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Chemie für Schüler und Schülerinnen am Gymnasium
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Klassenstufe 10
4. Moderne Werkstoffe – Kunststoffe
- Allgemeines
- Einteilung der Kunststoffe nach ihren Eigenschaften
- Zusammenhang zwischen Struktur, Eigenschaften und Verwendung
- Einteilung der Kunststoffe nach Art ihrer Herstellung
- Polymerisation
- Radikalische Polymerisation
- Polykondensation
Seit Anbeginn versorgten sich die Menschen mit Werkstoffen aus der Natur: Steine, Holz, Leder oder Pflanzenfasern wurden eingesetzt, um Geräte oder Bekleidung zu fertigen.
Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts konnte der Bedarf an Werkstoffen durch die in der Natur vorkommenden Stoffe nicht mehr gedeckt werden. 1907 gelang dann dem belgischen Chemiker Baekeland die Herstellung eines harzähnlichen Stoffes, den er als Bakelit bezeichnete. Der erste Kunststoff war hergestellt.
Im 21. Jahrhundert ist eine Welt ohne Kunststoffe nicht mehr denkbar. Kunststoffe werden überall eingesetzt: in Handys und in Autoteilen, in Geräten für den Haushalt und die Freizeit. Sie werden als hightec – Werkstoffe in Sportgeräten und in der Sportbekleidung verarbeitet. In der Industrie werden Rohrleitungssysteme und Armaturen aus Kunststoffen hergestellt. Unsere Textilien bestehen zum großen Teil aus Kunstfasern.
So vielfältig in ihren Eigenschaften sie sind: Eines ist aber allen Kunststoffen gemeinsam:
Kunststoffe sind organische Stoffe, die aus Makromolekülen aufgebaut sind.
Makromoleküle sind Riesenmoleküle, das bedeutet, dass kleine Moleküle sich zu langen Ketten verbunden haben.
(Moleküle sind Teilchen, die aus mindestens zwei Atomen bestehen.)
Chemiker teilen Stoffe gern in Gruppen ein. So haben sie das auch mit den Polymeren gemacht. Es gibt mehrere Möglichkeiten diese Stoffe einzuteilen, zum Beispiel nach ihren Eigenschaften, aber auch nach der Art der Herstellung. Gehen wir zunächst auf die Eigenschaften ein.
2. Einteilung der Kunststoffe nach ihren Eigenschaften
Die Kunststoffe werden nach ihren Eigenschaften in drei Kunststoffarten eingeteilt.
Thermoplaste:
Wird zum Beispiel eine Platte aus PVC erwärmt, so kann sie in jede beliebige Form gebracht werden. Dieser Vorgang lässt sich wiederholen.
Thermoplaste sind bei Erwärmen plastisch verformbar.
Duroplaste:
Ein Werkstück aus Duroplast erweicht dagegen bei Erwärmung nicht, lässt sich also nicht verformen. Duroplaste zersetzen sich oberhalb 300°C.
Duroplaste sind bei Erwärmen nicht plastisch verformbar.
Elastomere:
Denken wir an einen Tafelschwamm: er lässt sich zusammendrücken. Lassen wir ihn wieder los, so nimmt der Schwamm seine Ausgangsform wieder an.
Elastomere haben gummielastische Eigenschaften.
Wichtige Vertreter dieser Kunststoffarten sind:
| Thermoplast | Duroplaste | Elastomere |
|---|---|---|
| Polyvinylchlorid (PVC) | Phenolharze | Gummi |
| Polyethen (PE) | Aminoplaste | |
| Polyterafluorethen (PTFE) | ||
| Polystyrol (PS) | ||
| Polypropen (PP) |
3. Zusammenhang zwischen Struktur, Eigenschaften und Verwendung
Die unterschiedlichen Eigenschaften der drei Kunststoffarten beruhen auf der unterschiedlichen Struktur, also Anordnung der Makromoleküle. Deshalb finden Kunststoffe so vielseitige Verwendung.
Struktur: Stellen wir uns eine Tragetasche vor. Sie besteht aus Polyethen. Stellen wir uns weiterhin vor, wir würden ein Stück dieser Tasche so stark vergrößern können, um die Anordnung der Makromoleküle aus denen die Tasche besteht, zu erkennen.
Wir würden kettenförmige Makromoleküle sehen, die linear oder schwach verzweigt angeordnet sind. Das sieht dann ähnlich der geraden Anordnung von Haaren in einem Pferdeschwanz aus.
Der Chemiker bezeichnet Kräfte zwischen Molekülen als VAN-DER-WAALS-Kräfte. Hier sind also die VAN-DER-WAALS-Kräfte zwischen den Makromolekülen nur schwach ausgebildet.
Eigenschaften: Thermoplaste, die bei Raumtemperatur hart und mechanisch stabil sind, bestehen aus Makromolekülen, die in bestimmten Bereichen parallel (teilkristallin) angeordnet sind. Dazu gehört das Niederdruckpolyethen. Dieser Kunststoff hat eine relativ hohe Dichte von 0,95 g/cm3 und wird deshalb als High – density - Polyethen also HDPE bezeichnet.
Verwendung: Deshalb werden hochbelastbare Artikel wie Mülltonnen, Schutzhelme, Sitzschalen und Bodenbeläge aus Niederdruck – Polyethen gefertigt.
Eigenschaften: Thermoplaste, die bei Raumtemperatur sehr zäh, elastisch und bruchresistent sind, bestehen aus Makromolekülen, die unregelmäßig, also amorph angeordnet sind. Dazu gehört das Hochdruckpolyethen. Dieser Kunststoff hat eine geringere Dichte als HDPE, nämlich nur 0,93 g/cm3 und wird deshalb als Low – density - Polyethen also LDPE bezeichnet.
Verwendung: Hochdruckpolyethen eignet sich vor allem zur Herstellung billiger Kunststoffartikel wie Verpackungsfolien und Tragetaschen.
Struktur: In unserem Arbeitszimmer befinden sich Steckdosen. Die Sichtblenden dieser Dosen bestehen aus Duroplast.
Wir stellen uns wieder vor, dass wir diesen Kunststoff stark vergrößern können, um die Makromoleküle zu sehen. Diese Moleküle sind räumlich engmaschig vernetzt. Das würde dann wie ein Maschendrahtzaun aussehen. Die Elektronenpaarbindungen zwischen den Makromolekülen sind fest miteinander verknüpft.
Eigenschaften: Duroplaste zersetzen sich beim Erhitzen, ohne zu erweichen, da die Makromoleküle räumlich engmaschig vernetzt sind. Die Struktur eines Duroplastes bleibt beim Erhitzen zunächst erhalten. Erst bei höheren Temperaturen werden die Bindungen zwischen den Molekülen gespalten und der Kunststoff wird zersetzt.
Duroplaste sind beständig gegenüber vielen Chemikalien und sie sind hart und spröde. Duroplaste leiten den elektrischen Strom nicht.
Verwendung: Deshalb werden sie verwendet, um Sichtblenden für elektrische Schalter und Steckdosen, Kunststoffteile für Waschmaschinen und Kühlschränke herzustellen.
Jeder von uns kennt Gummi. Schon im frühen 16. Jahrhundert entdeckte man in Südafrika den Gummi in Form von Latex. Dieser Latex war klebrig und verlor bei Hitze an Form. Er war als Werkstoff für den Menschen zunächst unbrauchbar. Charles Goodyar war auf der Suche nach einem Verfahren, wie man Gummi stabilisieren konnte. Als Clarissa, seine Ehefrau, eines Tages früher als gewöhnlich nach Hause kam, brach Goodyear einen seiner unzähligen Versuche ab und versteckte eine Mischung aus Gummi und Schwefel im Ofen. Wenig später untersuchte er die Substanz – und: die Verbindung behielt ihre Form auch in der Hitze! Das war im Jahr 1839. Das Prinzip der Vulkanisation war geboren. Kautschuk bekommt durch Vulkanisation seine typischen Eigenschaften: Elastizität und Stabilität.
Kautschuk ist ein Thermoplast; durch Vulkanisation werden die Moleküle über Schwefelbrücken verbunden und zu Gummi verarbeitet – das Material wird elastisch.
Struktur: Elastomere enthalten knäuelförmig angeordneten Makromoleküle.
Eigenschaften: Elastomere nehmen beim Einwirken einer verformenden Kraft ihre ursprüngliche Form wieder an. Beim Dehnen werden die knäuelförmig angeordneten Makromoleküle auseinander gezogen. Wirkt die Kraft nicht mehr, sind die Makromoleküle wieder verknäuelt. Elastomere sind quellbar, beständig gegenüber vielen Chemikalien, nicht schmelzbar.
Weichgummi enthält einen Masseanteil Schwefel von etwa 1% bis 5%, Hartgummi etwa 30% bis 50%.
Verwendung: Das dauerhafteste Denkmal, das Charles Goodyear je gesetzt wurde, ist der nach ihm benannte Reifenhersteller, der seinen Namen auf der ganzen Welt bekannt gemacht hat. 38 Jahre nach dem Tod von Charles Goodyear wurde das Unternehmen gegründet. Es existiert seit über hundert Jahren unter demselben Namen. Leider durfte Charles Goodyear dies nicht mehr erleben. Aber heute gibt es kein auf Räder fahrendes Fahrzeug auf dieser Welt, das keine Reifen aus vulkanisiertem Gummi hätte.
In der Einleitung habe ich erwähnt, dass Chemiker Stoffe gern in Gruppen einteilen. So haben Sie das auch mit den Polymeren gemacht. Es gibt mehrere Möglichkeiten diese Stoffe einzuteilen, zum Beispiel nach ihren Eigenschaften, was ich oben beschrieben habe. Nun kommen wir zu einer anderen Einteilung der Kunststoffe: nach Art ihrer Herstellung.
4. Einteilung der Kunststoffe nach Art ihrer Herstellung
Die Kunststoffe werden nach ihrer Herstellung in zwei Kunststoffarten eingeteilt.
Kunststoffe werden prinzipiell durch Polyreaktionen hergestellt. Bei einer Polyreaktion (griechisch poly: viele) reagieren zahlreiche gleichartige Moleküle, den Monomeren, zu Makromolekülen, den Polymeren.
Die wichtigsten Polyreaktionen sind Polymerisation und Polykondensation.
Polymerisate: sind Kunststoffe, die durch Polymerisation hergestellt werden.
Polykondensate: sind Kunststoffe, die durch Polykondensation hergestellt werden.
Bei einer Polymerisation entstehen aus Einzelmolekülen (Monomeren) mit Mehrfachbindung im Molekül makromolekulare Stoffe (Polymere).
Ethen wird in Anwesenheit eines Katalysators ohne Luftzufuhr stark erhitzt. Dabei brechen die Doppelbindungen der Ethenmoleküle auf, und es entsteht ein Alkan mit sehr langkettigen Molekülen. In diesen sind die Kohlenstoffatome durch Einfachbindungen miteinander verbunden. Auf diese Weise lassen sich Polyethenmoleküle bis zu einem Molekulargewicht von 1 Million Gramm pro Mol herstellen.
| nCH2=CH2 | [-CH2-CH2-]n | |
| Ethen | Polyethen |
Ersetzt man alle Wasserstoff-Atome des Ethens durch Fluor-Atome, erhält man Tetrafluorethen. Das Tetrafluorethen kann zu Polytetrafluorethen reagieren. Polyterafluorethen ist ein hartes, hitzebeständiges und äußerst glattes Material. Man verwendet es für Lager aber auch als Beschichtung für beschichtete Pfannen und Töpfe („Teflon“ oder PTFE).
| nCF2=CF2 | [-CF2-CF2-]n | |
| Tetrafluorethen | Polytetrafluorethen |
6. Radikalische Polymerisation
Für die chemischen Reaktionen gelten Mechanismen – Reaktionsmechanismen. Dabei wird eine chemische Reaktion modellhaft in verschiedenen Teilschritten dargestellt. Hier erkläre ich den Mechanismus der radikalischen Polymerisation.
Ethen wird in Anwesenheit eines Katalysators ohne Luftzufuhr stark erhitzt. Dabei brechen die Doppelbindungen der Ethenmoleküle auf, wobei jedes Kohlenstoffatom ein Elektron behält. Beide Kohlenstoffatome werden also zu Radikalen. (Startreaktion) Radikale sind sehr reaktionsfreudig und versuchen sofort von irgendwo her ein Elektron als Bindungspartner zu gewinnen. Also können die Radikale mit einem anderen Radikal eine Bindung eingehen. Dies vollzieht sich an beiden Enden des Moleküls und lässt die Kette wachsen. In wenigen Sekunden entstehen so aus 2000 bis 20 000 Monomermolekülen fadenförmige Makromoleküle.
Das sieht dann so aus:
|
Dibenzoylperoxid |
Startreaktion
Zunächst muss der Radikalbildner (Initiator) durch Erwärmen oder Lichtzufuhr homolytisch in zwei Radikale aufgespaltet werden. Ein sehr geeigneter Initiator für die Herstellung von Polymeren ist das Dibenzoylperoxid (hier kurz: R-R), welches sich schon durch leichtes Erwärmen oder Lichtzufuhr in zwei Radikale spalten lässt.
R-R ? R . + R .
Die gebildeten Radikale reagieren mit den Ethenmolekülen zu Alkylradikalen:
CH2=CH2 + R . ? R -CH2-CH2 .
Kettenwachstumsreaktion
Beim Kettenwachstum reagieren Alkylradikale mit monomerem Ethen zu neuen, um eine Monomereinheit verlängerten Radikalen. Durch fortgesetzte Kettenreaktion erhält man schließlich Makroradikale, in denen oft mehr als 1000 Ethenmoleküle miteinander verknüpft sind.
R-CH2-CH2 . + CH2=CH2 ? R-CH2-CH2-CH2-CH2 .
Kettenabbruchreaktion
Die Kettenabbruchreaktion beendet die Polymerisation. Jetzt ist das Makromolekül also in seiner vollständigen Länge hergestellt. Diese Reaktion kommt meist durch Kombination zweier Radikale zustande. Dies heißt dann Rekombination.
Vereinfacht (der Platz reicht nicht aus, um über 1000 Ethenmoleküle nebeneinander zu schreiben) sieht das so aus:
2 R-CH2-CH2 . ? R-CH2-CH2-CH2-CH2-R
Das entstandene Makromolekül wird vereinfacht so geschrieben:
[-CH2-CH2-]CHn
Bei der Polykondensation reagieren Monomere mit funktionellen Gruppen unter Abspaltung kleinerer Moleküle zu Makromolekülen.
Bei einer Polykondensation wird ein kleineres Molekül, meist Wasser, gebildet. Meist handelt es sich bei den Edukten um eine organische Säure und einen Alkohol. Diese Reaktion kennt ihr schon von den Estern (die werden als Aromastoffe bei Fruchtbonbons verwendet). Nur handelt es sich bei Polyreaktionen um die Synthese von Polyestern (unter Abspaltung von Wasser).
Wenn man Ethylenglycol (1,2 Ethandiol) mit Therephthalsäure (1,4 Benzoldicarbonsäure) reagieren lässt, wird Wasser abgespalten. Dabei entsteht das Polykondensat Polyethylen-Terephthalat (PET), ein Polyester.
Vereinfacht sieht die chemische Gleichung dann so aus:
 |
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Polykondensation_Polyester.png |
Man erkennt, dass sich an den Hydroxylgruppen des Produktes noch weitere Moleküle von Therephthalsäure anlagern können und dann wieder Ethylenglycol und so weiter. Es muss also erst eine vielfache Wiederholung der Veresterung stattfinden, so dass ein Makromolekül entstehen kann.
Das Makromolekül kann dann so aussehen:
Diesen Polyester verwendet man für Textilien, zum Beispiel zur Herstellung solch wunderbar blau - weißer Trikots, wie sie mein Mann beim Radfahren trägt. Außerdem kann man daraus Reifencord zur Verstärkung von Autoreifen, aber auch für künstliche Blutgefäße produzieren.