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Kunststoffe

GFS Chemie K1
by

Simon Heichel

on 19 September 2014

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Transcript of Kunststoffe

Gliederung
Kunststoffe
organischer, polymerer Festkörper
synthetisch oder halbsynthetisch hergestellt
lineare Ketten als auch verzweigte und vernetzte Ketten
Kettenlänge variiert
viel Verwendung
Was sind Kunststoffe?
Geschichte
Was sind Kunststoffe?
Geschichte
Herstellung
Einteilung
->Eigenschaften

Thermoplaste
Bestehen aus langen linearen Molekülen
in einem bestimmten Temperaturbereich (thermo-plastisch) verformbar
kristaline und amorphe Bereiche
Bsp.: Werkzeug
Duroplaste
Bildung durch Härtungsprozess -> Vernetzungsreaktion durch Hitze, Oxidations
mittel, energiereiche Strahlung oder Einsatz von Katalysatoren
Keine plastische Verformbarkeit bei Erwärmung (-> Zersetzung)
hart und spröde (raumvernetzt)
Elastomere
Struktur: "Knäule"
kurzzeitige Strukturveränderung nur durch Druck
weitmaschig vernetzt -> flexibel
bei Erwärmen nicht weich (schrumpft) und in meisten Lösemitteln nicht löslich
Einteilung
5 verschiedene Einteilungsmöglichkeiten
-> Ursprung
-> Anwendung
-> Enstehungsreaktion
-> Kurzzeichensystem
-> mechanisch-thermisches Verhalten:
17. & 18. Jhdt.
19. Jhdt. bis heute
Vorstufe
Biopolymere und natürliche Polymere schon seit der Urzeit
Holz dient dem Menschen als Brennholz und Werkzeug
Birken lieferten ersten Kunststoff (-> Klebstoff)
immer mehr Erkenntnisse im Laufe der Geschichte
Frühe Entdeckungen
17. und 18. Jhdt.: Kautschuk aus Malaysia und Brasilien
1839: Charles Goodyear: Kautschuk + Schwefel -> Gummi (Vulkanisation)
-> rasch wachsende Gummi-Industrie
-> Gummihandschuhe + Hartgummi
Hartgummi (Duroplast)
-> Werkstoff im Umfeld des Menschen
Immer mehr
Verwendungsmöglichkeiten
(Alltagsleben, Elektrik, etc.)
Entwicklung der Polymerchemie
1910: Ernst Richard Escales -> Name: „Kunststoffe“
1950: zahlreiche Erfolge auf dem Gebiet der Polymerchemie -> Produktion von Kunststoffen nimmt enorm zu
unschlagbar billige Herstellung
Werkstoff für die industrielle Massenfertigung
Kunststoffindustrie ist bis heute eine Wachstumsbranche
Bis Ende des 19. Jahrhunderts wenig über die genauen Strukturen polymerer Materialien bekannt (-> sehr große Moleküle mit hoher Molmasse;
kolloidale Struktur)
Nobelpreisträger Herman Staudinger als "Vater der Polymerchemie"
-> rasante Entwicklung auf dem Gebiet der
Polymerchemie
1. Entwicklung der Polymerchemie
2. Entwicklung der Polymerchemie
Herstellung
Struktur eines Thermoplasts
Struktur eines Duroplasts
Quellen
Textquellen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Kunststoff#Thermoplaste
http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/kennen.htm
http://www.chemie-macht-spass.de/projekte/Moerderische_Chemie/gruppe1/Chemie-Kunststoffe-Referat.htm
http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/bilder/elast1.gif
http://www.chemie.fu-berlin.de/chemistry/kunststoffe/bilder/elast2.gif
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d3/Gummisnoddar.jpeg
Bildquellen:
http://www.lilo.ma.schule-bw.de/chemie/SpassmitKunststoffen/thermo1.GIF
http://www.seilnacht.com/Lexikon/k_gesch.JPG
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/79/Naturbernstein_beleuchtet.jpg
http://leichtsinn.org/wp-content/uploads/2008/07/kunststoffgross.jpg
http://www.chemieunterricht.de/dc2/haus/images/bild19.jpg
http://www.wabensandwich.de/Ausgangswerkstoffe/matrixwerkstoffe/index-Dateien/image006.jpg

Eine GFS von Simon Heichel
Dichte & Festigkeit
Dichte: zwischen 0,8 und 2,2 g·cm−3 -> sehr leicht
anderen Werkstoffklassen häufig unterlegen
Festigkeit und Steifigkeit niedrig
Geringe Dichte -> kann kompensiert werden
brechen weniger leicht & gute Zähigkeit
Chemische Beständigkeit
Beständig gegenüber anorganischen Medien -> Mineralsäuren,
Laugen oder wässrige Salzlösungen
Empfindliche Reaktion auf organische Lösungsmittel
--> Alkohole, Aceton oder Benzin
Kettenpolymerisation
Stufenpolymerisation
Radikalische Polymerisation
Wachstumsreaktionen durch ionische Spezies initiiert und fortgepflanzt
anionische und kationische Polymerisation
hohe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, Wasser und Sauerstoff
aufwendig und kostenintensiv
Ionische Polymerisation
Wachstumsreaktionen durch Radikale initiiert und fortgepflanzt
in 4 Schritten
viel verwendet
Metallorganische Katalysatoren
Katalysator (Metallkomplex): in der Lage, die wachsende Kette zu binden
Resultat: höherer Ordnungsgrad & geringerer Verzweigungsgrad
Packung der einzelnen Ketten im Festkörper effizient -> wird dichter
Wachstum beginnt mit einem Molekül
--> sukzessive weitere Monomere werden addiert
Initiator: Molekül, startet Reaktion
Monomer: wächst darauf auf
Zahl der Monomere: Polymerisationsgrad
exotherm-> Wärme freigesetzt -> Gefahr
mögliche weitere Radikale
-> Selbstbeschleunigung der Reaktion
Extremfall: Überlastung des Reaktormaterials -> thermischen Explosion

Bildung der Polymere durch direkte Reaktion der Monomere untereinander
2 verschiedene Möglichkeiten:
Polykondensation
Zusammenfassung
Monomere werden miteinander verknüpft
besitzen mindestens zwei reaktionsfähige funktionelle Gruppen
niedermolekulare Nebenprodukte wie Wasser, Alkohole, Ammoniak oder Chlorwasserstoff
Monomeren mit zwei funktionellen Gruppen -> Thermoplaste
Polyfunktionelle Gruppen -> Duroplaste
So wird z.B. Nylon aus 1,6-Diaminohexan und Hexandisäure hergestellt.
Polyaddition
Unterschiedliche polyfunktionelle Monomere
-> meist polare Mehrfach-
bindungen und reaktionsfähige Wasserstoffatome
Ausgangsstoffe: Diole und Diisocyanate
Urethanbrücken (-NH-CO-O-) werden ausgebildet
z.B. für die Herstellung von Polyurethanen (PU)
Eigenschaften
verschieden starke Wechselwirkungen
Erwärmen -> zwischenmolekulare
WW´s übewunden





keine definierte Schmelztemperatur
->Temperaturintervall
Erweichungs
temperaturbereich
Fließtemperatur
bereich
Zersetzungs
temperaturbereich
Eigenschaften
Zugfestigkeit und Dehnbarkeit
Amorpher Thermoplast
Kristalliner Thermoplast
Glaszustand: hohe Zugfestigkeit
zunehmende Temperatur -> Kettenschwingungen nehmen zu
-> Dehnbarkeit nimmt zu & Zug-
festigkeit nimmt ab
weich-elastisch fließende Masse
-> Zerstörung des Kunststoffs
schwächere Reaktion als bei amorphen Thermoplasten
starke Reaktion erst bei Temperatur über Erweichungsbereich
später: Zusammenbruch der Gitterstrukturen
Zugfestigkeit
Dehnung
bei Erhitzen: nicht weich oder zähflüssig
3-dimensionale Struktur bleibt erhalten
sehr hohe Temperatur: Elektr.paarbind. zerstört
-> Kunststoff zersetzt sich („verkohlt“)
-> bis zum Zersetzungsbereich im Glaszustand; also
keine Erweichungs- und Fließbereiche
sehr hart und fest, wärmebeständig, nicht schweißbar und unlöslich
Eigenschaften
weitmaschigen Quervernetzungen
-> durch mechanische Belastung gummielastisch
veränderbar
-> keine Überdehnung
Gummielastischer Zustand bei Raumtemperatur
kein Fließbereich
Abkühlen: Elastizität geht verloren
Eigenschaften
C
N
H
O
O
O
H
O
N
C
Druck
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