Kunststoffe

Kunststoffe:

Makromoleküle (>1000 Atome, z.B.: Stärke)
entstehen durch Umwandlung von Naturprodukten oder durch Synthese von Primärstoffen aus Erdöl, Erdgas oder Kohle

Polymere:

Makromoleküle, die durch Verknüpfung von Monomeren (= Bausteine aus denen Polymere aufgebaut sind) entstehen

Geschichte der Kunststoffe:

1530: Der Benediktinermönch Pater Wolfgang Seidel aus Augsburg, ein begeisterter Alchemist: Herstellung eines durchsichtigen und stabilen Materials (Kunsthorn) „Schön wie Horn“ aus Milcheiweiß
Mitte 19. Jhd.: Chemiker versuchen große Moleküle im Labor herzustellen
1846: C.F. Schönbein (1799-1869) stellt Nitrocellulose her
10 Jahre später: Cellulose wird durch günstigeren Zellstoff ersetzt, Beginn der Viskose-Produktion
1883: J.W. Swan produziert Fäden aus Nicrocellulose; Fremery und J. Urban stellen Kupferseide her

1907: Herstellung von Phenol- und Resorcinharzen durch L.H. Baekeland: Bakelit
1909: Stobbe stellt Polystyrol her
1912: F. Klatte (1880-1934) entdeckt das Polyvinylchlorid (PVC)
1922: H. Staudinger befasst sich mit der Struktur von Makromolekülen
30er Jahre: O. Röhm und W. Bauer entdecken den ersten vollsynthetischen Glasersatzstoff -Plexiglas
1930 – 1940: Entwicklung von Perlon und Nylon durch Schlack (I.G. Farben) bzw. W.H. Carothers (DuPont)
1935: O. Bayer (1902-1982) stellt Polyurethane her (I.G. Leverkusen)
1933: Entwicklung von Hochdruck-Polyethylen– Darstellung bei ICI
1955: K. Ziegler und G. Natta entdecken Verfahren zur Polyethylen-Darstellung

Polymerisationsarten:

Radikalische Polymerisation:

Zum Start der Reaktion dienen Startmoleküle, welche Radikale liefern, z.B. Benzoylperoxid. Diese Moleküle zerfallen leicht und bilden dabei Radikale.

Die entstandenen Radikale mit ihren ungepaarten Elektronen versuchen jetzt, Elektronen zu finden, die sie mit ihrem einzelnen Elektron paaren können, um wieder „komplett“ zu sein. Gute Elektronenlieferanten sind Alkene (z.B. Ethen ). Kommt ein Starterradikal in die Nähe eines Ethenmoleküls, schnappt es sich ein Elektron der Doppelbindung und geht damit eine Bindung zum Ethen ein. Wieder bleibt ein ungepaartes Elektron übrigimmer noch ein Radikal, das mit einem weiteren Ethenmolekül reagieren kann, d.h. die Kettenreaktion hat begonnen.

Polykondensation:

verlaufen in Stufen und unter Abspaltung von Nebenprodukten (meist H₂O). Zu diesen Reaktionen gehört die Ester-Bildung, z.B. bei Polyester und auch die Carbonsäureamidbildung (Polyamide).

Polyaddition:

verläuft in Stufen, d.h. die Monomere können an beiden Enden reagieren, und so entstehen zunächst kurze Molekülketten aus wenigen Monomeren (Oligomere), die miteinander oder auch mit längeren Ketten reagieren können. Hierbei werden aber keine Nebenprodukte abgespalten, sondern die Monomere reagieren miteinander, indem sich Atome und Elektronenpaare verschieben.

Amide-Polyamide

Amide sind chemische Verbindungen, die sich die sich von Ammoniak (NH3) ableiten:

ein Wasserstoffatom des Ammoniaks wird durch einen Säurerest ersetzt.

Polyamide (z.B. Nylon) sind Polymere, d.h. langkettige C-Atome, deren Monomere (Wiederholungseinheiten) Amidgruppen besitzen

Ähnlich wie Nylon ist Perlon

Polyester:

sind vielseitig einsetzbare Kunststoffe . Aus Polyestern werden neben Textilfasern auch Flaschen aus PET (PolyEthylenTerephthalat) und andere Lebensmittelverpackungen hergestellt. Generell werden als Polyester alle Stoffe bezeichnet, die Esterbindungen (-> Sauerstoff) enthalten, Ihre unterschiedlichen Eigenschaften hängen von ihren Monomeren ab.

PVC

Polyvinylchlorid; Polychlorethen

Eigenschaft: Amorpher Thermoplast (kann man einschmelzen und verformen/Duroplast -> Plastik mit Zitronensäure/Elastomere -> verformen sich bei Druck und formen sich wieder zurück, Bälle)

Verwendung: Fußböden, Luftmatratze, Schwimmflügerl, Plastiktrinkflaschen, Gummistiefel, Kreditkarten, Schläuche, Kabelummantelungen, Rohre, Gartenzwerge, Fensterprofile, Schallplatten, LM-Verpackungen + Spielzeug (eher weniger oft), …

GEFAHREN: Vinylchlorid ist krebserregend und wirkt erbgutverändernd. (VC Krankheit der PVC Arbeiter-> besserer Schutz für Arbeitnehmer/innen heute). Auch andere Ausgangsstoffe der PVC-Herstellung sind bedenklich.

Weich-PVC ist durch die enthaltenen Weichmacher giftig. Aus Spielzeug können Weichmacher über Speichel, Hautkontakt oder die Atemwege in den kindlichen Körper gelangen. Leber- und Nierenschäden und Krebs sind die möglichen Folgen.

Viskose:

Viskosefasern gehören zu den Cellulose-Fasern, sie sind also mit der Baumwolle verwandt, die zu 90% aus Cellulose besteht.

Cellulosexanthogenat (die eigentliche Zellulose) ist eine orangegelbe, zähflüssige Masse, die in einem recht aufwendigen Verfahren, dem „Viskose-Verfahren“, in mehreren Schritten aus Holz hergestellt wird.

Zuerst löst man die die Holzbegleitstoffe mit organischen Lösungsmitteln wie Methanol oder Ethanol aus dem Holz heraus, übrig bleibt Zellstoff, der vorwiegend aus Cellulose besteht-> der Ausgangsstoff zur Herstellung von Viskosefasern. Der Zellstoff wird zunächst in Natronlauge (ca. 6 mol/NaOH/l) getaucht, woraufhin sich Alkalicellulose bildet, das Natriumsalz der Cellulose.

Die Alkalicellulose wird weiter behandelt und in kleinere Stücke gespalten (Depolymerisation) und schließlich mit Schwefelkohlenstoff (CS2) umgesetzt, wobei Cellulosexanthogenat entsteht, eine orangegelbe Masse, wegen ihrer Zähflüssigkeit „Viskose“ genannt.

(Viskose -> feine Textilien -> Kleider, Schale/Wattestäbchen, Feuchttücher, …/Zellulose -> in Zellwand von Pflanzen)

Kautschuk:

Latex – Künstlicher Kautschuk (ähnliche Eigenschaften wie Naturkautschuk)/Neopren (Polymer aus Chloropren)

Kautschuk ist eine Bezeichnung für natürliche oder synthetische Stoffe, die bei Raumtemperatur gummielastische Eigenschaften besitzen.

(Natur)Kautschuk ist im Milchsaft einiger hundert Pflanzenarten (vor allem Mohngewächse und Korbblütler) als kolloidale, wässrige Emulsion enthalten. Der brasilianische Kautschukbaum liefert die höchsten Erträge und die besten Qualitäten. (sein Latex enthält 30-40 % Kautschuk). Die Weltproduktion von Naturkautschuk betrug 2008 10 Mio. Tonnen, wobei Thailand und Indonesien mit je 3 Mio. Tonnen die Hauptmenge liefern.

Aus der Latexmilch wird mit Säure der Naturkautschuk ausgefällt, dann gewässert, gewaschen und schließlich zu Folien oder Platten ausgewalzt. Nach erneutem Waschen wird der Rohkautschuk getrocknet, zu Ballen verpresst und so zur Weiterverarbeitung versandt.

Eigenschaften und Struktur von Rohkautschuk.

Naturkautschuk ist ein Polymer, das aus Isopreneinheiten (2-Methyl-1,3-Butadien) besteht, es handelt sich um cis-1,4-Polyisopren. Ein polymeres Kautschukmolekül besteht aus 3 000 bis 10 000 Isopreneinheiten.

Bioplastik

Kunststoffe, die auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden.

Als Ausgangsstoffe sind vor allem Stärke und Zellulose (Biopolymere von Zuckern).

Ausgangspflanzen sind stärkehaltige Pflanzen wie z.B. Mais oder Zuckerrüben sowie Hölzer (Zellulose). Weitere potentielle Rohstoffe sind Chitin (Panzer von Insekten), Lignin (Gerüstsubstanz von Holz), Casein (Milcheiweiß, in Käse), Gelatine (für Kuchen), Getreideproteine und Pflanzenöl. Im weiteren Sinne werden auch bioabbaubare Kunststoffe auf Mineralölbasis sowie Kunststoffmischungen, die nur anteilig aus echten Biokunststoffen bestehen, als Biokunststoffe bezeichnet.

Abzugrenzen sind Biokunststoffe von Verbundwerkstoffen wie etwa den Wood-Plastic-Composites, bei denen biogene Anteile (Holzmehl) mit mineralischen Kunststoffen kombiniert werden, und faserverstärkten Kunststoffen.

Versuch: Herstellung einer Folie aus Stärke

Geräte: Heizplatte, Bechergläser, Schüssel aus Polyethylen (PE)

Materialien:

Lebensmittel: Kartoffelstärke

Reagenzien: 50%ige Glycerin-Lösung

Durchführung:

Vermische 2,5 g Kartoffelstärke in einem Bechergas mit 20 mL dest. Wasser

und 2 mL wässriger Glycerinlösung.

Koche die Mischung im Wasserbad 15 min.
Decke dabei das Glas mit einer Glasplatte oder einem Uhrglas ab.
Verstreiche auf dem Boden der umgedrehten PE-Schüssel das Gel gleichmäßig

und nicht zu dünn.

Lass die Folie bei Raumtemperatur über Nacht trocknen.
Zieh am nächsten Tag die Folie von der Schüssel ab.

Viele einzelne Monomere verbinden sich zu Polymeren. Der Vorgang ist eine Polymerisation. Stärke ist ein Polymer. Die Folie ist im Gegensatz zu Klarsichtfolien dicker und schwerer. Sie ist ebenfalls halbdurchsichtig.

Versuch: Fäden spinnen

– Polymer aus Citronensäure und Glycerin

Geräte: Reagenzglas, Spatel, Messpipette, 1 Holzstab (Schaschlickspieß o.ä.)

Reagenzglasständer, Brenner, Waage

Chemikalie	Menge	Gefahrensymbol
Citronensäure	1,9g	Xi
Glycerin	0,3ml

In ein trockenes Reagenzglas werden 1,9 g Citronensäure und 0,3

mL Glycerin gegeben. Nach Vermischen mit einem Holzstab wird

über kleiner Flamme unter Schütteln langsam erhitzt und man lässt

das Gemisch ca. 2 Minuten lang sieden (das Gemisch darf sich nicht

verfärben!). Nach kurzem Abkühlen kann man mit Hilfe des

Schaschlikspießes versuchen, Fäden zu ziehen

Erklärung:

Aus Monomeren werden Polymere. Mit Zitronensäure und Glycerin machen wir die Polymere selbst. Durch das Erhitzen fügen wir Energie hinzu und die Polymeristation startet.

In der Eprouvette kann man Wassertröpfchen beobachten. Es handelt sich bei der Polymerisation also um eine Polykondensation, mit dem Nebenprodukt Wasser.

Recycling von Kunststoffen

Die meisten Kunststoffe können nur sortenrein recycelt werde. Daher ist es wichtig, sie nach dem Sammeln sauber zu trennen. Dies kann etwa durch ihre unterschiedlichen Dichten erfolgen:

Dichtetrennung von Kunststoffen: