Beispiele für die Verfahren zur Herstellung von klassischen Kunststoffen
Experimente:
Versuch: Ein Tischtennisball brennt
Versuch: Herstellung von Nitrocellulose
Versuch: Herstellung von Nylon
Versuch: Herstellung von Phenolharzen
Versuch: Herstellung eines Polyurethans
Versuch: Herstellung eines Polyesters
Versuch: Herstellung von Polystyrol
Versuch: Herstellung von Cellophan
Hinweis: Einige der Kunststoffbezeichnungen sind ®-geschützte Namen. Dass nicht extra darauf
hingewiesen wird, berechtigt nicht dazu, den Namen verwenden zu dürfen.
Celluloseester: Nitrocellulose und Celluloseacetat
Diese Celluloseester werden hergestellt, indem man Cellulose mit Säuren behandelt.
Im ersten Fall setzt man Salpetersäure/-Schwefelsäure-Gemische ein (->
Versuch), im anderen Essigsäureanhydrid (->
Versuch). Nitrocellulose ist auch unter dem Namen
Celluloid bekannt. Gefürchtet ist seine leichte Brennbarkeit,
die man an den Tischtennisbällen demonstrieren kann (->
Versuch). (Nitrocellulose findet als
initiierender Sprengstoff z. B. im Airbag Verwendung.)
Celluloseacetat oder Acetylcellulose ist als Cellitfilm
Grundstoff für Sicherheitsfilme. Aber auch Zigarettenfilter bestehen daraus.
Polyester
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Polyester herzustellen. Im Allgemeinen wählt
man eine reaktive Säurekomponente wie ein Säuredichlorid oder ein Säureanhydrid
wie das der o-Phthalsäure aus (-> Versuch).
Polyurethane
Diese meistens schaumig hergestellten Kunststoffe kennt man als Dichtungsmasse. Sie gewinnt
man durch Einwirkung von Diisocyanaten auf binäre Alkohole (->
Versuch). Im Allgemeinen gibt man einen
Katalysator wie Triethyldiamin (DABCO) zu. Zum Schäumen ist der Zusatz von etwas
Wasser nötig, da sich dann etwas Diisocyanat unter CO2-Bildung zersetzt.
Polyamid Nylon
Ausgangsstoffe für Nylon sind Adipinsäuredichlorid und Hexamethylendiamin (->
Versuch).
Ersteres gewinnt man aus Cyclohexanol, das reduktiv aus Phenol gebildet wird. Ausgangsstoff für die andere Komponente sind Butadien und Blausäure. Die Bausteine werden auch aus Hemicellulosen, also Nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Diese fallen bei der Celluloseherstellung aus Holz als Nebenprodukte an.
Polyamid Perlon
Perlon gewinnt man aus dem cyclischen e-Caprolactam, dessen Edukt
ebenfalls Phenol ist. Der Kunststoff bildet sich unter katalytischer Einwirkung von Wasser in
einer ringöffnenden Kettenreaktion:
Formaldehydharze
Setzt man Formaldehyd katalytisch mit Phenolen oder Harnstoff um, bilden sich Duroplaste
(-> Versuch):
Typisch für Formaldehydharze ist, dass sie noch lange Zeit Formaldehyd ausdunsten. Beim Erwärmen emittieren diese Harze auch Phenol oder fischartig riechende Amine (typischer Geruch von überhitzten Lampenfassungen).
Polyethylen
Ethylen ist ein Gas, das in großen Mengen bei der Erdölverarbeitung durch den
Crackprozess, bei dem langkettige Moleküle zu kleineren umgewandelt werden,
freigesetzt wird. Früher fackelte man die Crackgase ab. Heute hat man dafür
Verwendung gefunden. Durch Zusatz eines Radikalbildners und unter hohem Druck
polymerisiert es zu PE.
Man unterscheidet entsprechend der Reaktionsbedingungen Hochdruck-
und Niederdruckethylen. Ersteres ist fester und schwerer.
Polypropylen
Polypropylen ist ebenfalls ein Abfallprodukt bei der Erdölraffination. Die
Polymerisationsprodukte sind kaum von PE zu unterscheiden und werden ebenfalls als
Hostalentypen klassifiziert. Durch Zusatz bestimmter anorganischer Katalysatoren
(Ziegler-Natta) lassen sich Kettenlänge und sterischer Aufbau und die
Eigenschaften variieren.
Teflon
Das Monomere von Teflon ist Tetrafluorethylen. Es wird wie Ethen polymerisiert:
Teflon ist ein hitzestabiles und wasserabweisendes Polymer, das allerdings beim Verbrennen toxische Fluorverbindungen emittiert. Es ist feinstgewebt Bestandteil von Gorextextilien. Diese lassen sich so fein verspinnen, dass ihre Oberflächenspannung den Durchtritt von Wasser verhindert, den von Wasserdampf dagegen erlaubt (Verwendung zur Herstellung von regenabweisenden Textilien).
Polyacrylate wie z. B. Polymethacrylsäuremethylester (PMMA)
Polyacrylate sind polymere Ester der Acrylsäure. Das Monomere von PMMA, Plexi- oder
Acrylglas, ist Methacrylsäuremethylester. Die Polymerisationsreaktion ist:
Im Auto findet man PMMA vor allem als Material von Rücklichtabdeckungen. Aus Polyacrylaten bestehen besonders viele Chemiefasern. Auch in Adhäsionsklebern spielen sie eine zentrale Rolle.
Polyacrylnitril
Bei der Addition von Blausäure HCN an Ethin bildet sich Acrylnitril:
Acrylnitril ist auch als Sekundenkleber bekannt. Bei dessen Verfestigung läuft folgende Reaktion ab:
Polystyrol
Das Monomere von Polystyrol ist Styrol (Vinylbenzol). Die Polymerisationsreaktion ist:
Die Reaktion wird durch Peroxide eingeleitet (-> Versuch).
Polyvinylchlorid
Das Monomere von Polyvinylchlorid PVC ist Vinylchlorid:
Dieser Kunststoff hat auch im Auto ein weites Anwendungsspektrum gefunden. So werden beispielsweise die Ummantelungen von Kupferkabeln aus diesem Material gefertigt. Sein Chloranteil beträgt ca. 56 Masse%.
Polybutadien
Die Polymerisation von Butadien erfolgt nach ähnlichen Mechanismen wie die von PE
und PP. Auslöser der radikalischen Reaktion kann metallisches Natrium sein (daher der
Name Buna).
Bei der Polymerisation bleibt wie auch im Naturkautschuk eine Doppelbindung erhalten. Deshalb kann man Polybutadien wie Kautschuk vulkanisieren. Es dient als Ausgangsstoff für Kunstgummi und findet in der Autoreifen- sowie in der Dichtungsherstellung eine breite Verwendung.
Polyether
Diese Kunststoffe werden u. a. durch Polymerisation von Epoxiden (Oxiranen) wie Ethylenoxid oder Propylenoxid hergestellt.
Epoxide verhalten sich letztlich wie Alkene, also wie Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindung. Ursache ist die gespannte Bindung in diesem heterozyklischen Oxiran-System.
Zur Herstellung von Kunststoffen, die unter Verwendung von
Nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, gibt es die Webseiten
Kunststoffe - Grundlagen und Definitionen
und Kunststoffe aus Nachwachsenden
Rohstoffen.
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