Kunststoffe
I. Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen
II. Die Herstellung von Kunststoffen
III. Recycling von Kunststoffen
I. Eigenschaften und Verwendung von Kunststoffen
Von morgens bis abends bedienen wir uns einer Vielzahl von Gebrauchsgütern,
die aus Kunststoffen bestehen (s.u. Tabelle 1), so dass uns ein Leben ohne Kunststoffe
kaum noch vorstellbar scheint. Andererseits wissen wir trotz des vielseitigen Einsatzes von
Kunststoffen und ihrer unterschiedlichen Erscheinungsformen sehr wenig über die Chemie
der verschiedenen Kunststoffe.
Das Gebiet der Kunststoffe, die früher auch als Plaste bezeichnet wurden,
ist in wissenschaftlicher und technischer Hinsicht besonders in den letzten 4 Jahrzehnten
enorm angewachsen und befindet sich noch immer in stetiger Aufwärtsentwicklung.
Inzwischen gibt es zahlreiche Kunststoffe mit speziellen, zweckbestimmten Eigenschaften.
Zwei grundlegende Materialeigenschaften von Kunststoffen sind uns aus dem
alltäglichen Gebrauch und alltäglichen Erfahrungen bekannt.
So wissen wir, dass z. B. eine Plastiktüte unter dem
Einfluss starker Hitze (z. B. einer heißen Herdplatte) zu schmelzen beginnt, während ein Kochlöffel
dieses unbeschadet überstehen würde. Weiterhin kennen wir aus dem Alltag Kunststoffe, die unter
dem Einfluss mechanisch einwirkender Kräfte ihre Form behalten, während sich
andere, wie z. B. Gummis, dehnen lassen und später ihre ursprüngliche Form wieder
einnehmen. Sie zeigen ein elastisches Verhalten.
Diese zwei Materialeigenschaften, das Verhalten gegenüber Erwärmung und die
Elastizität, werden auch zur Einteilung der Kunststoffe herangezogen. Thermisch
verformbare Kunststoffe heißen Thermoplaste, hitzebeständige Kunststoffe werden
als Duroplaste und elastische Kunststoffe als Elastomere bezeichnet.
Versuch:
Unterscheiden von Thermoplasten, Duroplasten und Elastomeren
Diese verschiedenen Eigenschaften der Kunststoffe basieren auf ihrem unterschiedlichen molekularen Aufbau. Kunststoffe bestehen aus sehr großen Molekülketten (Makromolekülen), die unterschiedlich angeordnet und vernetzt sein können.
Thermoplaste
In Thermoplasten liegen die Makromoleküle hauptsächlich
nebeneinander vor. Wird ein solcher Kunststoff erwärmt, können
die Moleküle aneinander entlanggleiten und der Gegenstand verformt
sich. Beim Abkühlen erhärtet der Kunststoff zu einer neuen Form.
Duroplaste
Die Duroplaste sind aus Makromolekülen aufgebaut, die
engmaschig miteinander vernetzt sind. Dabei entstehen zwischen den
Molekülen feste Bindungen, so dass die Moleküle beim
Erhitzen nicht aneinander vorbeigleiten können.
Elastomere
Die Makromoleküle der Elastomere bilden dichte "Knäule".
Beim Dehnen eines Gegenstandes aus Elastomeren werden die "Knäule"
auseinandergezogen. Lässt man den Gegenstand wieder los,
"verknäulen" sich die Moleküle erneut.
Struktur der Makromoleküle verschiedener Kunststoffsorten
(Quelle: Cornelsen)
In der folgenden Tabelle sind einige Kunststoffe hinsichtlich ihrer Eigenschaften und
Verwendung zusammengestellt:
Kunststoff | Verwendung | |
---|---|---|
Thermoplaste | PE Polyethen |
Plastikbeutel, Eimer, Frischhalte-Folie, Bierkästen, Schläuche, Flaschen von Reinigungsmitteln |
PP Polypropen |
Einwegbecher, Joghurt-Becher, Batteriekästen, Schuhabsätze | |
PS Polystyrol |
Einwegbecher, Joghurt-Becher, Kugelschreiber, Dia-Rahmen, Tonbandkassetten, Beschichtung von Blumendraht, Styropor ® | |
PVC Polyvinylchlorid |
Fußbodenbeläge, Kabelummantelungen, Abflussrohre, Schallplatten, Duschvorhänge, Lüsterklemmen, Schläuche | |
PA Polyamid |
Dübel, Angelschnur, Brillengestelle, Nylon, Perlon | |
PMMA Polymethylmethacrylat |
Autorücklichter, Lineale, bruchfeste Verglasungen, Plexiglas | |
Duroplaste | MF Melami-Formaldehyd-Harz (Phenoplaste) |
Kochlöffel, Oberfläche von Küchenmöbeln, elektr. Isoliermaterial, Bakelit ® |
UF Aminoplaste |
Steckdosen, elektr. Isoliermaterial, Eierbecher, Tabletts, Lichtschalter, Becher | |
Elastomere | PUR Polyurethan |
Matratzen, Fugendichtung, Wärmedämmung, Schaumstoffe, Moltopren ® |
Vulkanisierter Kautschuk (Gummi) |
Gummistiefel, Autoreifen, Latexhandschuhe, Gummibänder, Schnuller, Präservative |
Tabelle 1: Eigenschaften und Verwendung verschiedener Kunststoffe
Versuche:
Erkennen von Kunststoffen aufgrund ihres Schwelverhaltens
Einige Kunststoffe besitzen auch die Eigenschaft, sich gut in organischen Lösungsmitteln bzw. Lösungsmittelgemischen zu lösen. Solche Kunststoffe werden in Lacken verwendet.
Versuch:
Ein Lack aus Kunststoffabfall
II. Die Herstellung von Kunststoffen
Wie der Name schon sagt, werden Kunststoffe auf künstlichem Wege
(synthetisch) hergestellt. Ihre Herstellung erfolgt immer durch Verknüpfung vieler
kleiner Moleküle (Monomere) zu den großen Makromolekülen (Polymere) der
Kunststoffe. Dies lässt sich vereinfacht mit dem Bau eines Turms aus vielen
kleinen LEGO® -Steinen vergleichen, der später eine neue und größere Gestalt besitzt,
als die einzelnen Teilchen zuvor.
Die zur Herstellung von Kunststoffen verwendeten Monomere sind zum Teil Produkte der
Erdölaufbereitung bzw. aus diesen synthetisiert. Inzwischen wurde aber auch schon eine Reihe
von Kunststoffen entwickelt, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden können.
Trotz des ähnlichen Prinzips der Herstellung polymerer Verbindungen, sind die
Reaktionen, die zur Verknüpfung der Monomere führen, verschieden. Je nachdem,
welche chemischen Eigenschaften die Monomere besitzen, lassen sie sich durch Polymerisation,
Polykondensation oder Polyaddition miteinander verknüpfen.
Polymerisation
Bei der Polymerisation vereinigen sich kleine Moleküle (Monomere), die Doppelbindungen aufweisen.
Zunächst wird den Monomeren ein Aktivator zugesetzt, der Radikale bildet.
Dies sind reaktionsfreudige Teilchen mit je einem ungepaarten Elektron. Ein solches Radikal
lagert sich an ein Monomer an und erzeugt dabei ein neues, größeres Radikal, welches sich
an ein weiteres Momomer unter erneuter Radikalbildung anlagert. So entstehen immer größere
Radikale, bis keine Monomere mehr vorhanden sind oder zwei Radikale aufeinandertreffen.
Versuch:
Herstellen von Polystyrol
In der folgenden Tabelle sind die Makromolekülausschnitte einiger Polymerisationsprodukte und deren Monomere dargestellt:
Kunststoff |
Formelausschnitt |
Name des Monomeren |
Formel des Monomeren |
PEPolyethen |
|
|
|
PPPolypropen |
|
|
|
PSPolystyrol |
|
|
|
PVCPolyvinylchlorid |
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|
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Tabelle 2: Polymerisationsprodukte aus unterschiedlichen Monomeren. (Quelle: nach [17])
Polykondensation
Im Allgemeinen verbinden sich bei Kondensationsreaktionen zwei Moleküle
unter Abspaltung eines kleineren Moleküls, wie z. B. bei der
Bildung von Estern.
Polykondensationsreaktionen setzen im Molekül der Monomere mindestens zwei funktionelle
Gruppen voraus, die zwischen den einzelnen Molekülen miteinander reagieren und so die Monomere zu Polymeren
verknüpfen. Reagieren Carboxylgruppen (COOH-Gruppen) mit Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) entstehen
Ester; die so genannten Polyester.
Außer den Polyestern gibt es aber auch Polykondensate, die aufgrund der
Reaktion anderer funktioneller Gruppen synthetisiert werden und aus unterschiedlichen
Monomeren aufgebaut sind. Beispiele hierfür sind Bakelit® (Phenol-Formaldehyd-Harz),
Nylon und Perlon.
Versuche:
Herstellen eines Polyesters aus Citronensäure
Herstellen eines Polyesters aus Citronensäure und Rizinusöl
Polyaddition
Bei der Polyaddition reagieren unterschiedliche Monomere in einer Additionsreaktion miteinander, ohne
dass ein Nebenprodukt entsteht. Beispiele für Kunststoffe, die durch Polyaddition hergestellt
werden, sind Polyurethane und auch Polyester, wobei letztere aus Anhydriden und Oxiden bzw.
Alkoholen hergestellt werden, so dass kein Wasser als Nebenprodukt entsteht.
Versuch:
Herstellen von Polyurethan
Vulkanisation
Gummi wird aus Latex durch Vulkanisation (erhitzen mit Schwefel oder Schwefelverbindungen)
hergestellt. Es ist ein vielverwendetes Elastomer und kann je nach Herstellungsverfahren
bestimmte Eigenschaften zeigen.
Versuche:
Herstellen von Gummi
Herstellen von Gummi für Autoreifen (Modellversuch)
III. Recycling von Kunststoffen
Aufgrund der vielfältigen Verwendung von Kunststoffen und deren häufigem Einsatz als Einweg-Produkte,
werden inzwischen nicht nur im Hinblick auf wachsende Müllberge, sondern auch hinsichtlich der verschwendeten
Erdölrohstoffe verschiedene Recycling-Verfahren angewendet.
Versuche:
Recycling von Kunststoffen durch Umschmelzen
Recycling von Polystyrol
Recycling von Plexiglas
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