Polypropylen

Polypropylen (Kurzzeichen PP) ist ein durch Kettenpolymerisation von Propen hergestellter thermoplastischer Kunststoff. Es gehört zur Gruppe der Polyolefine und ist teilkristallin und unpolar. Seine Eigenschaften ähneln Polyethylen, es ist jedoch etwas härter und wärmebeständiger. Polypropylen ist der am zweithäufigsten verwendete Standardkunststoff und wird für Verpackungen und Diverses verwendet.<ref name="plasticseurope.org">Plastics the Facts 2014/2015 auf plasticseurope.org. Abgerufen am 10. Juni 2015. </ref>

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.<ref>Polymer Pioneers S. 76.</ref> Natta, der Polypropylen zuerst zum Patent anmeldete, begann 1957 die großtechnische Synthese in der italienischen Firma Montecatini.

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 €).<ref>Marktstudie Polypropylen von Ceresana Research.</ref> Heute ist Polypropylen nach Polyethylen der (nach Umsatz) weltweit zweitwichtigste (Standard-) Kunststoff.

Herstellung

PP wird durch Polymerisation von Propen hergestellt. Für die Produktion von PP werden ungefähr zwei Drittel des weltweit hergestellten Propens verbraucht.<ref>Marktstudie Propylen von Ceresana Research, Januar 2011.</ref>

Eigenschaften

Die Eigenschaften von Polypropylen sind abhängig von dem Molekulargewicht und der Molekulargewichtsverteilung, der Kristallinität, Typ und Anteil des Comonomers (wenn verwendet) und der Isotaktizität.<ref name="Practical Guide"> D. Tripathi: Practical Guide to Polypropylene. Smithers Rapra Press, Shawbury, U.K 2002, ISBN 1859572820, S. 19 - 24 (- 24#v=onepage eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).</ref>^:24

Polypropylen ähnelt in viele Eigenschaften Polyethylen, speziell im Lösungsverhalten und den elektrischen Eigenschaften. Die zusätzlich vorhandene Methylgruppe verbessert die mechanischen Eigenschaften und die thermische Beständigkeit, während die chemische Beständigkeit durch sie sinkt.<ref name="Practical Guide" />^:19

Mechanische Eigenschaften

Die Dichte von PP liegt zwischen 0,895 und 0,92 g/cm³. Damit ist PP der Standardkunstoff mit der geringsten Dichte, wie auch aus der oben stehenden Tabelle zu erkennen ist. Bei einer geringeren Dichte können Formteile mit einem geringeren Gewicht und aus einer bestimmten Masse an Kunststoff mehr Teile hergestellt werden. Anders als bei Polyethylen unterscheiden sich kristalline und amorphe Bereiche nur wenig in ihrer Dichte. Jedoch kann sich die Dichte von Polyethylen durch Füllstoffe deutlich ändern.<ref>D. Tripathi: Practical Guide to Polypropylene, Seite 24</ref>

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

Thermische Eigenschaften

Die Schmelz- und Dauergebrauchstemperatur von Polypropylen sind höher als die von Polyethylen, ebenso wie zahlreiche mechanische Eigenschaften (Steifigkeit, Härte und Festigkeit). Polypropylen lässt sich dauerhaft zwischen 0 und 100 °C verwenden. Unterhalb von 0 °C wird es spröde.<ref name="Kaiser"> Wolfgang Kaiser: Kunststoffchemie für Ingenieure: Von der Synthese bis zur Anwendung. 2. Auflage. Carl Hanser, 2006, ISBN 978-3-446-43047-1, S. 228 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).</ref>^:247

Die Wärmedehnung von Polypropylen ist sehr groß, jedoch etwas geringer als die von Polyethylen.<ref name="Kaiser" />

Chemische Eigenschaften

Polypropylen ist bei Raumtemperatur gegen Fette und fast alle organischen Lösungsmittel beständig, abgesehen von starken Oxidationsmitteln. Nichtoxidierende Säuren und Laugen können in Behältern aus PP gelagert werden. Bei erhöhter Temperatur lässt sich PP in wenig polaren Lösungsmitteln (z. B. Xylol, Tetralin und Decalin) lösen.

Durch das tertiäre Kohlenstoffatom ist PP weniger beständig als PE (vlg. Markownikow-Regel) gegenüber chemische Reaktionen (starken Oxidationsmitteln, etc.).<ref name="Koltzenburg" />

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

Sonstiges

Die Schallgeschwindigkeit beträgt 2650–2740 m/s longitudinal und 1300 m/s transversal.<ref name="mart" /><ref>Datentabelle für Kunststoffe.</ref>

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.

Molekularer Aufbau

Taktizität

Taktizität beschreibt bei Polypropylen, inwieweit die Methylgruppe in der Polymerkette gleichmäßig ausgerichtet (angeordnet) ist. Kommerzielles Polypropylen ist in der Regel isotaktisch. In diesem Artikel ist daher stets von isotaktischem Polypropylen die Rede, sofern es nicht anderslautend erwähnt wird.

Die Taktizität wird meist mit Hilfe des Isotaxie-Index (nach DIN 16774) in Prozent angegeben. Der Index wird durch die Bestimmung des unlöslichen Anteils in siedendem Heptan ermittelt. Kommerziell verfügbare Polypropylene besitzen meist einen Isotaxie-Index zwischen 85 und 95 %. Je größer die Isotaxie, desto größer ist die Kristallinität und dadurch auch Erweichungspunkt, Steifigkeit, E-Modul und Härte.<ref name="Practical Guide" />^:22

Die Taktizität hat Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften. Der isotaktische Aufbau 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, wie z. B. auch bei Stärke. Die ataktische Variante des PP ist hingegen völlig amorph.

Kristallstruktur des Polypropylen

Isotaktisches Polypropylen besitzt einen hohen Kristallinitätsgrad, bei industriellen Produkten beträgt er 30 - 60 %. Syndiothaktisches Polypropylen ist etwas weniger kristallin, ataktisches PP ist amorph (nicht kristallin).<ref name="Domininghaus"> Peter Elsner, Peter Eyerer, Thomas Hirth (Hrsg.): Domininghaus – Kunststoffe: Eigenschaften und Anwendungen. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-16173-5, S. 251 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).</ref>^:251

Isotaktisches Polypropylen (iPP)

Isotaktisches Polypropylen kann in verschiedenen kristallinen Modifikationen vorliegen, in denen die molekularen Ketten unterschiedlich angeordnet sind. Je nach Bedingung treten die α-, β- und γ-Modifikation sowie mesomorphe (smektische) Formen auf.<ref>Turner-Jones A, Aizlewood JM, Becket DR: Crystalline forms of isotactic polypropylene. In: Macromol. Chem.. 75, Nr. 1, 1964, S. 134–158. doi:10.1002/macp.1964.020750113.</ref> Die α-Form ist bei iPP die vorherrschende Modifikation. Die Kristalle bilden sich aus Lamellen in Form gefalteter Ketten. Eine Besonderheit dabei ist, dass sich verschiedene Lamellen in der sogenannten „cross-hatched“-Struktur anordnen.<ref>Fischer G (1988) Deformations- und Versagensmechanismen von isotaktischem Polypropylen (i-PP) oberhalb der Glasübergangstemperatur. Dissertation, Universität Stuttgart</ref> Der Schmelzpunkt von α-kristallinen Bereichen wird mit 185<ref name="melting behavior">Samuels RJ: Quantitative structural characterization of the melting behavior of isotactic polypropylene. In: J. Polym. Sci., Polym. Phys. Ed.. 13, Nr. 7, 1975, S. 1417–1446. doi:10.1002/pol.1975.180130713.</ref><ref>Yadav YS, Jain PC (1986) Melting behaviour of isotactic polypropylene isothermally crystallized from the melt. Polymer 27(5): 721–727</ref> bis 220 °C<ref name="melting behavior" /><ref>Cox WW, Duswalt AA (1967) Morphological transformations of polypropylene related to its melting and recrystallization behavior. Polym. Eng. Sci. 7: 309–316</ref> angegeben, die Dichte mit 0,936 bis 0,946 g·cm⁻³<ref>D.C. Bassett, R.H. OlleyOn the lamellar morphology of isotactic polypropylene spherulites. In: Polymer. 25, Nr. 7, July 1984, S. 935–943. doi:10.1016/0032-3861(84)90076-4.</ref><ref>G. Natta, P. CorradiniGeneral considerations on the structure of crystalline polyhydrocarbons. In: Il Nuovo Cimento. 15, Nr. S1, February 1960, S. 9–39. doi:10.1007/BF02731858.</ref><ref>Physical Constants of Poly(propylene). . doi:10.1002/0471532053.bra025.Fehler bei Vorlage * Pflichtparameter fehlt (Vorlage:Cite journal): journal</ref>. Die β-Modifikation ist im Vergleich etwas ungeordneter, wodurch sie sich schneller bildet<ref name=":2">Guan-yi Shi, Xiao-dong Zhang, You-hong Cao, Jie HongMelting behavior and crystalline order of β-crystalline phase poly(propylene). In: Die Makromolekulare Chemie. 194, Nr. 1, January 1993, S. 269–277. doi:10.1002/macp.1993.021940123.</ref><ref>Mario Farina, Giuseppe Di Silvestro, Alberto TerragniA stereochemical and statistical analysis of metallocene-promoted polymerization. In: Macromolecular Chemistry and Physics. 196, Nr. 1, January 1995, S. 353–367. doi:10.1002/macp.1995.021960125.</ref> und mit 170 bis 200 °C<ref name="melting behavior" /><ref name=":1">J. Varga: Supermolecular structure of isotactic polypropylene. In: Journal of Materials Science. 27, Nr. 10, S. 2557-2579. doi:10.1007/BF00540671.</ref><ref>Andrew J. Lovinger, Jaime O. Chua andCarl C. Gryte: Studies on the α and β forms of isotactic polypropylene by crystallization in a temperature gradient. In: . J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed.. 15, Nr. 4, 1977, S. 641–656. doi:10.1002/pol.1977.180150405.</ref> einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt<ref>W. W. Cox, A. A. DuswaltMorphological transformations of polypropylene related to its melting and recrystallization behavior. In: Polymer Engineering and Science. 7, Nr. 4, October 1967, S. 309–316. doi:10.1002/pen.760070412.</ref><ref name=":1" /> Die Bildung der β-Modifikation kann durch Nukleierungsmittel, geeignete Temperaturen und Scherbeanspruchung gefördert werden.<ref name=":2" /><ref>F.L. Binsbergen, B.G.M. de LangeMorphology of polypropylene crystallized from the melt. In: Polymer. 9, January 1968, S. 23–40. doi:10.1016/0032-3861(68)90006-2.</ref> Die γ-Modifikation tritt unter industriellen Bedingungen kaum auf und ist wenig erforscht. Die mesomorphe Modifikation hingegen tritt bei der industriellen Verarbeitung häufig zutage, da der Kunststoff meist schnell abgekühlt wird. Der Ordnungsgrad der mesomorphen Phase liegt zwischen dem kristallinen und dem amorphen, die Dichte ist mit 0,916 g·cm⁻³ vergleichsweise gering. Die mesomorphe Phase wird als Grund für Transparenz bei rasch abgekühlten Filmen gesehen (durch geringe Ordnung und kleine Kristallite).

Syndiotaktisches Polypropylen (sPP)

Syndiotaktisches Polypropylen ist deutlich jüngeren Ursprungs als isotaktisches PP, es konnte erst mithilfe von Metallocen-Katalysatoren hergestellt werden. Syndiotaktisches PP schmilzt leichter, je nach Taktizitätsgrad wird 161 bis 186 °C genannt.<ref name=":0">Galambos A et al.: Structure and Morphology of Highly Stereoregular Syndiotactic Polypropylene Produced by Homogeneous Catalysts. In: Catalysis in Polymer Synthesis. 45–46, 1991. doi:10.1021/bk-1992-0496.ch008.</ref><ref>Jonahira Rodriguez-Arnold, Anqiu Zhang, Stephen Z.D Cheng: Crystallisation, melting and morphology of syndiotactic polypropylene fractions: I. Thermodynamic properties, overall crystallisation and melting. In: Polymer. 35, Nr. 9, 1994, S. 1884–1895. doi:10.1016/0032-3861(94)90978-4.</ref> Unter isothermen Bedingungen bildet sPP radial angeordnete Lamellen.<ref name=":0" />

Ataktisches Polypropylen (aPP)

Ataktisches Polypropylen ist amorph und besitzt daher keine Kristallstruktur. Durch seine fehlende Kristallinität ist es selbst bei gemäßigter Temperatur leicht löslich, wodurch es als Nebenprodukt aus isotaktischem Polypropylen herausgelöst werden kann. Das auf diese Weise abgetrennte aPP ist jedoch nicht vollständig amorph, sondern kann bis zu 15 % kristalline Anteile besitzen. In jüngerer Zeit kann ataktisches Polypropylen auch gezielt mithilfe von Metallocen-Katalysatoren hergestellt werden.

Verarbeitung

Der Weltmarktpreis für unverarbeitetes Polypropylen lag 2006 bei knapp 1 €/kg.<ref>London Metal Exchange: LME Plastics Market Data: May 2005 - May 2007.</ref>

PP eignet sich zum Spritzgießen, Extrudieren, Blasformen, Warmumformen, Schweißen, Tiefziehen, für die spanende Verarbeitung. Außerdem kann aus ihm Schaumstoff hergestellt werden. Wegen seiner geringen Oberflächenenergie lässt sich Polypropylen nur schlecht kleben oder bedrucken.

Etwa 5 Mio. t jährlich werden zu Fasern gezogen. Daraus werden Garne, Vliese und Gewebe hergestellt.

Typen

Polypropylen-Schaum (EPP)

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.

Ungereckte Polypropylen-Folie (CPP oder UPP)

Cast Polypropylen (Kurzzeichen CPP, auch als UPP-Folie oder ungerecktes Polypropylen bekannt) ist ein vielseitig einsetzbares Verpackungsmaterial.<ref>Werverpacktwas - Lexikon.</ref>

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 Abriebfestigkeit aus. Diese Eigenschaften machen CPP, neben OPP (Oriented Polypropylene) zu dem meisteingesetzten Polymer in der Verpackungsindustrie. Hauptsächliche Einsatzgebiete sind die Verpackung von Lebensmitteln, Textilien oder medizinischen Artikeln und als Laminierungsschicht in Mehrschichtfolien.

Gereckte Polypropylen-Folie (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.

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.

Anwendungsbeispiele

Die oben erwähnten besonderen Eigenschaften von PP und EPP erlauben einen sehr breiten Einsatz dieses Kunststoffs. PP verdrängt zunehmend technische Thermoplaste (= teurere Kunststoffe) wie ABS und PA.<ref name="Koltzenburg">Koltzenburg: Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen, S. 407 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).</ref>

• 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).
• Im Betonbau (Stahl-/Spannbeton) können dem Beton Polypropylenfasern zugesetzt werden, um Anforderungen des Brandschutzes zu erfüllen. Durch die geschmolzenen/verbrannten Fasern wird Porenraum frei, der zur Ausdehnung des Wasserdampfes bzw. dessen Entweichen dient.<ref>PP-Faserbeton für erhöhte Brandbeständigkeit</ref>
• In der Textilindustrie wird es als Kammgarn im Polycolon verwendet. PP-Fasern werden u. a. zu Heimtextilien, Teppichen, Sporttextilien, Verpackungsmaterialien, Hygieneprodukten, medizinischen Produkten, schwimmfähigen Seilen, Geotextilien 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 PP 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 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.

Weblinks

• MATERIAL ARCHIV: Polypropylen - Umfangreiche Materialinformationen und Bilder

Einzelnachweise

<references />