Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen)

Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen) Übung

• Definiere den Begriff Kunststoff.

  Tipps

  Mono = eins

  Poly = viel

  Lösung

  Kunststoffe lassen sich sehr günstig und in großen Mengen aus Erdölprodukten herstellen. Die Eigenschaften können sehr unterschiedlich sein und lassen sich durch die Wahl der Monomere und des Herstellungsverfahrens sehr fein variieren. Daher sind Kunststoffe für viele Anwendungen die idealen Werkstoffe.

  Kunststoffe werden mit bestimmten chemischen Reaktionen aus Vorläuferverbindungen der Monomere hergestellt. Nach einer ersten Reaktion, in der ein erstes Kettenglied des Polymers hergestellt wird, läuft die Reaktion in einer Art Kettenreaktion von alleine weiter. In jedem Reaktionsschritt wird die Polymerkette um ein Monomer erweitert. Dies wird als Kettenfortpflanzung bezeichnet. Die Reaktion kann gestoppt werden, wenn die gewünschte Kettenlänge erreicht ist. Auch damit lassen sich die Eigenschaften der Kunststoffe beeinflussen.

• Nenne einige wichtige Kunststoffe.

  Tipps

  Die Vorsilbe Poly- wird auch bei Biopolymeren verwendet.

  Lösung

  Polymere sind Makromoleküle, die aus sehr vielen Kopien eines kleinen Moleküls (Monomer) aufgebaut sind, die über die stets gleiche kovalente Bindung zu einer langen Kette verknüpft sind. Polymere kommen in der Natur vor, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Künstliche Polymere, die Kunststoffe, werden meist ausgehend vom Erdöl hergestellt und sind aus Monomeren aufgebaut, die kleine Kohlenwasserstoff-Moleküle sind.

  Ein einfacher Kunststoff ist das Polyethylen (PE). Dieses ist aus dem Ethylen-Monomer $-CH_2-CH_2-$ aufgebaut. Die Verknüpfung zum Polymer gibt man mit der Formel $[-CH_2CH_2-]_n$ an.

  Ein weiterer einfacher Kunststoff ist das Polyvinylchlorid, beim Monomer ist ein Wasserstoffatom des Ethylen gegen ein Chlor-Atom ausgetauscht: $[-CH_2-CHCl-]_n$.

  PMMA ist etwas komplizierter gebaut, da das Monomer Seitenketten mit funktionellen Gruppen trägt. Das Monomer des Polysyrols ist ein Ethylen-Monomer, bei dem ein Wasserstoff-Atom gegen eine Phenyl-Gruppe ausgetauscht ist.

• Leite die Eigenschaften der Kunststoffe aus deren Struktur ab.

  Tipps

  Der Schmelzpunkt hängt vom Polymerisationsgrad ab.

  Die Verformbarkeit hängt vom Vernetzungsgrad ab.

  Lösung

  Styropor ist ein Beispiel für einen Kunststoff, der durch Aufschäumen mit Luft sehr leicht ist und gute Isoliereigenschaften aufweist. Es handelt sich um Polystyrol, dem während der Polymerisation ein Lösungsmittel zugesetzt wird. Durch die Reaktionswärme verdampft das Lösungsmittel während der Polymerisation und der Kunststoff schäumt auf. Durch die eingeschlossene Luft ist die Wärmeleitfähigkeit sehr gering.

  Der Vernetzungsgrad eines Kunststoffes entscheidet über die Verformbarkeit. Je stärker das Polymer vernetzt ist, desto fester und schlechter verformbar ist es. Leicht verformbare, elastische Kunststoffe werden als Elastomere bezeichnet, festere, thermisch verformbare Kunststoffe als Thermoplaste. Duroplaste sind hart und nicht verformbar.

  Die Kettenlänge der Polymere entscheidet über den Schmelzpunkt: Langkettige Polymere (hoher Polymerisationsgrad) schmelzen bei hohen Temperaturen, Polymere aus kürzeren Ketten bei niedrigeren Temperaturen. Je unterschiedlicher die Kettenlängen der einzelnen Ketten in einem Kunststoff, desto größer ist der Schmelzbereich des Kunststoffs.

• Erläutere Vorteile von Kunststoffen gegenüber anderen Werkstoffen.

  Tipps

  Haben Kunststoffe eine höhere Zugfestigkeit als metallische Werkstoffe?

  Lösung

  Durch die Eigenschaften der Kunststoffe ergeben sich viele Vorteile, aber auch einige Nachteile bei der Nutzung als Werkstoff. Nachteilig ist vor allem die geringe Steifheit und Zugfestigkeit, die bei mechanisch stark belasteten Teilen notwendig ist. Dennoch ist es wegen des geringeren Gewichts von Kunststoffen im Vergleich mit metallischen Werkstoffen oft unumgänglich, Kunststoffe einzusetzen. Einen Ausweg bieten Verbundmaterialien mit hochfesten Kunstfasern, wie zum Beispiel beim Werkstoff Carbon.

  Bei der Verarbeitung sind die niedrigen Schmelztemperaturen von Kunststoffen ein großer Vorteil. Sie lassen sich leicht verflüssigen und in die gewünschte Form bringen. Die niedrigen Schmelzpunkte sind aber leider mit einer vergleichsweise leichten Entflammbarkeit verbunden. Hier sind Werkstoffe wie Glas und Keramik oder auch die Baumwolle klar im Vorteil.

  Kunststoffe sind wesentlich beständiger gegenüber Säuren und Laugen als viele organische Werkstoffe oder Metalle. Unbeständiger sind sie jedoch gegenüber organischen Lösemitteln. In diesen lösen sich viele Kunststoffe.

  Geringe elektrische Leitfähigkeit macht Kunststoffe als Isolator für elektrische Leitungen ideal. Die geringe Wärmeleitfähigkeit macht man sich beispielsweise bei Dämmmaterialien beim Hausbau zunutze.

• Bestimme den Vernetzungsgrad der Kunststoffe.

  Tipps

  Senkrechte Linien deuten Verknüpfungen zwischen parallel verlaufenden horizontalen Polymeren an.

  Lösung

  Über Wechselwirkungen zwischen Seitenketten oder über kovalente Bindungen zwischen Polymerketten können Verknüpfungen zwischen benachbarten, parallel verlaufenden Polymerketten entstehen. Bei diesen Wechselwirkungen handelt es sich in der Regel um Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Seitenketten.

  Über die Wahl der Seitenketten und die funktionellen Gruppen, die diese tragen, lässt sich also der Vernetzungsgrad eines Kunststoffs bestimmen. Außerdem hat das Fertigungsverfahren darauf einen Einfluss. Bei langsamen Abkühlen ordnen sich die Polymerketten parallel an, so dass viele Verknüpfungen entstehen können. Beim plötzlichen Abschrecken liegen die Ketten wild durcheinander, es kommt zu wenigen Verknüpfungen.

• Prüfe Anwendungsgebiete von biologisch abbaubaren Kunststoffen.

  Tipps

  Biopolymere zersetzen sich schnell durch biologischen Abbau.

  Lösung

  Bei Biopolymeren ergeben sich durch die gute biologische Abbaubarkeit einige Vorteile, da sich neben den üblichen Wegen des Recycling eine weitere, umweltschonende Möglichkeit ergibt: Die Kunststoffe können wie Bioabfälle kompostiert werden und schädigen die Umwelt dadurch deutlich weniger.

  Überall dort, wo der Kunststoff nach kurzem Gebrauch nicht weiter verwendet wird, ist der Einsatz von Biopolymeren daher sinnvoll: Plastiktüten werden häufig nur einmal verwendet, Müllbeutel werden gefüllt und landen danach häufig auf der Müllhalde. Küchenabfälle lassen sich in kompostierbaren Beuteln sammeln und mit dem Beutel kompostieren. Jedoch ist dies auf dem heimischen Komposthaufen schwierig, da die Beutel längere Zeit als anderer Biomüll zum Kompostieren benötigen.

  Fischernetze werden häufig von den Fischerbooten verloren und treiben als Falle durch den Ozean. Hier ist der Einsatz von Biopolymeren sinnvoll, da sich die verlorenen Netze nach einiger Zeit auflösen.

  Unsinnig ist der Einsatz von Biopolymeren überall dort, wo eine lange Haltbarkeit gefordert ist. Insbesondere Tanks, die umweltschädigende Stoffe enthalten, dürfen nicht schnell verrotten. Hier ist der Einsatz von Biopolymeren daher nicht sinnvoll.