Kunststoffe
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| Elastomere | Duroplaste | |
Inhaltsverzeichnis
Übersicht
„Als Kunststoff (umgangssprachlich: Plastik oder Plaste) bezeichnet man einen Festkörper, dessen Grundbestandteil synthetisch oder halbsynthetisch erzeugte Polymere mit organischen Gruppen sind.“(Def. Wikipedia)
Kunststoffe allgemein
- Kunststoffe werden entweder vollsynthetisch (auf der Basis von Erdölprodukten) oder durch Umwandlung von hochmolekularen Naturstoffen(Proteine, Cellulose) hergestellt
- Ein Werkstoff aus Millionen sehr langer, ineinander verschlungener Molekülketten, die aus sich stets wiederholenden Grundeinheiten zusammengesetzt sind
- Sie haben eine geringe Dichte, die mit maximal 2,2g/cm³ nur etwa halb so groß wie die Dichte von Porzellan oder Glas ist
- Sie gehören deshalb zu den leichtesten Werkstoffen
- Sie zeigen ein gutes Isoliervermögen
- Ihre Eigenschaften kann man größtenteils, durch die Wahl der Ausgangsstoffe, für die Zielbestimmung festlegen
Hauptgruppen
Man unterscheidet die große Anzahl von Kunststoffen mit verschiedenen Eigenschaften im der Regel durch ihr Verhalten beim Erwärmen, welches sich durch die Struktur erklären läst. Hierbei Teilt man die Kunststoffe in 3 verschiedene Unterarten:
Thermoplaste
- bestehen aus unvernetzten, fadenförmigen oder wenig verzweigten Makromolekülen
- beim Erwärmen werden sie leicht formbar
- gehen in einem großen Temperaturintervall vom weichen in den flüssigen Zustand über
- Beispiele sind: Polyethylen, Polyvinylchlorid und Polystyrol
Duroplaste
- Ihre Schmelztemperatur liegt über der Zersetzungstemperatur
- Daher: beim erhitzen verkohlen sie oder zersetzen sich
- bestehen aus stark vernetzten Makromolekülen
- sind Relativ hart und Spröde
- Typisches Beispiel ist Polycarbonat (CDs)
Elastomere
- sind schwach vernetzte Makromoleküle
- lassen sich durch Zug und Druck verformen, doch kehren dank ihrer hohen Elastizität immer in die Ursprungsform zurück
- dehnen sich bei Kälte aus
- Typisches Beispiel ist Silikon
Herstellung von Kunststoffen
Media:Herstellung_von_Kunststoffen_Audio.doc
Bei der Synthese von Kunststoffen geht man allgemein von kleinen Molekülen aus. Diese Monomere sind die Bausteine für die bildung kettenförmiger oder netzförmiger Makromoleküle. Die Monomere müssen Mehrfachbindungen oder mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen. Ringförmige Monomere können durch Ringöffnung Makromolekühle bilden. Die Verknüpfung zu Polymeren kann je nach Art der Monomere durch 3 verschiedenartige Polyreaktionen erfolgen: durch Polykondensation Polymerisation oder durch Polyaddition.
Polykondensation
Bei der Polykondensation geht man von Monomeren mit zwei funktionellen Gruppen im Molekül aus. Als funktionelle Gruppen eignen sich Hydroxyl-Gruppen, Carboxyl-Gruppen und Amino-Gruppen. Die Verknüpfung erfolgt zunächst zu Dimeren, woraus durch weitere Kondensation schließlich Makromoleküle entstehen Bei jedem Reaktionsschritt spaltet sich dabei aus zwei miteinander reagierenden funktionellen Gruppen ein kleineres Molekül ab. Die Polykondensation von bifunktionellen Monomeren führt zu linearen, thermoplastischen Makromolekülen. Aus trifunktionellen Molekülen bilden sich dreidimensional vernetzte, duroplastische Makromoleküle. Die nach diesem Reaktionstyp gebildeten Kunststoffe nennt man Polykondensate
Polymerisation
Bei der Polymerisation geht man von ungesättigte Monomeren aus. Als funktionelle Gruppen reagieren C=C-Zweifachbindungen. Die Reaktion verläuft als Kettenreaktion und wird durch Initiatoren wie radikale und Ionen ausgelöst. Bei der Reaktion eines Monomeren mit einem Radikal entsteht ein neues Radikal. Durch Anlagerung weiterer Monomere wird die Kette verlängert. Die Kettenlänge kann durch Zugabe von Regler-Molekülen beeinflusst werden. Bei der Polymerisation bilden sich meist lineare oder wenig verzweigte Makromoleküle aus. Es sind thermoplastische Kunststoffe, die man als Polymerisate bezeichnet.
Polyaddition
Die Verknüpfung der Monomere kann auch über Endgruppen erfolgen, die Additionsreaktionen eingehen. Dies setzt voraus, dass die funktionellen Gruppen einer Molekülsorte Zweifachbindungen besitzen, an die sich die funktionellen Gruppen einer anderen Molekülsorte addieren lassen. Im Gegensatz zur Polykondensation werden bei der Poladdition keine kleineren Moleküle abgespalten. Bifunktionelle Monomere führen zu Thermoplasten, trifunktionelle Monomere ergeben Duroplaste. Durch Polyaddition gebildete Kunststoffe heißen Polyaddukte
(siehe:Chemie Heute S.301)
Recycling
Bei Kunststoffen besteht heutzutage en großes Umweltproblem, da diese Stoffe in der Regel verrottungsfest sind. Daher belasten sie die immer kleiner werdenden Deponieräume. Weiterhin besitzen diese Stoffe auch nach Benutzung einen hohen Energie- und Rohstoffgehalt. Daher Versucht man diese Stoffe zu Recyceln. Heutzutage verwandet man normaler weise drei verschiedene Methoden dazu:
Werkstoffliches Recycling:
- Alte Kunststoffabfälle werden sortiert, zerkleinert und Geschmolzen
- Diese „Schmelze“ wird zu der laufenden Kunststoffproduktion zugegeben.
Problematik: Bei verschmutzen und Gemischten Ks.abfällen nur in grenzen möglich, da man sortenrein arbeiten muss um funktionstätige Kunststoffe herzustellen. Das Sortieren ist aufwendig und teuer und es findet eine Qualitätsminderung des Endproduktes statt.
Rohstoffliches Recycling:
- Makromolekühle werden durch Hitze (Cracken) gespalten und so in niedermolekulare Produkte Zerlegt.
- Diese Produkte könne weiterverarbeitet werden
- Es fallen keine Sortierkosten an
Problematik: Rohstoffliche Recyclingverfahren verlangen hohen Energieeinsatz und verursachen so hohe Kosten. Die Gebildeten Produkte müssen aufwendig Getrennt werden. Die erzeugten Produkte müssen neu synthetisiert werden
Thermische Verwertung:
- Verbrennung des Kunststoffabfalles
- Die dabei entstehende Energie wird weiter genutzt
Problematik: Keine stoffliche Weiterverwertung. Schadstoffemissionen treten auf. Aufwendige Abgasreinigungsanlagen sind notwendig.
Die allgemeine Recyclingeuphorie von Kunststoffen ist vorbei. Die technischen Schwierigkeiten sind zu groß, und die Produkte aus Rezyklat zu schlecht.
Experimente mit Kunststoff
Experiment 1: Nylonsynthese
Arbeitsblatt: Media:Kunststoffexperimente.pdf Video zum Experiment: Herstellung von Nylon
CHEMIKALIEN und SICHERHEITSRATSCHLÄGE
| Stoff | R&S | |
|---|---|---|
| Hexamethylendiamin | R 21/22-34-37 S (1-2)-22-26-36/37/39-45 E 10 |  
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| Adipinsäuredichlorid | R 34 S 26-36/37/39-45 E 15-2 |
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| Hexan | R 11-38-48/20-51/53-62-65-67
S (2)-16-22-24-47 E 10 |
  
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| Phenolphthaleinlösung | R 40 S 36-37 |
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| Destilliertes Wasser | -------- | -------- |
Dieses Experiment solte mit Schutzbrille und -handschuhen durchgeführt werden und kann, zur Schonung der Schüler, da ein ziehmlich strenger Geruch entsteht, unter einem Abzug gemacht werden. Die Abfälle müssen artengemäs, korrekt entsorgt werden, da sie ein Umweltrisiko darstellen können.
MATERIAL
3 Bechergläser (100ml), Kleiner Trichter, zwei Glasstäbe, Pinzette, Akku-Schrauber, Messer und Einwegspritze
DURCHFÜHRUNG
Man spannt den Glasstab in einen Aku-Schrauber und stellt diesen so neben eines der Bechergläser, dass sich der Glasstab über diesem befindet. Nun setzt man in zwei Bechergläsern folgende Lösungen an:
Füllen sie 50 ml Hexan in das erste Becherglas und geben sie z.B. mittels Einwegspritze 2 ml Adepinsäurechlorid hinzu geben.
Füllen sie nun 50 ml Wasser in das Zweite Becherglas und geben sie Hexamethlylendamin hinzu. Das Hexamethlylendamin ist bei Raumtemperatur festzustand und hat eine eisähnliche Konsistenz, es muss daher wahrscheinlich mit einem Messer leicht zerstoßen werden um es zu benutzen.
Nun müssen noch Einige Tropfen Phenolphthalein (zur späteren besseren Unterscheidung der beiden Lösungen) hinzugegeben werden
Zur besseren Lösung der Stoffe in beiden Bechergläsern, sollte man sie jeweils mit einem Rührstab vermischen
Kurz gefasst:
| Lösung 1 | Lösung 2 |
|---|---|
| 2 ml Adipinsäuredichlorid | 2 g Hexamethylendiamin |
| in 50 ml Hexan | in 50 ml Wasser |
| Einige Tropfen Phenolphthalein |
Anschließend gibt man die Lösung 2 in das dritte Becherglas. Nun Schichtet man langsam und vorsichtig (die Lösungen dürfen sich nicht vermischen) die Lösung 1 mit einem Trichter auf Lösung 2 in das Becherglas. Es Bildet sich zwischen den Lösungen eine dünne Schicht, die man nun mit der Pinzette aus den Glas ziehen kann um den daraus entstandenen Faden um das Glasstäbchen des Schraubers zu wickeln. Nun kann man vorsichtig mit dem Schrauber weitern Faden Aus den Flüssigkeiten Gewinnen.
Auswertung
Adipinsäuredichlorid und Hexamethylendiamin werden durch die Lösemittel Hexan und Wasser gelöst und treffen an der Grenzschicht aufeinander, es kommt zu einer Polykondensationsreaktion zwischen dem Adipinsäuredichlorid und dem Hexamethylendiamin. Nun spaltet sich Chlorwasserstoff ab und es entsteht der Polyester Nylon, der verschiedene Kettenlängen aufweist.
Experiment 2: Unterscheidung von Kunststoffen
Aufgabe
Es sollte herrausgefunden werden aus Welchem Kunststoff zwei unterschiedliche Donald Duck Figuren gemacht waren und eine Auswahl begründe auswahl getroffen werden. Bildet dazu Gruppen.
MATERIAL
2 Donald Figuren, Materialien aus dem Schränken des Chemieraumes
DURCHFÜHRUNG
Es sollten von zwei verschiedene Kunststofffiguren die Kunststoffart bestimmt werden. Dabei hatten die Schüler eine Tabelle und die Materialien aus den Schränken bzw. die vom Lehrer zur Verfügung gestellten zum überprüfen. Einzige Prämisse war, dass die Figuren bei dem Versuch nicht beschädigt werden durften.
Unterschieden werden sollten:
PVC und
Polystyrol
Dies war den Schülern bekannt:
Bei der Tabelle handelte es sich um Eine Zusammenfassung Mehrerer Kunststoffe und einiger ihrer Eigenschaften wie Bruchfestigkeit Brennbarkeit und Schmelzbereich, doch die Schüler sollten darauf kommen, dass zur Unterscheidung der beiden Figuren lediglich die Dichte gebraucht wurde, da sich diese bei beiden unterschied und bei einer der Figuren dazu führte, dass sie in einem Becherglas mit Wasser auftrieb (Polystyrol). So konnte eine einfache Art der Sortentrennung bei Kunststoffen selbst praktisch von den Schülern durchgeführt werden.
Institute
- Deutsches Wollforschungsinstitut, (DWI) Aachen
- Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), Aachen
- Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) Aachen
- Uni Bayreuth
- Institut für Polymere, an der ETH Zürich
- Deutsches Kunststoff-Institut (DKI), Darmstadt
- Institut für Polymerforschung, Dresden
- Uni Freiburg,
- Uni Hamburg
- Uni Stuttgart
- Süddeutsches Kunststoff Zentrum (SKZ), Forschungsinstitut und Ausbildungsstätte für Kunststofftechnik, Würzburg
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