Thermoplaste

Gruppe von Lena, Paulina, Daniel, Alexander, Laura und Lea!

Kaum ein Tag vergeht an dem wir nicht mit Kunststoffen in Kontakt treten. In unserer modernen Welt sind sie ein beliebter Werkstoff welcher vielfältig eingesetzt wird, zum Beispiel in der Fahrzeug- oder der Textilindustrie. Doch Kunststoff ist nicht gleich Kunsstoff. Verschiedenste Bedürfnisse brauchen verschiedenste Eigenschaften. Für den Einsatzbereich entscheidend sind Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Verformbarkeit und Elastizität. Es ergeben sich die drei Gruppen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere.

Monomere

Moleküle aus denen Makromoleküle gebildet werden nennt man Monomere. "Monomeres" ist griechisch für einfach und einteilig, was gut die Funktion des Monomers beschreibt, denn es ist die kleinste Einheit welche immer wieder kehrt. Durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition reagieren sie zu Polymeren (Makromolekülen). Man unterscheidet zwischen Homopolymeren und Copolymeren, letztere sind Polymere aus unterschiedlichen Monomeren. Bei Homopolymeren wird ausschließlich eine Monomer-Art benutzt. Benutzt man Aufgebaut sind Monomere meist durch eine C=C Doppelbindung, allerdings sind auch weitere Moleküle denkbar - wichtig sind mindestens zwei funktionelle Gruppen pro Molekül. Ein bekanntes Beispiel ist das Ethen (Ethylen), es wird für Tragetaschen, Eimer und Mülltonnen benutzt.

Ethen

Thermoplast

Thermoplaste sind Kunststoffe, die bei einer bestimmten Temperatur verformbar sind. Das Wort Thermoplaste lässt sich in zwei Teile aufteilen: "Thermo" steht für Wärme und "Plasten" bedeutet formen. Bei niedrigen Temperaturen sind die Kunststoffe fest. Erwärmt man den Stoff gelangt er zunächst in den thermoelastischen Bereich, indem der Stoff verformbar ist, aber anschließend wieder seine ursprüngliche Form annimmt (bspw. ein Schwamm bei Raumtemperatur) . Wenn man den Kunststoff noch weiter erhitzt, gelangt man in den thermoplastischen Bereich, wo der Stoff ebenfalls verformbar ist, aber im Gegensatz zum anderen Bereich, nicht mehr in seine Ursprungsform zurückgeht. Zuletzt kann man die Kunststoffe so weit erhitzen, bis sie flüssig werden und sich schlussendlich zersetzen. Die Grundstruktur eines Thermoplasts besteht aus mehreren nebeneinander verlaufenden Ketten (Polymere), welche untereinander nicht vernetzt sind. Diese sind für die thermoplastische Eigenschaft verantwortlich. Somit gilt: Je höher die Temperatur ist, desto besser können die einzeln vorliegenden Polymere (lineare/strauchähnlich verzweigte Makromoleküle) gegeneinander verschoben werden. Die Verschiebung wiederum ist für die Elastizität notwendig. Man unterscheidet hier zwischen zwei Bereichen. In dem kristallinen Bereich liegen die Ketten geordnet nebeneinander vor und im amorphe Bereiche liegen die einzelnen Ketten ungeordnet und verknäult vor. Je mehr kristalline Bereiche es gibt, desto härter und spröder ist ein Thermoplast.

kristalline Bereiche

amorphe Bereiche

Duroplast

Als Duroplast bezeichnet man einen sehr harten, stabilen Kunststoff. Er wird aus Monomeren duch Polykondensation künstich zusammengesetzt. Durch Atombindungen sind Molekülketten engmaschig 3D verknüpft und daher nur wenig beweglich (Abbildung). Es bestehen mindestens 2-3 Bindungen und somit werden auch mehr als 2 funktionelle Gruppen benötigt. Anders als Thermoplaste sind Duroplaste nicht schmelzbar und nicht durch Lösemittel auflösbar. Bei Hitze zersetzten sie sich lediglich, denn ihre Atombindungen werden gespalten. Allerdings sind Duroplasten, im Gegensatz zu Elastomeren, hart, spröde und können zerbrechen. Aufgrund ihrer Eigenschaften werden sie oft in Computern oder auch Autos verbaut, denn sie sind hitzebeständig, sehr stabil und nicht verformbar.

Polymerisation

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Kunsttoffe herzustellen. Man unterscheidet bei den Reaktionsarten zwischen der Polykondensation, der Polyaddition und der Polymerisation. Das verwendete Monomer bestimmt hierbei die Reaktionsart. Die Polymerisation läuft ab wenn mindestens eine C=C Doppelbindung vorliegt. Dies ist entscheidend für den weiteren Verlauf der Reaktion, denn bei dieser brechen Doppelbindungen auf und die verschiedenen Monomermoleküle verbinden sich unter Ausbildung von C-C Einfachbindungen. Liegt nur eine Doppelbindung vor entstehen lange, unverzweigte Ketten. Dieses Verfahren stellt Thermoplasten her.

Polyester

Polyester sind Polymere mit Esterfunktionen und bilden die große Familie der synthetischen Polymere. Sie werden nach dem Schmelzspinnverfahren hergestellt. Die Polyesterfasern sind widerstandsfähig gegen klimatische Einflüsse und sie die wichtigsten Kunstfasern der Modewelt. Polyestersynthese entsteht durch die ringöffnende Polymerisation, PET und PBT werden durch eine Umesterung hergestellt. Diol wird in der Schmelze am Katalysatorkontakt mit einem Dicarbonsäureester umgesetzt.

Polyamid

Nylon

Polyamide zählen zu den wichtigsten technischen Thermoplasten. Sie sind zähe Materialien mit einer hohen Festigkeit und haben eine gute Abriebs- und Verschleißfestigkeit. Außerdem können sie relativ viel Wasser aufnehmen, sind polar und nur gegenüber starken Säuren unbeständig. Die Polyamide ersetzen viele Metallteile im Fahrzeugbau, da sie eine deutlich höhere Wärmeformbeständigkeit und eine gute Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln aufweisen. Außerdem leiten sich fast alle Polyamide von primären Aminen ab. Die funktionelle Gruppe der sich wiederholenden Einheit ist hier (C=O)-(NH).

Peptid-Gruppen

Die Peptid-Gruppe ist eine (C=O)-(NH)-Gruppe, welche zwei Aminosäuren miteinander verbindet. Dies ist die Bindung zwischen der Carboxylgruppe einer Aminosäure und der Aminogruppe einer zweiten Aminosäure.

Peptidbindung

PVC

Herstellung

Polyvinylchlorid (PVC) wird durch eine radikalische oder ionische Kettenpolimerisation aus dem Monomer Vinchlychlorid (CH² = CHCl) erzeugt. Um es herzustellen, kann man zum einen Ethin und zum anderen Ethen verwenden. Bei der ersten Möglichkeit findet die Reaktion zwischen Chlorwasserstoff(HCl) mit Ethin statt. Wenn eine Temperatur von 200°C gegeben ist und es unter Druck steht wird Chlorwasserstoff and die Dreifachbindung des Ethins addiert und bildet somit Vinylchlorid. Außerdem muss Quecksilber(II)chlorid als Katalysator vorhanden sein. Diese Reaktion ist in dem vorliegenden Bild: Herstellung eines Vinylchlorids dargestellt.

Vinylchlorid

Nachdem das Vinylchlorid hergestellt wurde muss es noch polymerisiert werden. Dies geschieht durch eine radikale Polimerisation, wobei die Aktivierung durch Radikalstarter ,auch Iniatoren genannt, stattfindet. Diese Iniatoren haben schneller eine Kettenreaktion zur Folge als andere Stoffe. In der heutigen Produktion werden bestimmte preisgünstige Peroxide (Iniatoren) , die bereits bei niedrigen Temperaturen wirken, zur Produktion von PVC eingesetz.

Herstellung eines Vinylchlorids

Das Polyvinylchlorid ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Eigenschaften

PVC ist ein harter, spröder, weißer armorpher thermoplastischer Kunststoff. Außerdem würde durch stärkere Erwärmung des PVC, Chlorwasserstoff freigesetzt werden, dies wird durch zum Teil giftige Schwermetallverbindungen, die als Stabilisatoren zugesetzt werden, verhindert. Ebendso wird es beim Erhitzen weich und plastisch verformbar, wie bei den meisten Thermoplasten. PVC ist geruchs- und geschmachsfrei, beständig gegen Wasser, gegen viele organische Lösungsmittel und gegen schwache Säuren und Basen. Nachteil ist, dass es eine schlechte elektrische Leitfähigkeit besitzt und sich bei Wärmeeinwirkung langsam zersetzt. Die Dichte beträgt 1,38 und die Druckfestigkeit 55- 90 MPa. Zudem ist es schwer entflammbar.

Anwendung

Quellen

https://de.wikipedia.org/wiki/Monomer Chemie Buch: elemente chemie 2 (Seite 306 ff.) https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur/artikel/polyvinylchlorid-pvc