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Kunststoffherstellung

Verfahrenstechnik Sommersemester 2011 Wirtschaftsingenieurwesen
by

Marco Pannhausen

on 25 June 2011

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Transcript of Kunststoffherstellung

Kunststoffherstellung Geschichte Rohstoffe Einteilung der
Kunststoffe Technische
Verfahren Chemische Verfahren Zukunft Eduard Kafke | Marco Pannhausen | Oscar Toledo Jade Hochschule
MIT
Wirtschaftsingenieurwesen Verfahrenstechnik
Dr. Abel
Sommersemester 2011 Polymere Kunststoffherstellung Thermoplaste Homo-Polymere, bei der nur eine Monomerart umgesetzt wird

Co-Polymere, bei der zwei oder mehr verschiedene Monomere in Verbindung kommen

Polymer-Blends, definiert man als “Makroskopisch homogene Mischung von zwei oder mehr verschiedenen polymeren"

-> im allgemeinen Fall: physikalische
Mischungen durch intensive, mechanische Kraft Zu Polymeren kommt man durch verschiedene Polymerisationstypen

Die zu Polymeren führenden Reaktionen lassen sich in drei verschiedene Reaktionsformen zuordnen:

-> Polymerisationen

-> Polykondensationen

-> Polyadditionen - häufigste Benutzung
- formbar
- schmelzbar
- harte sowie weiche Thermoplaste
- Glasübergangstemperatur
-> oberhalb weich und verformbar
-> unterhalb fest und unformbar
- Einsatz von Weichmacher Eigenschaften und Merkmale Polymerisation 15. Jhdt.
Bartholomäus Schobinger erstellt ein "farbloses, durchsichtiges Kaseinkunstharz" 1835
Henry Victor Regnault entdeckt PVC Polymerisation ist eine der Synthesearten zur Herstellung von Polymeren

Um die Polymerisation zu ermöglichen braucht man ein Monomer, die mindestens eine Doppelbindung besitz z.B. Ethen

Die Polymerisation kann durch verschiedene Wege erreich werden:
- durch zugeführte Energie

- auf chemischem Weg
-> durch Verwendung stofflicher Initiatoren - häufigste Benutzung

- formbar

- schmelzbar

- harte, weiche Thermoplaste

- Glasübergangstemperatur
-> oberhalb weich und verformbar
-> unterhalb fest und unformbar

- Einsatz von Weichmacher Radikalische Polymerisation Quervernetzung Vernetzung der Kunststoffe - durch kovalente Bindungen -> irreversible Vernetzung

- durch Ionenbindung -> reversible Vernetzung

- Vernetzung bei der Synthese -> Polymerisation

- Nachträglich durch Selbstvernetzung

- durch Vernetzungsmittel -> Bsp. Vulkanisierung - durch kovalente Bindungen -> irreversible Vernetzung(was kovalente Bindungen sind, wurde schon in der Vorlesung angesprochen)
- druch Ionenbindung -> reversible Vernetzung
- Vernetzung bei der Synthese -> Polymerisation (das nur ein kleiner Vorgeschmack auf Oscars Thematik)
- Nachträglich durch Selbstvernetzung
- durch Vernetzungsmittel -> Bsp. Vulkanisierung (Je nach der Vulkanisierung enthält man ein Elastomer oder Duroplast) - durch kovalente Bindungen -> irreversible Vernetzung(was kovalente Bindungen sind, wurde schon in der Vorlesung angesprochen)
- druch Ionenbindung -> reversible Vernetzung
- Vernetzung bei der Synthese -> Polymerisation (das nur ein kleiner Vorgeschmack auf Oscars Thematik)
- Nachträglich durch Selbstvernetzung
- durch Vernetzungsmittel -> Bsp. Vulkanisierung (Je nach der Vulkanisierung enthält man ein Elastomer oder Duroplast) 1868
Wesley Hyatt entwickelt das erste Cellulose -> Viskoseverfahren Viskoseverfahren
organisches Verfahren - Polyethen (PE)
- Polypropen (PP)
- Polyamide (PA) Cellulose ist ein Kohlenhydrat

Rohstoffe: Holz (40%-45%), Baumwolle (95%),
Stroh, Bambus, Schilf u.a. der am meisten produzierte Kunststoff
z.B. Plastiktüten, Eimer, Getränkekisten, Mülltonnen...
weich bei Zimmertemperatur
sehr resistent gegen Chemikalien -> z.B. gegen Laugen und gegen die meisten anorganischen Säuren
entsteht durch Polymerisation aus Ethen Polyethen nicht formbar

zersetzen sich

Bruch bei Zugkraft

härter und spröder als Thermoplaste

oberhalb der Glasübergangstemperatur eingeschränkte Bewegung möglich

mechansiche Bearbeitung

Entstehen u.a. durch Polyaddition

hohe Quervernetzung Eigenschaften & Merkmale Vernetzung der Duroplasten - Formaldehydharze
- Epoxidharze
- Polyester Eigenschaften & Merkmale „elastisch“-> federnd; „meros“ -> Teil

Vorprodukte: u.a. Kautschuk,Verstärkerwerkstoffe

nicht schmelzbar

absorbieren mechanische Energie

nehmen große Verformungen reversibel auf

Enthropieelastizität (= Gummielastizität)

durch Verknäulung und Weitmaschigkeit der Makromoleküle große Bewegung möglich

kurze Vernetzungsbrücken

hohe Rückstellkraft Vernetzung durch Vulkanisation
je höher der Vernetzungsgrad, umso geringer die Gummielastizität Vernetzung der Elastomere Dichtung
Gummiband
Polyurethan 1906
Leo Hendrik Bakeland
schaffte den ersten
vollsynthetischen Kunststoff
mit dem Namen Bakelit 1922
Hermann Staudinger
Begriff Makromolekül Zusammenfassung -> Begründer der Polymerchemie Chemie im Auto Die radikalische Polymerisation des Ethylens muss nicht unendlich weitergehen, weil radikalische Kettenreaktionen abbrechen

-> durch Rekombination

-> durch Disproportionierung 1933
Otto Röhm entwickelt Polymethylmethacrylat
"Plexiglas" Wenn zwei Radikale miteinander
reagieren, um ein stabiles Molekül zu bilden Technischer Prozess Beispiel Polyethylen Diese Art des Kettenabbruchs ist etwas komplexer als die Rekombination

Disproportionierung findet statt, wenn das Radikal 1 sich bei einem benachbarten Radikal 2 ein Wasserstoffatom schnappt und an sich bindet

-> Es bildet sich ein Alkan und ein Alken Phillips-Verfahren Beispiel Polystyrol 1938
Erstmalige Herstellung von
Polytetrafluorethen

ab 1943 als "Teflon" bezeichnet 1949
BASF stellt Polystyrolpartikel her
"Styropor" 1970
Kunststoffe werden mit Mineralfaserstoffen kominiert
-> Verbundstoffe CFK, FKV Je nach Art des verwendeten Initiators kann man die Polymerisation in zwei verschiedenen Mechanismen unterteilen:

-> Radikalische Polymerisation

-> Ionische Polymerisation Ionische
Polymerisation Pflanzliche Rohstoffe Baumwolle
Holz
Schilf
Weizenkleie
Stroh
Bambus Fossile Rohstoffe Kohle
Erdgas
Erdöl Gemeinsamkeit:
Kohlen- (C) wasserstoff- (H) verbindungen Optional:
Sauerstoff (O2) Stickstoff (N2) Schwefel (S) Entstehung fossiler Rohstoffe -> Erdöl 1 Mio. - 600 Mio. Jahre her
Organische Entstehung aus
Kleinstlebewesen (Algen, Plankton) Bei der ionischen Polymerisation wird die Reaktion durch Ionen initiiert

Man unterscheidet entsprechend der Natur des Initiators zwischen:

- kationischer Polymerisation
(positiv geladen)

- anionische Polymerisation (negativ geladen) Kationische Polymerisation Anionische Polymerisation Polyaddition Polykondensation Luftabschluss durch Meeressströmung

Durch Einwirkung von Bakterien entsteht Faulschlamm

Weitere Erdschichten enstehen darüber
-> Druck und Temperatur lassen Ton enstehen

Organ. Bestandteile spalten sich ab (Methan, Benzol)

Wiederveinigung der organ. Bestandteile zu komplexeren Molekülen -> Erdöl Vom Erdöl zum Kunststoff Destillation Erdöl wird in Fraktionen aufgeteilt

-> Gas, Rohbenzin, Diesel, Heizöle, Gasöl, Naphtha Cracken Thermischer Spaltprozess:
Naphtha zu kleineren Kohlenwasserstoffmolekülen -> Ethylen, Propylen, Butylen und andere Kohlenwasserstoff-Verbindungen Kunststoff heute Altbekannte Material werden verdrängt
Dazu gehören:

- Glas - Holz

- Keramik - Metall

- Papier - ... Einsatzgebiete Deutschland -> günstige, einfache
Herstellung

-> leichter Transport Verpackungen ... ... schützen ihren Inhalt

... erhalten Frische

... garantieren Frische

... informieren den Verbraucher

... erleichtern die Lagerung

... machen die Ware attracktiver

..... -> Über 50 % aller Waren in Europa sind in Kunststoff verpackt

-> 17 % der Verpackungsmaterialien aus Kunststoff Initiation Kettenstart Kettenwachstumsreaktion Kettenabbruchreaktion Hier wird das freie Elektronenpaar immer weiter sich mit
anderen Monomeren binden, zu folge verlänger sich die Kette Hier wird die Kettenreaktion durch Zugabe
einer schwache Säure abgebrochen z.B.: Wasser, Methanol oder Essigsäure Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Technische Verfahren: 1) Polyreaktion in Substanzen
2) Polyreaktion in Lösungen
3) Polyreaktion in Dispersion Technische Prozesse Kunststoffherstellung mit CO : 2 Projekt "Dream Production" aus Wissenschaft und Wirtschaft Bei der kationischen Polymerisation fließen die πpi-Elektronen zum kationischen Starter, wobei eine σSigma-Bindung und eine Carbokation entstehen

Die kationische Polymerisation ist für die Herstellung von Polyisobuten von großer wirtschaftlicher Bedeutung

Die kationische Polymerisation kann man durch Brönstedt-Säuren z.B. Perchlorsäure oder Trifluormethansulfonsäure oder Lewis-Säure wie z.B. Aluminiumchorid (ALCL3) Starten CO wird durch einen neuen Katalysator geleitet

Pilotanlage in Köln seit Februar 2011

-> Herstellung Polyurethan Initiation Kettenwachstumsreaktion Bei der Addition der Monomeren an das Carbokation bleibt die positive Ladung erhalten, d.h. das entstandene Molekül ist ebenfalls ein Carbokation, ein größeres, sodass weitere Monomere addiert werden können Termination Bei Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung! Merkmale der Polyaddition Merkmale von Polymere Das Wort Polymere kommt von dem Griechischen Polymeros [polys= Viel; meros= Teil]

Polymere sind Zusammenschlüsse vieler einzelner gleichartiger oder auch verschiedener Einzelmoleküle (Monomere) Merkmale der Polymerisation Merkmale der radikalischen Polymerisation Eine radikalische Polymerisation wird durch Radikale ausgelöst oder gestartet

Radikale sind reaktive Teilchen, die ein freies, ungepaartes Elektron besitzen

Radikale gewinnt man durch die Abspaltung von Peroxide z.B. (Dibenzoylperoxid), die sich leicht durch Licht oder Wärme spalten lassen

Die radikalische Polymerisation lässt sich durch folgende vier Phasen beschreiben: Initiation, Kettenstart, Kettenwachstum und Kettenabbruch Rekombination Disproportionierung Eigenschaften & Merkmale Wichtige Thermoplaste: Wichtige Duroplaste: Beispiele: Merkmale der anionische Polymeristion Als Initiatoren für die anionische Polymerisation sind im Allgemeinen Basen oder Lewis-Basen geeignet

Da Carbokationen nicht miteinander reagieren können,gibt es bei der anionische Polymerisation, keine Abbruchreaktion, daher der Name "Lebende Polymerisation"

Resultierende Polymere sind weniger biegsam und dichter als ein durch radikalische Polymerisation gebildetes Polymer Merkmale der ionische Polymerisation 1. Kochen mit Bisulfit / Sulfit
-> Lignin, Farbstoffe, Harze entfernt

2. 18 % Natronlauge behandelt
-> Alkalicellulose

3. Vorreife - in zerfaserter Form gelagert
-> Celluloseketten brechen ein - Viskositätsveringerung 6. April 1938
Roy Plunkett erfand durch Zufall Polytetrafluoräthylen
-> ab 1943 als "Teflon®" vertrieben

Fluoratome haben nur sehr schwache Wechselwirkungen mit anderen Molekülgruppen, deshalb wird Teflon zur Antihaftbeschichtung verwendet -> Die Bindung zwischen den Fluor- und den
Kohlenstoffatomen ist die stärkste Einfachbindung,
die der Kohlenstoff überhaupt eingehen kann Die Polyaddition ist eine stufenartige, verlaufende Verknüpfungsreaktion, an dem mindenstens ein bifunktionales Molekül reagiert

Im Gegensatz zur Polykondensation werden bei der Polyaddition keine niedermolekülen Verbindungen abgespalten

Ein bekanntes Beispiel für eine Polyaddition ist die Reaktion von Diisocyanaten mit Diolen zu Polyurethanen Dabei reagiert die Isocyanat-Gruppe (-N=C=O) mit einer Hydroxygruppe (-OH) zu einer Urethan-Brücke (-NH-CO-O-) Man kann unterscheiden zwischen: Merkmale der Polykondensation Exkurs: Teflon Kettenabbruch Wie bei Polyaddition handelt es sich um eine Stufenreaktion von mindestens einer bifunktionellen Komponente

Bei Polykondensation entsteht unter Abspaltung von einfachen Molekulen, wie Wasser oder Alkohol, makromolekulare Stoffe

-> Unterschied zu anderen Reaktionen 2 Quellen Esterbildung (Veresterung): Hierbei entstehen Polyester und Polycarbonate

Polyester ist im Gegensatz zu den Ausgangsstoffen hydrophob, da die hydrophilen Gruppen COOH, sowie OH sich bei der Veresterung verbinden und so ein Großteil des Dipolcharakters verloren geht

Ein typisches Polyester ist Dacrom

-> Die Polykondensation ist von großer Bedeutung bei
der Herstellung von Klebstoffen und Bremsbelägen Bücher:

Fedtke, M./Pritzkow, W./Zimmermann, G (1992): Technische Organische Chemie
1. Aufl., Leipzig 1992

Kleim, W. (2006): Kunststoffe
1. Aufl., Aachen 2006

Glenz, W. (1985): Kunststoffe - ein Werkstoff macht Karriere
1. Aufl., München u.a. 1985

Fox, M./Whitesell, J.(1995): Organische Chemie
1. Aufl.,

Atkins, P./Jones, L./Faust, R.(2006): Chemie - einfach Alles
2. Aufl. Internet:

Neuz, N./Nürnberger, R./Schäfer, C./Klarmannhttp, M.: Kunststoffe
http://www.chemie-macht-spass.de/projekte/Moerderische_Chemie/gruppe1/Chemie
-Kunststoffe-Referat.htm (Abfrage: 24.05.2011)

Deutsches Kunststoff Museum: Erfinder der Kunststoffe
http://www.deutsches-kunststoff-museum.de/index.php?id=391 (Abfrage: 20.05.2011)

Wirtschaftsverband Erdöl- und Erdgasgewinnung e.V.: Erdgas - Erdöl
http://www.erdoel-erdgas.de/filemanager/download/24/Erdgas%20Erd%
C3%B6l%20Entstehung%20Suche%20F%C3%B6rderung.pdf (Stand: 2008, Abfrage 20.05.2011)

Kuhne, M (2002): Viskoase / Modal:
http://www.baumann-online.de/ho_alois-kiessling/facharbeiten/Modal/Referat.htm
(Abfrage: 20.05.2011)

http://www.chemie.fu-berlin.de ff. (Abfrage: 18.05.2011)

http://www.plasticseurope.de/ ff. (Abfrage: 18.05.2011)http://www.foreverexplorer.de/Learning%20Room/Chemie/thermoplaste_duroplaste_elastomere.htm

http://www.foreverexplorer.de/Learning%20Room/Chemie/thermoplaste_duroplaste_elastomere.htm (Abfrage: 17.05.2011) Beispiel: Pulyisobuten -> Kettenreaktion beginnt -> Gute Hitze-, Kälte- und Schallisolation - Außenwandpaneel - Bodenbelag

- Dacheindeckung - Dämmstoff

- Dichtungsbahn - Fensterprofil

- Isoliermaterial - Kunststoff-Fenster

- Leitungsrohr - ... Kunststoff im Hoch- und Tiefbau: -> Nach DIN EN 13432 vollständig biologisch abbaubar

-> 20 % Wachstum weltweit felxibel, reißfest
wasserfest und bedruckbar steif Kunststoff- eigenschaften Ecovio® besteht aus:

Polymilchsäuren (PLA)

Ecoflex® Bioabbaubarer Kunststoff - Ecovio®: Kunststoffe: Eigenschaften und Anwendungen; Hans Domininghaus; 7. Auflage, Springer; Berlin Heidelberg 2008; S. 7, 8

Einführung in die Kautschuktechnologie: Georg Abts; 2007 Carl Hanser Verlag München; S. 9

Polymer Engineering: Technologien und Praxis; Peter Eyerer, Thomas Hirth; 2008 Springer-Verlag Berlin Heidelberg, S. 40 f

Kunststoffe: Synthese, Herstellungsverfahren, Apparaturen; Wilhelms Keim; 1. Auflage 2006; WILEY-VCH Verlag, Weinheim; Hier reagiert Aluminiumchorid (ALCL3) mit Wasser

In dem AlCl3/H2O-Komplex ist das Sauerstoffatom negativ und die Wasserstoffatome positiv polarisiert

Entstandene Carbokation -> sehr unstabil Hier reagiert das Carbokation mit dem Anion (Cl²)

Chloratom reagiert direkt mit dem Carbokation und nicht mit einem der Wasserstoffatome, sodass am Ende zwei andere Moleküle entstehen

Die Moleküle können nicht weiter reagieren Verpackungen ...
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