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Chemie: 11. Klasse | Kunststoffe

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Kunststoffe

Kunststoffe als makromolekulare Stoffe

Kunststoffe sind organische Makromoleküle, die durch kovalente Verknüpfung von kleinen, sich wiederholenden Molekülbausteinen, den Monomeren entstehen. Sie werden deshalb als Polymere bezeichnet. Um die Strukturformel der Makromoleküle anzudeuten, schreibt man die Repetiereinheit, d.h. die sich wiederholende Struktureinheit, in eckige Klammern geschrieben.

Die ersten Kunststoffe wurden auf der Basis von Naturstoffen hergestellt (z.B. Gummi: Vernetzung von Kautschuk-Makromolekülen mit Schwefel). Die späteren Kunststoffe sind aus Bausteinen hergestellt, die aus Erdöl gewonnen werden.

Bildung von Makromolekülen

Radikal-Polymerisation

Beispiel einer Repetiereinheit
Beispiel einer Repetiereinheit am Beispiel des Polyethens

Die radikalische Polymerisation ist eine Kettenreaktion, bei der ungesättigte Monomere unter Radikalbindung zu Polymeren reagieren. Dabei laufen die vier Schritte Startreaktion, Kettenreaktion, Kettenwachstum und Kettenabbruch ab.[3]

Dies soll an der Kettenpolymerisation des Polyethens erklärt werden.

Startreaktion

Um die Kettenreaktion zu starten, benötigt man Radikale, die aus Radikalbildnern entstehen. Diese enthalten eine homolytische Bindung, die leicht zerfällt. Dibenzoylperoxid kann zum Beispiel für diesen Vorgang verwendet werden.

Startreaktion einer Radikal-Polymerisation
Kettenstart

Diese Startradikale brechen die Doppelbindungen auf, wodurch ein Radikal des Monomers entsteht.

Kettenstart der Radikal-Polymerisation
Kettenwachstum

Die gebildeten Radikale können nun bei anderen Molekülen die Doppelbindungen aufbrechen, wodurch wieder Radikale entstehen. So bilden sich immer länger werdende Molekülketten

Kettenwachstum der Radikal-Polymerisation
Kettenabbruch

Theoretisch könnte die Kette weiterwachsen bis alle Monomere aufgebraucht sind. In Wirklichkeit kommt es aber zu Kettenabbruchreaktionen, wenn zwei aktive Zentren miteinander reagieren.

Kettenabbruch der Radikal-Polymerisation

Man kann den Abbruch auch durch den Einsatz von Inhibitoren beeinflussen. Sie sind schwache Radikalmoleküle, die zwar keine Startreaktion mit Monomeren auslösen können, aber zur Kombination mit aktiven Zentren befähigt sind.

Polykondensation

Die Polykondensation ist eine Kettenreaktion, bei der zur Verknüpfung der Monomere kleinere Moleküle, z.B. Wasser, abgespalten werden. Dabei verbinden sich Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen

Beispiel: PET

Polyethylenterephthalat – kurz PET – ist ein Polyester, welches aus den Molekülen 1,4-Benzoldicarbonsäure (Terephthalsäure) und Ethan-1,2-diol gebildet wird, es entsteht also ein Ester. Dabei werden Wassermoleküle abgespalten:

Bildung von PET (Polyethylenterephthalat)

Da zur Ausbildung eines Polymers zwei funktionelle Gruppen pro Monomer vorhanden sein müssen und bei Polyestern Moleküle mit Carboxy- und Hydroxygruppen vorliegen, reagieren meistens Dicarbonsäuren mit Diolen. Es können jedoch auch nicht verschiedene Monomere reagieren, wenn sie beide Arten der funktionellen Gruppen haben.

Polyaddition

Die Polyaddition ist eine Kettenreaktion, bei der die Bildung der Makromoleküle erfolgt, ohne dass Molekülteile aus den reagierenden Gruppen abgespalten werden. Die Neuverknüpfung von Verbindungen erfolgt in der gleichzeitigen Wanderung eines Wasserstoffatoms.

Polyurethan (PUR)

Polyurethane sind aufgrund ihrer Vielseitigkeit in vielen Bereichen im Einsatz, z.B. im Fahrzeugbau. Die Monomere sind mehrwertige Alkohole und Diisocyanate. Isocyanate sind Moleküle mit der funktionellen Gruppe Funktionelle Gruppe eines Isocyanat. Das O-Atom des Alkohols reagiert dabei mit dem Kohlenstoffatom des Isocyanats:

S16

Struktur und Eigenschaften der Kunststoffe

Thermoplaste

Thermoplaste erweichen beim Erwärmen (bei einem breiten Schmelzbereich) und sind in diesem Zustand verformbar. Kühlen sie ab, erhärten sie in der neuen Form. Ein Beispiel für Thermoplaste sind alle linearen Makromoleküle.

Duroplaste

Duroplaste sind langmaschig vernetzte Molekülketten, die beim Erwärmen nicht verformbar sind. Starkes Erhitzen führt zu einer Zersetzung. Sie haben eine Vernetzung von Monomeren mit mindestens drei funktionellen Gruppen. Bakelit ist ein Vertreter der Duroplaste.

Elastomere

Elastomere zeichnen sich durch weitmaschig vernetzte Molekülketten aus, die bei Zugbeanspruchung ein gummiartiges Verhalten zeigen. Man kann sie nicht zum Schmelzen bringen, da sie sich bei hohen Temperaturen zersetzen.

„Kunststoffe nach Maß“

Durch verschiedene Maßnahmen kann man Kunststoffe der Verwendungsart anpassen. Dies kann u.a. mit Weichmachern geschehen oder durch die Änderung der Produktionsbedingungen. So kann man Polyethen auf zwei Arten herstellen.

Setzt man ein Hochdruckverfahren ein, wird weiches Polyethen erzeugt, da sich kürzere Ketten bilden. Wegen seiner geringeren Dichte spricht man von PE-Low-Density (PELD). Im Niederdruckverfahren wird in Verbindung mit Katalysatoren hartes PE-High-Density (PEHD) hergestellt.

Moderne Werkstoffe

Silikone

Herstellung

Silikone werden hergestellt, indem man zwei Chlormethanmoleküle mit Silicium reagieren lässt. Dabei entsteht Dichlorolimethylsilan, das bei Wasserzugabe unter Abspaltung von Salzsäure Dimethylsilandiol bildet. Dieses kann mit einem anderen Monomer unter Wasserabspaltung ein Polymer bilden:

Herstellung von Silikonen
Eigenschaften und Verwendung von Silikonen

Silikone weisen eine hohe Temperaturbeständikgeit auf und sind ebenso beständig gegenüber Wettereinflüssen und chemischen Stoffen. Zudem bieten sie eine gute Isolation.

Sie werden als (Ver)Dichtungsmaterial und Isoliermaterial verwendet. Zum Einsatz kommen sie zudem in der Medizin (z.B. als Herzklappen) und als Imprägniermittel.

Carbonfasern

Carbonfasern sind carbonfaserverstärkte Kunststoffe (CFK). Sie entstehen durch Erhitzen organischer Fasern.

Eigenschaften und Verwendung von Carbonfasern

Sie sind härter als Stahl und leichter Aluminium und haben eine geringe Dichte, aber zudem eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie gute Dämpfungseigenschaften.

Deshalb werden sie beim Fahrzeugbau (z.B. Leitwerke bei Flugzeugen) und bei den Rotoren von Windrädern verbaut.

Kunststoffabfall

Kunststoff ist im Allgemeinen sehr langlebig. Zudem kann es nicht zersetzt werden, es verrottet also nicht. Zudem gibt es Probleme bei der Entsorgung, insbesondere der Deponierung, weshalb man nach Alternativen sucht.

Verbrennung

Kunststoffe besitzen einen großen Energiegehalt. Sie können mit Sauerstoff reagieren und geben dabei Wärme ab, was in Müllverbrennungsanlagen zur Energiegewinnung genutzt wird. Bei vollständiger Verbrennung werden Kohlenstoffdioxid und Wasser frei, bei einer unvollständigen auch giftiges Kohlenmonooxid, kurzkettige Kohlenwasserstoffe, Außerdem führt dies zu einer hohen Feinstaubbelastung.

Werden zudem PVC-haltige Kunststoffe verbrannt, können die Kohlenstoffatome zur Bildung von giftigen Dioxinen, die erbgutschädigende und krebserregende Zellgifte sind, und anderen Chlorverbindungen führen.

Verwertung

Da die Verbrennung sowohl ökologisch als auch ökonomisch bedenklich sind, da Rohstoffe verloren gehen und die Umwelt belastet wird, wird das Recyclingverfahren zunehmend wichtiger. Dabei sind jedoch Nutzen und (Energie)Kosten abzuwägen.

So können Polyester und -amide durch Hydrolyse bei circa 200°C in Monomere zersetzt werden. Die Pyrolyse (Hitzespaltung) bei 700-800°C zerlegt sie weiter in niedermolekulare Bruchstücke. Es findet keine Verbrennung aufgrund des fehlenden Sauerstoffs statt.

Die Zersetzungsprodukte sind ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffverbindungen; dieses Rohgas wird nach der Kühlung und Reinigung in verschiedene Fraktionen getrennt. Pyrolyseöl (Alkane, Alkene, Aromaten) ist dann Ausgangsstoff für die Synthese neuer Kunststoffe.

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