Chemie am Menschen - Kunststoffe

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Thermoplaste

Duroplaste

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Kunststoffe, die beim Erhitzen schmelzen

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struktur-thermoplast

Thermoplaste können bei Raumtemperatur verschieden hart sein. Diese Eigenschaft hängt mit der Struktur dieser Kunststoffe zusammen:

Thermoplaste, die bei Raumtemperatur weich sind, bestehen überwiegend aus ungeordneten, zum Teil verknäuelten Molekülketten mit relativ niedrigen mittleren Molekülmassen (ab 8000 u), die wie Spaghetti über- und untereinander liegen. Thermoplaste mit sehr langen Molekülketten (Molekulargewicht: bis 300 000 u) sind zähplastisch oder spröde, da die van-der-Waals-Kräfte viel größer sind.

Bei denjenigen Thermoplasten, die bei Raumtemperatur eher fest sind, liegen die Polymer-Ketten zudem in manchen Bereichen parallel zueinander. Solche Stellen nennt man kristalline Bereiche. Die anderen Bereiche nennt man amorph. Durch die größeren Berührungsflächen bei paralleler Anordnung in den kristallinen Bereichen, wirken hier die van-der-Waals-Kräfte besonders stark. Der Grad der kristallinen Bereiche ist einer der wichtigsten Faktoren für die Härte des Kunststoffes.

Bei manchen Thermoplasten, die polare funktionelle Gruppen aufweisen, können in diesen kristallinen Bereich zusätzlich Dipol-Dipol-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrücken zur Wirkung kommen. Gerade die Wasserstoffbrücken sind für die Festigkeit mancher Hochpolymere (z.B. Polyamide) ausschlaggebend.

Es können auch einige Kettenverknüpfungen durch Atombindungen vorhanden sein (wie z.B. beim Polyethen [PE]).

Auch die Zugfestigkeit von Fasern in Zugrichtung hängt vom Grad der kristallinen Bereiche ab. Diese kristallinen Bereiche können durch Überdehnen von Polymeren ausgelöst werden.

Entsprechend der Struktur eines Thermoplasts ist das Verhalten beim Erhitzen etwas unterschiedlich:

Prinzipiell geraten die Moleküle bei der Temperaturerhöhung in Schwingung und können schließlich die van-der-Waals-Kräfte überwinden: Die Zugfestigkeit nimmt ab, der Kunststoff wird weicher und plastisch verformbar und kann in Formen gegossen oder gepresst werden. Nach dem Erkalten erhält man ein festes thermoplastisches Formteil.

merke-kleinThermoplaste werden beim Erhitzen plastisch und lassen sich verformen. Nach dem Erkalten behalten sie ihre Form. Bei der Herstellung wird daher ein Extruder oder eine Spritzgießmaschine verwendet.

Amorphe Thermoplaste (z.B. PVC) sind unterhalb der sogenannten Glastemperatur fest und glasartig transparent. Diese Temperatur ist keine exakte Temperatur, sondern ein Temperaturbereich, was ein Hinweis darauf ist, dass die Makromoleküle unterschiedliche Kettenlängen besitzen (Gemische gehen in einem Temperaturbereich in einen anderen Aggregatzustand über, Reinstoffe bei einer exakten Temperatur). Beim Erreichen der Glastemperatur wird der Kunststoff erst elastisch (thermoelastisch) dann, beim Erreichen der Erweichungstemperatur, plastisch (thermoplastisch). Erhitzt man den Thermoplast weiter, so geht er in eine zähflüssige, dann dünnflüssige Schmelze über, bevor er sich schließlich bei der Zersetzungstemperatur zersetzt. Amorphe Thermoplaste sind bei Gebrauchstemperatur meistens glasklar, hart, spröde und steif.

Teilkristalline Thermoplaste (z.B. Polypropen, PP; Polyamid, PA) erweichen bei einem höheren Temperaturbereich als die amorphen Thermoplaste. Sie sind häufig undurchsichtig und bei Gebrauchstemperatur meistens zähfest, biegsam bis hart.

Vollständig kristalline Thermoplaste (z.B. hochkristallines Polyethen, HDPE) gehen bei einer exakten Schmelztemperatur in eine dünnflüssige (hoch viskose) Schmelze über.

Die Quellbarkeit durch Lösemittel und die Lichtdurchlässigkeit nehmen mit zunehmend kristalliner Bereiche ab, da amorphe Polymere größere Lücken zwischen den Molekülketten besitzen als teilkristalline oder sogar kristalline Polymere. In diese Lücken kann das Lösemittel eindringen. Die größeren Lücken sind auch der Grund dafür, dass vermehrt Licht durch das Material gelangen kann.

Polyethen - begleitet unseren Alltag

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merke-klein

PE-HD

PE

Polyethen (Polyethylen); PE - ist ein Thermoplast, der durch radikalische Polymerisation von Ethen mit Hilfe eines Katalysators aus Ethen synthetisiert wird (daher auch der Name) und unseren Alltag begleitet.

Es gibt das zähe und dehnbare PE-LD (Low Density), die weiche Variante mit einer etwas geringeren Dichte (daher der Name) und PE-HD (High Density), die härtere Variante. Beide Sorten haben eine geringere Dichte als Wasser und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie gegenüber Chemikalien sehr stabil sind. Polyethen ist das wichtigste Polymerisat.

 

 

 

Struktur / Eigenschaften

Polyethen besteht aus extrem langen Kohlenwasserstoffketten (mit Einfachbindungen), die wie Spaghetti über- und untereinander liegen. Ohne zugesetzte Farbpigmente ist Polyethen durchscheinend, aber nicht völlig durchsichtig. Es sei denn, das Material wird zu einer sehr dünnen Folie verarbeitet. PE ist geschmacksfrei, geruchlos, physiologisch unbedenklich und für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet.

 

 

Identifikation

PE schwimmt auf dem Wasser, brennt mit bläulich-gelber Flamme und tropft brennend ab. Bei der Schwelprobe schmilzt PE zu einer klaren Masse und produziert dann weiße Dämpfe. Reaktion der Dämpfe: neutral.

 

Synthese (vereinfacht)

pe-synthese-einfach

 

Reaktionsmechanismus

 

 

Verwendung

Polyethen, neben Polyvinylchlorid der am häufigsten hergestellte Kunststoff, begegnet uns im Alltag z.B. in Form von Plastiktüten, Gefrierbeuteln, Haushaltsfolie, Schläuche, Eimern, Wäschekörben, Getränkekisten und Mülltonnen. Auch unsere im Unterricht benutzten Spritzflaschen bestehen aus PE. 

 

Eine "Plastiktüte" aus PE-LD

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Mülltonnen aus PE-HD

 muelltonnen-aus-pe-hd-kl

 

Polypropen - Eine Frage der Anordnung

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merke-kleinPP-recyclPolypropen (Polypropylen, PP) ist ein teilkristalliner Thermoplast, der durch katalytische Polymerisation gewonnen wird. 

 

Struktur / Eigenschaften

Polypropen besitzt im Gegensatz zum Polyethen Seitenketten (Methyl-Gruppen). Dadurch sind die van-der-Waals-Kräfte größer, der Kunststoff ist von hoher Festigkeit.

Die Methyl-Gruppen können in unterschiedlicher Stellung zueinander liegen. Man spricht hier auch von Taktizität:

taktizitaet-1

taktizitaet-2

Liegen die Methyl-Gruppen alle auf einer Seite der Kohlenstoffkette, so spricht man von einer isotaktischen Ausrichtung. In diesem Fall können sich mehr kristalline Bereiche ausbilden, als bei einer syndiotaktischen oder ataktischen Ausrichtung. Demzufolge besitzt Polypropen mit isotaktischen Molekülketten eine höhere mechanische Belastbarkeit.

PP zeigt eine hohe Wärmebeständigkeit. Kurzfristiges Erwärmen auf bis zu 140°C ist möglich [1].

 

Identifikation

Brennt mit gelber Flamme und tropft brennend ab. Bei der Schwelprobe schmilzt PP zu einer klaren Masse und bildet dann weißen Qualm. PP schwimmt nicht auf dem Wasser. 

 

Verwendung

Joghurtbecher, Einwegbecher, Schuhabsätze, Rohrleitungen für Gase und Flüssigkeiten uvm.

Die weltweite Nachfrage für PP lag im Jahr 2012 bei 54 Mio. t. [2]

Synthese

pp-synthese

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Quellen:

[1] Römpp USB Stick · 2008, ISBN: 978-3-13-149231-9

[2] Kunststoff.de, am 07.06.15 abgerufen

Polyamide

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Struktur

amidbindung

 

Polyamide sind Makromoleküle, die Amidbindungen enthalten. Diese Amidbindungen sind chemisch identisch mit den Peptidbindungen der Peptide bzw. Proteine. So gesehen sind z.B. Haare, Wolle, Seide und Eiweiß natürliche Polyamide.

 

 

Eigenschaften

Polyamide (PA) haben eine glatte Oberfläche, sind sehr abriebfest, besitzen eine hohe Zugfestigkeit  und sind unzerbrechlich. Sie besitzen eine gute Chemikalienbeständigkeit. So sind sie z.B. gegen Schmier- und Kraftstoffe bei Temperaturen bis über 150 °C beständig.

Bei den synthetisch hergestellten Polyamiden (PA) handelt es sich um Thermoplaste. Deshalb lassen sie sich gut aus der Schmelze verarbeiten.

 

Verarbeitung

Kunstfasern werden  nach dem Schmelzspinnverfahren verarbeitet. Hierbei wird das Polyamid-Granulat geschmolzen und anschließend durch Spinndüsen gepresst. Danach werden die erstarrenden Fäden gebündelt und durch Zug gestreckt. Bei diesem sogenannten Verstrecken ordnen sich die Makromoleküle in einigen Bereichen parallel an und bilden durch "Wasserstoffbrücken" kristallähnliche Bereiche aus, die den Kunststofffasern eine größere Festigkeit geben. Ein verstrecktes Polyamid ist also ein teilkristalliner Kunststoff.

 

Verwendung

duebelcfnylon-Fotolia 63791241 XSDie ersten brauchbaren synthetischen Kunstfasern waren Polyamide. Sie zählen heute noch zu den mengenmäßig bedeutsamsten Kunstfasern. Wichtige Vertreter sind Nylon und Perlon. Doch nicht nur bei den Textilien findet man Polyamide. Aus diesem Kunststoff bestehen auch Angelschnüre, Saiten von Streich- und Zupfinstrumenten, chirurgisches Nahtmaterial, Dübel, Kabelbinder, Zahnräder, Zahnbürsten-Borsten, Kraftstoffleitungen, Ölwannen uvm.

Bildquelle rechts: Nylonstrümpfe, Africa-Studio - Fotolia.com

 

Identifikation

Polyamid brennt mit gelboranger Flamme. Der brennende Kunststoff schäumt etwas und bildet braunschwarze Ränder und tropft in Fäden ab. Bläst man die Flamme aus, so riecht der Rauch leicht nach Horn. Bei der Schwelprobe  wird der Kunststoff braun und bildet braunen Qualm. Die Dämpfe reagieren alkalisch.

PA schwimmt nicht in Wasser. Polyamid löst sich etwas in Ameisensäure. Damit lässt sich Polyamid auch kleben.

 

Synthese

Hergestellt werden die Polyamide durch Polykondensation.

Folgende Monomere werden in der Regel für die Synthese verwendet:

  • Aminosäuren
  • Diamine (Monomer mit zwei Amino-Gruppen)
  • Dicarbonsäuren (Monomere mit zwei Carboxy-Gruppen) bzw. Halogenide der Dicarbonsäuren
  • Lactame (ringförmige Moleküle, die innerhalb des Ringes eine Amidbindung besitzen

Nylon

Link: Entdeckung des Nylons

 

 

nylon-syntheseDie Nylonsynthese ist eine Kondensationsreaktion bzw. eine Grenzflächen-Polykondensation, weil die Kondensation an der Grenzfläche zweier Flüssigkeiten stattfindet. 

Verwendet man für die Synthese von Nylon Adipinsäure (1,6-Hexandisäure), so spaltet sich bei der Polykondensation Wasser ab. Dies wird hier beim Reaktionsschema 1 in Skelettformelschreibweise links erkennbar.

nylonsynthese-2Die Zahlen hinter dem Wort Nylon geben die Anzahl der Kohlenstoff-Atome der Edukte an. Die erste Zahl gibt die Anzahl der C-Atome der Dicarbonsäure und die zweite Zahl gibt die Anzahl der C-Atome des Diamins an.

 

 

 

Man kann für die Nylonsynthese aber auch Adipinsäuredichlorid (Hexansäuredichlorid) verwenden. Beim Reaktionsschema 2 in Halbstrukturformelschreibweise wurde Sebacinsäuredichlorid (Decansäuredichlorid) benutzt. Durch Zugabe von Natronlauge kann das chemische Gleichgewicht zugunsten der Polyamidbildung verschoben werden, da hierbei eine Neutralisationsreaktion vonstatten geht [1], wobei durch das Entfernen des Reaktionsproduktes natürlich sowieso das chemische Gleichgewicht zugunsten des Reaktionsproduktes verschoben wird.

 

 

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[1] Kölner Modell, Experimente zu Makromolekülen, 5. überarb. Auflage Februar 2006

 

Polyester

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merke-kleinPolyester erhält man durch Kondensation von mehrwertigen Alkoholen mit Dicarbonsäuren. Polyester enthalten Esterbindungen -[-CO-O]- in ihrer Hauptkette. Der wichtigste Polyester ist Polyethylenterephthalat (PET), ein unverzweigtes Polymer. Werden als Monomere Dicarbonsäuren und mehrwertige Alkohole (z.B. Glycerin) verwendet, so erhält man quervernetzte Polyester, die dann duroplastische Eigenschaften besitzen (z.B. ungesättigter Polyesterharz). Diese werden oft glasfaserverstärkt für Boote, Balkonverkleidungen und Karosserieteile verwendet.

 

Polyethylenterephthalat (PET)

PET-recycStruktur

Ausschnitt:

PET-Struktur

Eigenschaften / Verwendung

 

An der Strukturformel kann man sehen, dass PET polar ist: Die Sauerstoffatome besitzen eine negative Partialladung, die benachbarten Kohlenstoffatome eine entsprechende positive Partialladung, wodurch starke zwischenmolekulare Kräfte (Dipol-Dipol-Wechselwirkungen) zustande kommen. Zudem ist das Molekül linear, es gibt keine Verzweigungen, es sind also alle Voraussetzungen für kristalline Bereiche und somit für die Ausbildung von Fasern gegeben.

Da PET darüber hinaus nicht quervernetzt ist, handelt es sich um einen Thermoplasten (letzteres sieht man übrigens sehr deutlich, wenn man heißen Tee in eine PET-Flasche gießt - die Glasübergangstemperatur (Erweichungstemperatur) von PET liegt bei 74°C, der Schmelzbereich bei 220-260 °C.

 

Die ersten Kunststoffe aus PET wurden als Kunstfasern verwendet. Als Textilfaser hat PET verschiedene nützliche Eigenschaften: Es ist kaum dehnbar und daher sehr formbeständig, knitterfrei, reißfest, außerdem nimmt es nur sehr wenig Wasser auf, was es z.B. für Sportkleidung gut geeignet macht, die ja am Körper schnell trocknen soll, um Auskühlung zu verhindern.

Heute wird PET vorwiegend für die Herstellung von Getränkeflaschen, Folien und Kosmetikflaschen verwendet.

newsimage56601

Bildquelle (idw)

 

 

 

Identifikation

Geht in Wasser unter, brennt knisterd, tropft, leuchtende Flamme. Schwelprobe: verkohlt nach dem Schmelzen.

Synthese

Polyethylenterephthalat (PET) kann aus Ethandiol (Glykol) und Terephthalsäure (1,4- Benzoldicarbonsäure), einer Dicarbonsäure synthetisiert werden:

PET-1

 

 Polycarbonate

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