Kunststoffe - Grundlagen und Definitionen
Experimente:
Versuch: Nadeltest zur Identifizierung von Kunststoffen
Versuch: Schmelzverhalten von Kunststoffen
Versuch: Der brummende Sektkorken
Versuch: Brennverhalten von Kunststoffen
Unser Zeitalter ist das Kunststoffzeitalter: Immer mehr natürliche und mineralische
Werkstoffe sowie Metalle werden durch Kunststoffe ersetzt.
Hinweis: Einige der Kunststoffbezeichnungen sind ®-geschützte Namen. Dass nicht extra darauf hingewiesen wird, berechtigt nicht dazu, den Namen verwenden zu dürfen.
Definitionen
Kunststoffe sind Werkstoffe, die aus Makromolekülen bestehen.
Makromoleküle sind aus kleinen Molekülen aufgebaut, den Monomeren. Diese sind
untereinander durch gleiche Bindungsarten verknüpft. Der
Aggregatzustand liegt zwischen fest und flüssig, er ist plastisch.
Beispiele für mehrfunktionelle Monomere
Monomere
Es gibt zwei Arten von typischen Monomeren:
| - | Bi- oder mehrfunktionelle Monomere wie Ethylenglykol (1), Terephthalsäure (2), Hexamethylendiamin (3), Adipinsäuredichlorid (4) und Harnstoff (5). |
| - | Ungesättigte Monomere enthalten Doppelbindungen, die sich beidseitig zur Bindung an zwei andere Moleküle öffnen können. Zu nennen sind Ethen (7), Vinylchlorid (8), aber auch Formaldehyd (9) und Diisocyanat (10). |
Beispiele für ungesättigte Monomere
Ausgangsstoffe für Kunststoffe
Bei den technisch wichtigsten Kunststoffen dienen als Ausgangsstoffe meistens Ethin, Benzol,
die Crackgase Ethen und Propylen. Letztlich sind Erdöl, Erdgas und Kalk sowie Kohle die
Edukte für petrostämmige Kunststoffe. Aus den beiden letzteren gewinnt man
Calciumcarbid, der Quelle für Ethin.
Im Autobau gewinnen neuerdings auch Kunststoffe auf Basis der
Nachwachsenden Rohstoffe zunehmend an Gewicht.
Kunststoffarten
Es gibt eigentlich nur wenige (etwa 100) wirklich verschiedene Kunststoffe, die aber als
Verbundstoffe, Gemische oder einfach nur unter verschiedensten Phantasienamen angeboten werden.
Weiter sind Copolymerisate denkbar. So wird z. B. Butadien zusammen mit Acrylnitril umgesetzt,
wodurch sich die mechanischen Eigenschaften des daraus hergestellten Kunstkautschuks stark
verändern. Durch die Einführung von Verbundmaterialen
werden die Kunststoffe um Größenordnungen besser. Aber damit wird auch das Recycling
von Kunststoffen zunehmend problematisch.
Eine Möglichkeit, Kunststoffe zu grob zu identifizieren, ist der Nadeltest (-> Versuch). Sticht man mit einer glühenden Nadel in die Kunststoffmasse und prüft den Geruch, so findet man z. B., dass Polyethen (PE) nach Paraffin, Poplypropen (PP) nach Terpentin, Polyurethane (PU) nach Ammoniak bzw. Aminen und viele Duroplaste wie Bakelit nach Phenol oder Aminen riechen. Hierbei kann zugleich auch das thermoplastische Verhalten untersucht werden.
Aber auch das Brennverhalten gibt Einblicke in die Art der vorliegenden Kunststoffe (-> Versuch). Dieses Verhalten spielt beim Brandschutz eine wichtige Rolle. Nicht nur das Brennverhalten allein ist wichtig, sondern dabei auch die Bildung von Zersetzungsprodukten. So setzen Polyurethane und vor allem das früher in Autositzen gern verwendete Polyacrylnitril Blausäuregas (HCN) frei, Polystyrol viel Benzol. PVC entwickelt große Mengen an Chlorwasserstoffgas (HCl). Alle Kunststoffe neigen darüber hinaus zur Bildung von CO, da im Allgemeinen im Brandfall das Sauerstoffangebot für eine vollständige Verbrennung zu gering ist.
Kunststoffe unterscheidet man nach:
Klassifizierung nach dem Aufbau
1 Polymerisate
Bei der Polymerisation werden Doppelbindungen geöffnet und mit anderen
Doppelbindungssystemen verknüpft.
In einer Kurzschreibweise zeichnet man nur die Monomeren sowie in einer Klammer das sich wiederholende Bauprinzip des betreffenden Kunststoffs:
Beispiele für Polymerisate sind:
2 Polykondensate
Bei der Kondensation wird je Bindung ein kleines Molekül, meistens Wasser oder
Chlorwasserstoff HCl, abgespalten. Beispiel ist die Bildung eines Polyesters (PET):
In Kurzschreibweise:
Beispiele für Polykondensate sind:
3 Polyaddukte
Bei den Polyaddukten werden gesättigte an ungesättigte Verbindungen addiert; z.
B. Butandiol an Diisocyanate:
In Kurzschreibweise:
Beispiele für Polyaddukte sind:
Klassifizierung nach anderen Kriterien
Das Hauptkriterium ist das Verhalten beim Erhitzen der Kunststoffe (->
Versuch).
1 Thermoplaste (PE, PP, PMMA, Polyacryl)
Kunststoffe aus langkettigen, unverzweigten Molekülen, die sich bei
Temperaturveränderungen leicht und reversibel verformen lassen.
2 Duroplaste (Polykondensate wie Bakelit,
Harnstoffharze)
Kunststoffe aus quervernetzten Makromolekülen. Sie sind äußerst hart und
können nicht ohne Zersetzung umgeschmolzen werden. Aus ihnen werden z. B. Lampenfassungen,
Lichtschalter oder Aschenbecher hergestellt.
3 Elastomere (Gummi, Buna)
Gummielastische Kunststoffe. Sie sind ähnlich wie die Duroplaste nicht umschmelzbar.
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Beispiele für die Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen
Spezielle Kunststoffe (Hochleistungs- oder Hightec-Kunststoffe)
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