Duroplaste
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Kunststoffe
Unter Kunststoffen versteht man synthetisch zusammengesetzte Polymere, welche einen Festkörper bilden. Sie lassen sich insgesamt in drei verschiedene Arten unterteilen:
Elastomere, Thermoplasten und Duroplasten. Diese Unterteilung basiert auf ihren Unterschieden in Temperaturbeständigkeit, Elastizität und Verformbarkeit
Thermoplaste
Thermoplasten sind Kunststoffe, welche aus linearen Kohlenstoffketten bestehen. Zwischen den Ketten herrschen nur schwache Anziehungskräfte (Nebenvalenzen), weshalb sie ab einer gewissen Temperatur bis hin zu ihrer Schmelztemperatur leicht zu verformen sind. Hierbei gibt es zwei verschiedene Temperaturbereiche, die es zu unterscheiden gilt. Im ersten ist der Kunststoff thermoelastisch und nimmt nach dem Verformen beim Abkühlen wieder seine Ausgangsform an, während er im thermoplastischen Bereich zwar verformt werden kann, sich jedoch nicht automatisch wieder zurück formt. Durch das Abkühlen und Wiedererwärmen kann dies beliebig oft widerholt werden, bis es zur Überhitzung und somit auch zur Zersetzung des Stoffes kommt. Thermoplasten werden aufgrund ihrer leichten Formbarkeit außerdem in vielen Alltagsgegenständen verwendet, wie zum Beispiel in Trinkbechern.
Elastomere
Elastomer ist die Bezeichnung für einen elastischen Kunststoff. Er ist, wie auch ein Duroplast, nicht schmelzbar und fängt ebenfalls bei zu hoher Temperatur an sich zu zersetzen. Bei Kälte gefrieren Elastomere glasartig und verlieren ihre Kraft zur Elastizität, da diese temperaturabhängig ist. Je wärmer sie also werden, desto dehnbarer sind sie auch. Auf Zug und Druck reagieren Elastomere mit Verformung, nehmen jedoch ihre Ausgangsgestalt erneut an, sobald dieser nachlässt. Die Makromoleküle innerhalb eines Elastomers sind weitmaschig vernetzt und liegen im ungedehnten Zustand verknäult vor und sind mit Krafteinwirkung gestreckt. Beispiele für Elastomere sind Schwämme, Autoreifen oder auch Gummibänder.
Duroplaste
Ein Duroplast ist im Allgemeinen ein sehr harter Kunststoff, bestehend aus eng vernetzten Polymeren. Er entsteht, wenn Monomere mit jeweils drei funktionellen Gruppen durch Polykondensation miteinander reagieren und sich dreidimensional verbinden. Durch diese feste Vernetzung erhalten Duroplasten zudem eine sehr hohe Stabilität und sind nach dem Aushärtungsprozess nicht mehr verformbar. Sie können deshalb nur mechanisch, durch beispielsweise Fräsen, Sägen oder Feilen, bearbeitet werden. Allerdings bilden sich dabei Risse oder Sprünge, weshalb dies vermieden wird, indem sie direkt in der gewünschten Form hergestellt werden. Außerdem neigen Duroplasten teilweise dazu nach dem Aushärten zu schrumpfen, springen oder auch zu zerbröseln, was auf Spannungen innerhalb des Moleküls zurückzuführen ist.
Eigenschaften
Im Gegensatz zu Thermoplasten schmelzen Duroplasten beim Erhitzen nicht. Stattdessen zerfallen sie, da ihre Zersetzungstemperatur niedriger ist als ihre Schmelztemperatur. Auch durch Lösungsmittel sind sie nicht auflösbar. Zudem sind Duroplasten sehr spröde und hart, was sie von Elastomeren unterscheidet, und können auseinanderbrechen. Je nach Zusammensetzung können sie noch weitere Eigenschaften annehmen. So können Duroplasten beispielsweise auch elektrisch isolierend, chemikalienbeständig, farblos oder aber auch besonders steif sein.
Anwendungsbereiche
Aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften sind Duroplasten in vielen verschiedenen Gebieten einsetzbar. Gerade die Elektroindustrie macht sich den Kunststoff als Dämmung zum Nutzen, sodass Duroplasten häufig in elektrischen Schaltern, Steckdosen oder auch Gehäusen von Haushaltsgeräten vorzufinden sind. Mittlerweile steigt auch der Gebrauch in der Automobilindustrie, welche nach und nach immer mehr Metall- durch Duroplast-Bauteile ersetzt. Dies ist vor allem auf die geringe Dichte, die höhere Temperaturresistenz und die geringeren Kosten zurückzuführen.
Aufbau/ Bestandteile
Kunststoffe sind im Allgemeinen Polymere. Ein Duroplast ist in den meisten Fällen ein Homopolymer und besteht somit aus gleichen Monomeren.
Doch warum sind die Duroplasten so hart und spröde?
Die Härte und Stabilität des Duroplasten sind auf die Bindungen zwischen den kleinsten Teilchen der Duroplasten, also zwischen den Monomeren zurückzuführen.
Die Monomere sind engmaschig und drei dimensional miteinander verknüpft (siehe Abb.1). Das führt dazu, dass jedes Monomer zwei bis drei Bindungen aufweisen muss, wozu jedes Monomer mehr als 2 funktionelle Gruppen benötigt. Diese Verknüpfung der Monomere erfolgt bei Duroplasten mit Hilfe der Polykondensation.
Herstellungsprozess
Kunststoffe werden künstlich hergestellt. Dabei werden viele kleine Moleküle (Monomere) durch die Verknüpfung zu großen Makromolekülen (Polymere). Die Verknüpfung kann durch drei Verfahren angewandt werden - durch die Polykondensation, die Polyaddition und die Polymerisation. Abhängig davon, welches Verfahren angewandt wurde und welche Monomere verwendet wurden, sind entweder Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomere entstanden. Duroplaste werden durch Formpressen, Spritzgießen oder Schichtpressen in die passende Form gebracht und dann setzt die Härtung, also die Vernetzung, ein.
Duroplaste entstehen durch eine Reaktion von trifunktionellen Monomeren (drei oder mehr funktionielle Gruppen). Dies geschieht oft durch eine Polykondensation. Dabei kommt es zu einer Bildung eines großen Polymeres durch die Abspaltung eines kleinen Moleküls von zwei Monomeren. Die ganze Reaktion verläuft stufenweise über Zwischenprodukte (Oligomere) und diese Oligomere reagieren schließlich zu Makromolekülen. Eine weitere Möglichkeit ist die Herstellung durch eine Polyaddition, wo sich die Monomere addieren, sodass, im Vergleich zur Polykondensation, kein Rest übrig bleibt. Das letzte der drei Verfahren ist die radikalische Polymerisation. Darunter versteht man eine Kettenreaktion, bei der zuerst das aktive Zentrum gebildet wird, danach kommt es zu einer wiederholten Anlagerung der Monomere und schließlich kommt es durch das Zusammentreffen zweier Radikale zu einem Kettenabbruch, welcher auch durch eine Disproportionierung hervorgerufen werden kann.
Arten von Duroplasten
Polyester
Ein Polyester (Abkürzung PES) ist ein Polymer mit einer Esterbindung, die in der Hauptkette liegt. Sie bestehen aus zwei unterschiedlichen Monomeren, aus dem Diol und der Dicarbonsäure.
Hierbei ist es meistens unterschiedlich, ob das Polyester null, eine oder zwei Carbonlygruppen besitzt. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Polyester eine Carbonlygruppen besitzt, liegt bei 50% und bei null oder zwei Carbonlygruppen liegt jeweils bei 25%. Somit ist der Erwartungswert bei 1. Diese Polyester sind synthetische Polymere und werden daher bei Textilien als Microfasern verwendet. Die Synthese der Polyester erfolgt durch eine Polykondensation oder durch eine ringöffnende Polymerisation.
Polyurethan
Ein Polyurethan (Abkürzung PUR) ist ein Polymere mit einer Urethan-Gruppe. Diese Urethan-Gruppen sind mit -NH-C-O- gekennzeichnet.
Allgemein sind Polyurethane Kunstharz oder Kunststoffe und entstehen aus Polyadditionsreaktionen von Dialkoholen, dass heißt sie entstehen zwischen einem Polyop und einem Di- oder Polyisocynat. Bei dieser exothermen Reaktion wird Wärme abgegeben. Wir nutzen dieses Polymer im täglichen Leben, es wir nämlich bei Autos, bei Kühlschränken, in unseren Schuhen, etc. eingesetzt. Anders als bei Polyester sind Polyurethane entweder spröde und hart oder weich und elastisch. Beim hartem Zustand besitzen Polyurethane gute mechanische Eigenschaften bei niedriger Dichte und bieten daher gute thermische Dämmwerte. Die Dichte von einem Polyurethan in kompakter Form beträgt rund 1000 bis 1250 kg/m3. Der weltweite Verbrauch war früher noch sehr gering, aber bis 2002 stiegt dieser auf rund 9 Millionen Tonnen Polyurethan an.
Recycling
Allgeimen versteht man unter Recycling eine Wiederherstellung von Rohstoffen. Hierbei wird unterschieden zwischen der wiederholten Benutzung ( z. B. bei Pfandflaschen), der Wiederverwendung in der Produktion (z.B. Flaschen zu Altglas), der Weiterverwertung in anderen Produktionsprozessen und schließlich der Weiterverwendung in neuen Anwendungsbereichen (z.B. Altpapier als Dämmmaterial).
Verwertung
In der Regel gibt es drei unterschiedliche Recyclingsformen, zum einen es die werkstoffliche, dann die rohstoffliche und noch zu letzt die energetische Form. https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie/artikel/verwertung-von-kunststoffen
werkstoffliche Verwertung
Als erstes wird der Abfall gereinigt, dann zerkleinert und zu Granulat (kleine Körnchen) verarbeitet. Danach wird das Granulat eingeschmolzen (da Duroplasten bei hohen Temperaturen nicht schmelzen, wird das Verfahren der Pyrolyse angewendet) und zum Schluss wird das flüssige Granulat in eine neue Form gebracht.
rohstoffliche Verwertung
Bei der Rohstofflichen Verwertung werden Kunststoffe in niedermolekulare Produkte umgewandelt. Die Produkte dienen als Ersatz für fossile Rohstoffe( z. B. Erdöl etc.).
energetische Verwertung
Bei der energetischen Verwertung werden anhand der energetischen Recyclingsform Stoffe, die nicht mehr stofflich recycelt werden können, durch Wärme verbrannt, wodurch als Endergebnis Energie entsteht. Dies geschieht in Müllverbrennungsanlagen. Diese Müllverbrennungsanlagen sind widerrum nicht gut für die Umwelt und daher werden die anderen Verfahren der energetischen Verwertung vorgezogen.
Anwendungsbereich
Recycelt werden können viele Kunststoffe. Die meist recycelten Kunststoffe sind vor allem Flaschen (z. B. PET-Flachen), Flaschenkästen sowie Folien und andere alltägliche Kunststoffteile.
Vor-/Nachteile
Die Vorteile am Recycling beinhalten eine gute Wiederverwertung, durch die kein Müll anfällt und somit im Idealfall auch keine Umweltverschmutzung entsteht. Die Nachteile im Recycling liegen darin, dass die Kunststoffe oft aus einem Gemisch verschiedener Kunststoffsorten bestehen und daher nur schwer weiterverarbeitet werden können. Ein weiterer Nachteil ist, dass zu weiterverarbeitetem Kunststoff oft neue Rohstoffe hinzugefügt werden müssen, damit ein neuer Kunststoff entsteht.
Recyclings-Code
Recycling-Codes dienen zur Sachgerechten Trennung und Wiederverwertung von Verpackungen. Die Verpackungen werden den Codes nach eingeordnet und verwertet. Codes bestehen meistens aus drei Grünen Pfeilen, die in einem Dreieck angeordnet sind; einer Nummer in der Mitte, die das Verpackungsmaterial kennzeichnet und einem Kürzel unter dem Dreieck, dass den Werkstofftyp anzeigt.
Versuche
Versuch 1: Wie reagieren Duroplaste im Vergleich mit anderen Kunststoffen?
Intention des Versuches :
-Darstellung der Eigenschaften von Duroplasten
-Unterscheidung zwischen Duroplasten, Thermoplasten und Elastomeren
->im Hinblick auf den chemischen Aufbau
-Zuordnung der Kunststoffe
Ziel des Versuches :
Es soll festgestellt werden, was der chemische Aufbau bei Hitzeeinwirkung für eine Auswirkung hat.
(1) Materialien :
-Bunsenbrenner, Tiegelzange, Netz
-verschiedene Kunststoffe
->Einwegflaschen/Plastikbesteck/...
(2) Durchführung:
-Kunststoffe werden auf das Netz gelegt und mit dem Brenner erhitzt
(3) Beobachtung
-Verändern sich die Teile und, wenn ja inwiefern verändern sie sich ?
(4) Auswertung
- Durch was lassen sich die verschiedenen Reaktionen erklären ?
-Welche Veränderung lässt sich zu welcher Art von Kunststoffen zuordnen ?
-> Warum gehören sie zu den Gruppen ?
-Inwiefern hängt der chemische Aufbau eines Duroplasts mit der Reaktion auf Hitze zusammen ?
Versuch 2 : Repräsentation Polykondensation
(1) Material
-Citronensäure (1,9g)
-Glycerin (0,3 ml)
-Reagenzglas, Spatel, Pipette, Rührstab, Brenner
(2) Durchführung
-Citronensäure und Glycerin in Reagenzglas geben
-mit Stab vermischen
-über kleiner Flamme schütteln
-> es darf keine Verfärbung erfolgen
-nach kurzem Abkühlen versuchen, Fäden zu ziehen
(3) Beobachtung
-farbloses, viskoses(zähflüssiges) Gemisch entsteht
-Kondensat am Reagenzglas
-es können Fäden gezogen werden
(4) Auswertung
-Entstehung eines viskosen Polymers
-es liegt eine Polykondensation vor
-> kleine Moleküle (z.B. Wasser) werden abgespalten
-> Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen ermöglichen Kettenreaktion
-> Hydroxy- und Carboxygruppen sind sehr reaktiv
-Citronensäure hat 3 Carboxygruppen und Glycerin hat 3 Hydroxygruppen
-> reagieren sehr gut unter Wasserabspaltung
-> Kondensat entsteht
-> Reaktion stellt eine Veresterung dar (Polyester)
- das Produkt der Reaktion also der Polyester ist hochvernetzt durch die trifunktionellen Gruppen der beiden Edukte
-> Duroplast entsteht
(5) Reaktionsgleichung
Citronensäure + Glycerin -> Polyester
C6H8O7 + C3H8O3 (C3H5(OH)3) -> C9H2O4 + 3 H2O
Quellen
- www.seilnacht.com
- u-helmich.de
- www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/chemie-abitur
- www.wikipedia.de
- chemie-macht-spass.de
- www.chemie.de
- technikatlas.de
- chemieunterricht.de
- chemgapedia.de
- http://www.chemieunterricht.de/dc2/haus/v127.htm
- https://www.chids.de/dachs/praktikumsprotokolle/PP0098Polymer_Citronensaeure_Glycerin.pdf
