Als groep zijn de plastics gemakkelijk te onderscheiden op basis van hun lage gewicht en gladde uiterlijk. Maar er zijn zoveel soorten, die vaak veel op elkaar lijken. Dit artikel beschrijft in het kort wat plastics zijn, inclusief hun goede en minder goede eigenschappen.

Opbouw van materie vanuit de kleinste deeltjes

Alle materie om ons heen is opgebouwd uit zeer kleine deeltjes (zie Figuur 1). De natuurkunde beschrijft hoe alles is opgebouwd uit vele ‘elementaire deeltjes’: quarks, leptonen en bosonen. Maar de chemie zoals we die kennen in het dagelijks leven is opgebouwd uit slechts drie stabiele deeltjes: protonen en neutronen (beide opgebouwd uit quarks) en elektronen (een van de leptonen). Atomen bestaan uit een kern van protonen en neutronen met een schil van elektronen. Een element is gedefinieerd als de verzameling van atomen met een vast aantal protonen gecombineerd met een wisselend aantal neutronen. Het periodiek systeem van de elementen leert ons dat er 118 verschillende elementen zijn, waaronder bijvoorbeeld waterstof,  koolstof en zuurstof (met respectievelijk 1, 6 en 8 protonen in het atoom) . Elk element heeft zijn eigen specifieke eigenschappen, en elk element gedraagt zich anders in chemische reacties.

Figuur 1. De opbouw van stoffen uit de kleinste deeltjes

De LEGO-chemie van atomen

De elementen of atomen kun je zien als de kleinste LEGO-bouwsteentjes van de chemie. Ze zijn onzichtbaar vanwege hun minuscule afmetingen (ca. een tienmiljoenste deel van een millimeter). Ze kunnen op allerlei manieren aan elkaar ‘vastplakken’ (met elkaar ‘reageren’), waarbij ze onderling sterke, ‘chemische’ bindingen vormen. De belangrijkste bindingsvormen zijn:

• de metaalbinding, voor alle metalen, zoals ijzer, koper en silicium
• de polaire of ion-binding, voor minerale zouten zoals keukenzout, zand en kalksteen, en ook water
• de covalente binding.

Die covalente binding is de basis voor alle chemie op basis van koolstofatomen (de organische chemie), zoals die in de natuur voorkomt en zoals die verder door de mens ontwikkeld is. Koolstofatomen binden sterk covalent met elkaar en met andere types atomen, met name waterstof, zuurstof en stikstof, tot zogenaamde moleculen. En die moleculen kunnen op hun beurt weer aan elkaar ‘plakken’ – met zwakkere bindingen – tot stoffen.

Gassen, vloeistoffen en vaste stoffen

De LEGO-chemie van de atomen leidt tot de vorming van een oneindig aantal stoffen, met steeds verschillende eigenschappen. Sommige stoffen bestaan uit atomen of kleine moleculen die elkaar weinig aantrekken, ze zijn vaak gasvormig, je kunt ze zelden zien en soms ruiken. Denk aan de bestanddelen van onze lucht (stikstof, zuurstof, argon en CO₂). Bij andere stoffen zijn zoveel atomen aan elkaar geschakeld, dat je ze kunt zien als vloeistoffen of vaste stoffen. Vaste stoffen bestaan uit zeer grote aantallen atomen of moleculen die elkaar sterk aantrekken, zoals metalen, minerale stoffen en een deel van de organische materialen, waaronder de polymeren (zie hieronder). Vloeistoffen zitten zo’n beetje tussen de gassen en vaste stoffen in. De meeste stoffen waar we als consument mee te maken krijgen zijn de vaste stoffen. Sommige vaste stoffen kunnen bij temperatuurverhoging smelten tot vloeistoffen. Denk aan metalen, ijs, kaarsvet (was) of plastics.

Monomeren en polymeren

Polymeren zijn grote moleculen (macromoleculen), bestaande uit vele atomen die aan elkaar gebonden zijn met covalente bindingen. Het zijn lange ketens die opgebouwd zijn uit één type – of soms enkele types – van kleine moleculen of bouwstenen, de zogenaamde monomeren. Het voorvoegsel ‘poly’ betekent ‘veel’ in het Grieks, ‘mono’ betekent ‘enkel’ of ‘één’. Via chemie worden de monomeren aan elkaar gekoppeld tot polymeren. De monomeren bestaan uit een klein aantal atomen (max ca. 25). Polymeren kunnen bestaan uit 200 atomen tot 1 miljoen atomen en een zogenoemd molecuulgewicht hebben van duizend tot 5 miljoen (dat is duizend tot 5 miljoen keer het gewicht van 1 waterstofatoom). Elk polymeer heeft zijn eigen, bijzondere eigenschappen.

Polymeren, natuurlijke en kunststoffen

Alle plastics bestaan uit dit soort polymeren, maar niet alle polymeren zijn plastics.

Een deel van de polymeren is van natuurlijke afkomst. Denk aan cellulose en zetmeel (opgebouwd uit suikers), eiwit (uit aminozuren), rubber (uit isopreen) en DNA (uit nucleïnezuren). Met behulp van de chemie is hier vanaf het midden van de 19^e eeuw een groot aantal nieuwe, in de natuur onbekende, polymeren aan toegevoegd. In eerste instantie waren die nog wel gebaseerd op natuurlijke polymeren zoals cellulose uit katoen en hout (denk aan nitrocellulose (celluloid)). Maar vanaf het begin van de 20^e eeuw werden de nieuwe polymeren geproduceerd op zeer grote schaal op basis van fossiele grondstoffen. Vanaf de jaren 1900 was dat steenkool, en vanaf de jaren 1940 was dat vooral aardolie, in de industrie die de petrochemie is gaan heten. Al die nieuwe polymeren vormen de basis van de kunststoffen. In de volksmond heten alle kunststoffen plastics, ook als ze niet plastisch zijn. Maar meestal wordt onderscheid gemaakt tussen drie soorten kunststoffen: de echte plastics, en daarnaast niet-plastische stoffen zoals harsen en rubbers. Dit is van belang omdat alleen die echte plastics goed recyclebaar zijn, omdat ze steeds opnieuw gesmolten kunnen worden.

Echte plastics

De echte plastics vormen de grootste categorie kunststoffen. Ze bestaan uit polymeren die bij verwarming kunnen vervormen (plastisch worden) en in de meeste gevallen smelten. De polymeren bestaan uit lange slierten met weinig of met korte zijtakken. Smelten betekent dat deze slierten elkaar een beetje loslaten bij temperatuurverhoging. Smeltbaarheid is een handige eigenschap om zo elke gewenste vorm te kunnen maken, door bijvoorbeeld het gieten en stollen in een mal of in een moderne 3D-printer. De meestgebruikte plastics in de wereld zijn de zes plastics die een eigen nummer hebben gekregen in de driehoekige recycling-code (zie Figuur 2):

1. PET (polyester)
2. HDPE (hoge-dichtheid polyetheen)
3. PVC (polyvinylchloride)
4. LDPE (lage-dichtheid polyetheen)
5. PP (polypropyleen)
6. PS (polystyreen).

Figuur 2. De Resin Identification Code, met cijfer 1-6 binnen de recycle-driehoek, sinds 1988 ingezet om de burger te begeleiden bij de juiste gescheiden inzameling voor recycling.

Sommige plastics kun je op het oog duidelijk herkennen, zoals piepschuim (EPS, Expandable PS). Soms weet je via de toepassing wat voor soort plastic het is. Een water- of frisdrankfles is van PET, wasmiddelflessen zijn van HDPE, elektriciteitsbuizen zijn van PVC, folies bevatten veel LDPE, flesdoppen zijn vaak van PP. Maar naast de genoemde zes plastics zijn er nog enkele tientallen andere soorten plastic die op grote schaal toegepast worden. Denk aan vormvaste LEGO-blokjes van ABS of onbreekbare glazen van PC. Panty’s worden gemaakt van nylon (PA), kunstglas heet vaak Perspex of Plexiglas (PMMA), anti-aanbaklagen zijn van Teflon (PTFE), enzovoort. Er komen ook enkele bio-plastics op, gemaakt uit groene grondstoffen zoals suiker. De belangrijkste daarvan lijkt polymelkzuur (PLA), dat opvalt door goede recyclebaarheid en biologische afbreekbaarheid.

Vaak worden er stoffen toegevoegd aan plastics om hun eigenschappen te verbeteren, de zogenoemde additives. Zo wordt weekmaker toegevoegd aan het harde PVC om het voor bepaalde toepassingen zachter te maken. Brandwerendheid wordt verhoogd met brandvertragers. Verder worden er veel vulstoffen en kleurstoffen gebruikt. Soms worden er mengsels van meerdere polymeren gebruikt om de eigenschappen te verbeteren: zo worden meerdere polymeren samengesmolten (compounding), en in folies worden lagen van verschillende polymeren verwerkt.

Harsen

Harsen zijn polymeren die – anders dan bij de plastics – zeer vertakt zijn en uit 3D-netwerken bestaan. Alle slierten worden aan elkaar vastgemaakt – soms door toevoeging van hulpstoffen – en daardoor kunnen harsen niet meer smelten. Harsen worden vooral gebruikt als lijm (om te binden), als coating/verf (om te beschermen), als schuim (voor comfort, om op te zitten of te liggen), als rubber, als superabsorbent (voor luiers) of om voorwerpen te gieten (net als bij echte plastics). Er zijn oude natuurlijke harsen zoals lijnolie en schellak. Maar de meeste harsen zijn nu synthetisch. Vanaf 1910 werd uit steenkool Bakeliet geproduceerd, de eerste kunsthars. Moderne harsen zijn bv. epoxy, polyester, polyurethaan en acryl. Vaak worden vezels (van glas of koolstof) gebruikt om vezelversterkte composietmaterialen te maken, net zoals we beton kunnen versterken met stalen staven tot gewapend beton.

Rubbers

De rubbers zijn een groep stoffen die zich kenmerken door hun elasticiteit, hun omkeerbare rekbaarheid. De meeste daarvan zijn niet smeltbaar, zoals de harsen, Sommige nieuwere types zijn smeltbaar, zoals de plastics (‘thermoplastische rubber’). Denk bij rubbers aan autobanden, elastiek of latex matrassen. Natuurrubber was tot de jaren 1930 vrijwel het enige product in deze categorie. Het was schaars en duur: het werd in de 19^e eeuw alleen gewonnen uit wilde rubberbomen in het Amazonegebied en vanaf 1902 vooral in plantages in Zuidoost- Azië. Diverse kunstrubbers kwamen beschikbaar vanaf de jaren 1930.  

Positieve eigenschappen

Hoe hebben de kunststoffen een plek verworven in onze huidige wereld? Deels komt dat door de lage kosten van de fossiele grondstoffen, maar deels ook door een aantal bijzondere, positieve eigenschappen. Denk daarbij aan hun lage soortelijk gewicht in combinatie met hoge sterkte, waardoor ze zware materialen als glas en staal in veel toepassingen vervangen hebben. Veel plastics zijn sterk, doordat de molecuulketens elkaar onderling sterk aantrekken. En die sterkte kan zich op allerlei manieren manifesteren. Plastics die kristalliseren, met een regelmatige ordening van moleculen, zijn vooral hard (PET, PP, PS). De beste van die kristallijne plastics zijn zeer schokbestendig en onbreekbaar (HIPS, ABS, PC en PMMA) en worden gebruikt als omkasting van de meeste elektrische en elektronische apparatuur. Andere plastics zijn zachter en vooral taai (HDPE voor wasmiddelflessen, LDPE voor folies zoals plastic zakken, landbouwplastic). Sommigen zijn heel slijtvast (nylon tandwielen, PU schoenzolen). Van sommige kun je sterke draden trekken, om via garens textiel te maken (PET, PP, nylon, Dyneema-PE). Ook hun eigenschappen in contact met water zijn bijzonder. De meeste plastics vormen dichte lagen die geen water of andere vloeistoffen doorlaten. Ze gaan onder invloed van water niet rotten of roesten, zoals de meeste natuurlijke materialen en staal. In de bouw heeft PVC een vaste plek verworven vanwege elektrische isolatie, stabiliteit en slijtvastheid; het wordt toegepast in elektriciteitsbuizen, kozijnen en vloeren. Vezelversterkte superharsen (zoals epoxy met glas- of koolstofvezels) zijn de basis voor lichte en sterke bladen voor moderne windmolens, superlichte fietsen en composiet tanks voor de opslag van waterstof onder hoge druk.

Weggooimaatschappij

Naast positieve zijn er ook diverse negatieve eigenschappen van kunststoffen. De lage prijs van fossiele grondstoffen heeft in een hoog tempo geleid tot een weggooimaatschappij, op basis van kortstondig en eenmalig gebruik van met name plastics. 40% van alle plastics bestaat uit verpakkingen. Twee derde van alle textiel wordt gemaakt van plastic (vooral polyester; in totaal 17% van alle plastics), is vaak van slechte kwaliteit en snel afgedankt. Zo wordt een groot deel van de plastics snel weer afval en vervolgens verbrand of gedumpt.

Te goedkoop

Fossiele grondstoffen zijn in feite tot op heden te laag geprijsd, omdat hun impact op het klimaat nog onvoldoende in de prijs van producten verrekend is. CO₂-heffingen – die de komende jaren geleidelijk hoger en meeromvattend worden – moeten daar een eind aan maken. Voor kunststoffen bestaat nu nog geen CO₂-heffing, hoewel verbranding van hun afval tot veel CO₂-productie leidt. Vanaf 2026 gaan de afvalverbranders wel vallen onder het EU ETS systeem, maar vanwege de vele gratis CO₂-rechten binnen ETS lijkt een belasting op alle niet-duurzame kunststof een betere optie. Daarnaast krijgt de verpakkingsindustrie via Verpact te maken met sterk oplopende tarieven voor plastics inzameling en recycling (in 2024 €1,22-1,32/kg, in 2019 € 0,38-0,64/kg).

Microplastics

Slecht afvalmanagement leidt tot veel zwerfafval en opbouw van micro- en nanoplastics in rivieren en oceanen. Ook slijtage van plastics tijdens gebruik geven veel microplastics; denk aan visnetten of het wassen van polyester kleding. Plastic afval is zo alom aanwezig. En door de slechte biologische afbreekbaarheid van bijna alle grote plastics blijven ze lang in het milieu, vaak honderden jaren. De grotere afvaldeeltjes leiden soms tot verstrikking, verstikking en verdrinking van dieren. De kleinere deeltjes kunnen de darmwand passeren en in het bloed terechtkomen, ook bij de mens. Ze zijn niet acuut toxisch, maar er gebeurt nog veel onderzoek naar mogelijk chronische effecten.

Meer negatieve eigenschappen

Voor duurzame toepassing hebben de meeste kunststoffen vaak als nadeel dat ze snel bros worden – ze oxideren onder invloed van UV-licht -, ze gevoelig zijn voor hoge temperatuur (vervorming, smelten) en brandbaar zijn. Het leidt tot het gebruik van diverse additieven, zoals stabilizers en brandvertragers. Diverse toevoegingen (ftalaat weekmakers, cadmium en lood stabilizers in PVC; gebromeerde brandvertragers in plastic omkastingen van elektrische apparatuur) zijn toxisch gebleken en inmiddels verboden. Bij de productie van het fluorhoudende plastic Teflon worden emulgerende middelen gebruikt (PFOA en GenX), die zeer schadelijk zijn voor de gezondheid en blijkbaar door de producenten (zoals DuPont, 3M) niet binnen de fabriek gehouden kunnen worden. Dat vraagt om een radicaal verbod van de groep van fluorhoudende stoffen (PFAS).

Herontwerp

We zijn als maatschappij verrast door de snelle opkomst van plastics, zonder enige regulering. We zullen nu moeten anticiperen op de negatieve eigenschappen van de kunststoffen. De wereld van materialen moet opnieuw ontworpen worden. We moeten leren hoe we plastics selectief en duurzaam in kunnen zetten op basis van hun positieve eigenschappen. Dat vraagt om een actieve rol van overheid en bedrijven. Sommige (toepassingen van) plastics moeten verboden worden, zoals het meeste kortstondige, eenmalig gebruik van plastic. De overheid moet de regie nemen voor de opbouw van een circulaire economie, waarin afval weer als grondstof ingezet kan worden. Waar hergebruik niet meer lukt, moeten we zoveel mogelijk de kringloop sluiten via mechanische en chemische recyclen. Dat lukt voor de meeste echte plastics in zuivere vorm, maar helaas niet voor harsen en de meeste rubbers. Stoffen die recycling (scheiding en verwerking) van gemengd plastic afval moeilijk maken moeten hieruit geweerd worden.

Slot

Kunnen we nog zonder de kunststoffen waaronder de plastics? Waarschijnlijk niet. Nadat Homo Sapiens gestart is met alleen steen, hout en diverse plantaardige en dierlijke producten, heeft hij geleerd om steeds meer materialen te gebruiken. Eerst keramiek, glas en de metalen zoals koper, brons en ijzer. Daarna cement en beton, en nu dan de kunststoffen. De explosie van gebruik van plastics vanaf de jaren ‘60 heeft geleid tot een wegwerpmaatschappij die correctie behoeft. Kunststoffen zullen we selectief moeten gebruiken, alleen daar waar ze superieur zijn aan natuurlijke stoffen (zoals hout, papier, katoen), metalen, keramiek en glas.

Foto: Emily Bernal (Unsplash)