine kurze Seitenkette aus zwei Kohlenstoffatomen. Diese bildet eine Doppelbindung, man sagt auch dazu, sie ist ungesättigt. An dieser Seitenkette kann das Molekül reagieren. Im Fall von Polystyrol also in einer Polymerisation. Das heißt, dass tausende von Styrolmolekülen entlang dieser Seitenkette miteinander verknüpft werden. Dabei entsteht ein harter, brüchiger und glasklarer Kunststoff. Wird er aufgeschäumt, so bildet er die bekannte Masse für Dämmung und Verpackungen.

     

    Woher kommt Styrol? Wie wird es hergestellt?

    In geringen Mengen kommt Styrol in Erdöl, Benzin und Produkten vor, die aus einer Cracker genannten Raffinerietechnik stammen. Diese Mengen allein reichen nicht, um den Weltbedarf zu decken.

    Daher wird Styrol synthetisch aus Ethylbenzol hergestellt. Das Ethylbenzol wird über einen Katalysator zusammen mit einer sehr großen Menge Wasserdampf geleitet. Dadurch wird das Molekül zu Styrol dehydriert. Der so gewonnene Wasserstoff kann anderweitig in der Raffinerie eingesetzt werden. In geringerem Maße kann man Ethylbenzol auch zuerst oxidieren und mit Propen zur Reaktion bringen. Das dabei entstehende Propylenoxid ist eine sehr wertvolle Grundchemikalie. Dieses Verfahren wird jedoch nur da angewandt, wo das Propylenoxid direkt verwertet werden kann. Es ist sehr reaktiv und lässt sich nur bedingt lagern und transportieren. 

    Styrol polymerisiert bereitwillig von alleine. Bereits bei erhöhter Temperatur oder durch Sonnenlicht (UV) fängt es an, kurze Polymerketten zu bilden. Die Flüssigkeit wird viskoser. Industriell hilft man dem Verhalten nach und benutzt verschiedene Katalysatoren, um die Reaktion zu beschleunigen.

     

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    Was ist Polystyrol für ein Material?

    Polystyrol ist farblos, hart und sieht aus wie Glas. Es bricht und splittert ebenso leicht. Getränkebecher in Flugzeugen werden heute immer gerne noch aus massiven Polystyrol hergestellt. In vielen anderen Fällen wurde es aber durch Polypropylen oder Papier ersetzt. Bricht es, so kann man für kurze Zeit den Geruch des Monomers, Styrol, wahrnehmen.

    Der Kunststoff brennt sehr leicht und mit stark rußender Flamme. Dabei ist der Geruch nach Styrol eindeutig. Es tropft und fließt dabei und kann Brände beschleunigen. Geschäumtes Polystyrol, das in Gebäuden verbaut wird, ist daher immer mit einem Flammschutzmittel ausgestattet. 

     

    Wie wird Polystyrol recycelt?

    Schon beim Zerbrechen oder verbrennen von Polystyrol kann man den typischen Styrolgeruch wahrnehmen. So leicht das Molekül polymerisiert, so depolymerisiert es bei hoher Temperatur und Abwesenheit von Sauerstoff wieder. Da Polystyrol relativ einfach von anderen Kunststoffen zu trennen ist und das Monomer durch Destillation von Farbstoffen, Additiven und Füllstoffen trennbar ist, ist eine materielle Wiederverwertung in vielen Fällen einfacher als von Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP).  

     

    Für was wird Polystyrol verwendet?

    Polystyrol wurde früher sehr viel häufiger für Gebrauchsgegenstände eingesetzt als heute, vor allem als Glasersatz. Es bricht und splittert jedoch leicht, die Oberfläche wird mit der Zeit gelblich und reißt ein.

    Auch heute wird es noch ab und zu für Getränkebecher, Paletten für getopfte Blumen, CD-Hüllen, Obst- und Gemüseschalen, Joghurtbecher und ähnliches verwendet. Meist wird es jedoch schon durch Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder PET ersetzt.

    Styrol wird auch als Co-Monomer in Kunststoffen wie Styrol-Acrylnitril (SAN) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) eingesetzt. Gerade ABS erfreut sich großer aktueller Beliebtheit. Es ist ein Kunststoff, der schlagstabil, zäh und hochglänzend ist. Bekannteste Anwendungen sind Spielzeugbausteine oder hochwertige Inneneinrichtungen (Möbel, Fernseher, Küchengeräte).

    Die bekannteste Verwendung ist aber geschäumtes Polystyrol. Der Markenname Styropor® ist geradezu synonym dafür und wurde 1951 von der BASF mit ihrer Erfindung des expandierten Polystyrols (EPS) eingeführt. Heute steht der Name Styropor® für hohe Qualitätsstandards, denen Hersteller entsprechen müssen, um ihr Material so benennen zu dürfen.

     

    Was ist expandiertes Polystyrol (EPS)?

    Jeder kennt die massiven, aber sehr leichten Materialien (so wenig wie 15 kg pro 1000 Liter Volumen), die aus etwa gleich großen, zusammenklebenden Schaumkügelchen bestehen. Wie wird so etwas hergestellt?

    In einem Reaktor werden Wasser und flüssiges Styrol durch ein Rührwerk in gleichmäßige Tropfen zerschlagen. Dem Wasser wurde dabei ein Tensid, also eine Art Spülmittel zugegeben, um die Tröpfchen stabil zu halten. Das Styrol wurde vorher mit einem Katalysator und einem Treibmittel versetzt. Früher hat man gerne fluorierte oder chlorierte Treibmittel verwendet, heute sind es fast ausschließlich Pentane. Meist verwendet man iso-Pentan, n-Pentan oder eine Mischung von beiden.

    Während das Styrol polymerisiert, wird Wärme frei. Diese kann durch das Wasser gut aufgenommen werden. Sonst würden die Tropfen miteinander verkleben. Nachdem das Styrol vollständig polymerisiert und erkaltet ist, werden die Kügelchen gewaschen, getrocknet und nach Größe sortiert. Anschließend werden sie über Wasserdampf erwärmt und vorgeschäumt. Dabei wird das Polystyrol weich und das Pentan verdampft leicht, aber nicht vollständig.

    Die Lagerfähigkeit ist begrenzt, da auch bei Raumtemperatur ständig Pentan entweicht. Daher muss das Material schnell zu Ende verarbeitet werden. Diese vorgeschäumten Kügelchen werden beim Endanwender, zum Beispiel einem Dämmstoffhersteller in eine große beheizte Form gegeben. Die vorgeschäumten Kügelchen weichen stärker auf, die Oberfläche wird klebrig. Das Pentan verdampft vollständig und treibt das Material auf seine endgültige Größe auf. Der so geschäumte Block wird aus der Form entfernt, abkühlen gelassen und dann mithilfe eines heißen Drahtes in Platten geschnitten. Diese Platten werden zu Isolierzwecken auf Hauswänden angebracht. 

     

    Was ist extrudiertes Polystyrol (XPS)?

    Die bekannteste Form von XPS sind Styroporflocken, die für Verpackungszwecke hergestellt werden. Dieser Trend ist aber rückläufig, die eigentliche Verwendung von XPS sind Isolierplatten, so genannte Paneele oder Boards, für den Gebäudebau. Sie sind auf der Oberfläche beschichtet oder kaschiert. Je nach Hersteller sind sie nicht weiß oder grau wie EPS, sondern gefärbt.

    Styrol kann nicht nur in Wasser zu Kügelchen, sondern auch direkt polymerisiert werden. Dabei entsteht ein Granulat, das für XPS in einen Extruder geladen und hier mit Additiven und Farbstoffen aufgeschmolzen und vermischt wird. Eine Schnecke im Inneren sorgt für eine gleichmäßige Erwärmung und Durchmischung. Sie fördert das Material zur Düse. Vor der Düse, noch im Inneren der Maschine, wird das flüssige, hochviskose Gemisch mit Pentan vermischt. Das kann n-Pentan, iso-Pentan oder ein Gemisch von beidem sein. Bei der herrschenden Temperatur müsste das Pentan eigentlich schon verdampfen, der hohe Druck sorgt aber dafür, dass es sich in der Polystyrolmatrix löst. Tritt das Gemisch nun aus der Düse aus, fällt der Druck rapide ab und das Polystyrol expandiert. Dabei kann es, je nach Düsenform, zu Flocken oder Endlosware geformt werden. Die Endlosware, auch Paneele oder Boards genannt, werden zu der geforderten Dicke aufgeschäumt, die Oberfläche ggf. bearbeitet und kaschiert und in die gewünschte Länge geschnitten. Solche Paneele werden sowohl für den Innenausbau als auch für die Isolierung von Fassaden verwendet.

    Moderne Ansprüche an den Immobilienbau kommen ohne Isolierungen nicht mehr aus. Dabei spielt Polystyrolschaum eine zentrale Rolle. Er ist günstig und sorgt für eine relativ dünne Isolierschicht (PU-Schaum ist noch dünner, z.B. Holzfaser oder Steinwolle sehr viel dicker). Dadurch können sowohl individuelle Ideen realisiert wie auch Bauvorschriften einfach umgesetzt werden.

     

    Fazit

    Polystyrol ist ein besonderer Kunststoff, der in vielen Gebrauchsgegenständen des täglichen Lebens eingesetzt wird. Die bekannteste Verwendung ist aber geschäumtes Polystyrol, allgemein bekannt unter dem Handelsnamen Styropor. Das leichte Material eignet sich besonders als Dämmstoff, zur Wärmedämmung sowie als Verpackungsmaterial. Zur Herstellung der Produkte werden Pentane als Treibmittel eingesetzt. 

     

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    Themen: Pentane, Dämmstoffindustrie

    Autor: Dr. Henning Böckemeier

    Autor: Dr. Henning Böckemeier

    Dr. Henning Böckemeier ist technischer Ansprechpartner für die Bereiche Performance Solvents, Mitteldestillate und Erneuerbare Produkte bei Haltermann Carless. Als Manager Technical Services & Development hält er die verbindende Position zwischen Vertrieb, Marketing und Labor. Sein Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von neuen Produkten und nachhaltigen Kohlenwasserstoffen sowie der Evaluierung von neuen Rohmaterialien. T +49 40 333 18 111 E-Mail hboeckemeier@h-c-s-group.com

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