Arten und Eigenschaften von Kunststoffen

Die drei Kunststoffarten

Thermoplaste sind die flexiblen Stars unter den Kunststoffen. Ihre linearen oder wenig verzweigten Ketten werden nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Deshalb werden sie beim Erhitzen weich und verformbar - perfekt für Plastikbecher und Verpackungen.

Duroplaste hingegen sind die harten Typen. Sie bestehen aus dreidimensional engmaschig vernetzten Molekülen, die über starke Elektronenpaarbindungen verbunden sind. Beim Erhitzen zersetzen sie sich, statt sich zu verformen - daher sind sie ideal für hitzebeständige Anwendungen.

Elastomere wie Gummi sind die elastischen Alleskönner. Ihre weitmaschige Vernetzung über Elektronenpaarbindungen macht sie dehnbar und flexibel. Nach dem Dehnen kehren sie in ihre ursprüngliche Form zurück.

Merktipp: Die Anzahl der funktionellen Gruppen im Monomer bestimmt die Kunststoffart - zwei Gruppen ergeben Thermoplaste, mehrere Gruppen führen zu Duroplasten oder Elastomeren.

Polymerisation - Wenn Doppelbindungen aufbrechen

Bei der Polymerisation werden ungesättigte Monomere mit Doppelbindungen zu langen Ketten verknüpft. Das Geniale daran: Es werden keine Moleküle abgespalten, die Doppelbindungen öffnen sich einfach und verbinden sich miteinander.

Der Mechanismus läuft über Radikale ab. Zuerst entstehen durch Hitze oder Bestrahlung Startradikale, die dann die Kettenreaktion in Gang setzen. Diese Radikale "knacken" die Doppelbindungen und verknüpfen ein Monomer nach dem anderen.

Die Kettenfortpflanzung läuft so lange weiter, bis zwei Radikale aufeinandertreffen und sich die Kette durch Rekombination beendet. So entstehen bekannte Thermoplaste wie Polyethen oder Polypropen.

Klausurtipp: Bei Polymerisation entstehen IMMER Thermoplaste, und du brauchst IMMER einen Katalysator!

Polykondensation und Polyaddition

Polykondensation ist das Verfahren, bei dem kleine Moleküle wie Wasser abgespalten werden. Du brauchst mindestens zwei funktionelle Gruppen pro Monomer - typisch sind COOH, OH oder NH₂. So entstehen Polyester und Polyamide.

Bei der Polyaddition werden ebenfalls Monomere mit funktionellen Gruppen verknüpft, aber ohne Abspaltung von Molekülen. Stattdessen werden Protonen übertragen. Das klassische Beispiel ist die Entstehung von Polyurethan aus Isocyanaten und Alkoholen.

Isocyanate sind dabei die Schlüsselmoleküle. Merke dir: Isocyanat hat die Struktur R-N=C=O und reagiert mit Diolen zu Polyurethan-Ketten.

Unterscheidungshilfe: Polykondensation = Abspaltung (meist H₂O), Polyaddition = keine Abspaltung, nur Umlagerung.

Wichtige Polymer-Reaktionen im Detail

Polyamid entsteht durch die Reaktion einer Dicarbonsäure mit einem Diamin unter Wasserabspaltung. Die entstehende Amid-Bindung (-CO-NH-) ist charakteristisch für diese robusten Kunststoffe.

Polyester bildet sich aus Dicarbonsäuren und Diolen, wobei ebenfalls Wasser abgespalten wird. Die Ester-Bindung $-CO-O-$ macht diese Polymere zu vielseitigen Materialien.

Bei Polyurethan reagieren Di-Isocyanate mit Diolen zu Urethan-Bindungen. Diese Polymere können je nach Vernetzungsgrad von weich und flexibel bis hart und starr variieren.

Säureamide entstehen, wenn bei Carbonsäuren die OH-Gruppe durch eine Aminogruppe ersetzt wird. Diese Verbindungen sind wichtige Bausteine für Polyamide.

Reaktionsübersicht: Alle drei Reaktionen folgen dem Prinzip: Zwei funktionelle Gruppen + Verknüpfung = Polymer-Kette.

Funktionelle Gruppen und ihre Eigenschaften

Ester $R-CO-O-R$ entstehen aus Säuren und Alkoholen und werden durch Van-der-Waals-Kräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zusammengehalten. Sie sind wichtige Bausteine für Polyester.

Alkanone und Alkanale enthalten beide die Carbonylgruppe $C=O$, unterscheiden sich aber in ihrer Position. Alkanone haben die Carbonylgruppe innen, Alkanale am Ende der Kette.

Alkansäuren besitzen die Carboxylgruppe $-COOH$ und können Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Das macht sie zu reaktiven Partnern für Polykondensations-Reaktionen.

Aminogruppen $R-NH₂$ sind die basischen Gegenspieler der sauren Carboxylgruppen. Ihre Reaktion miteinander ist das Grundprinzip der Polyamid-Bildung.

Bindungsstärke-Regel: Wasserstoffbrücken (Wbb) > Dipol-Dipol-Wechselwirkungen (DDU) > Van-der-Waals-Kräfte (VdW).