Kunststoffe

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XH X I H X H X R-C-C. HH Polyaddition Ausgangsstoffe, die beide zwei funktionelle Gruppen enthalten, mindestens eines der Monomere besitzt eine Doppelbindung 3.Abbruchreaktion: Zwei Radikale werden miteinander kombiniert. [H XH X X HX H R-C-C-C-C-C-C-C-C-R I I [HH]H H H H[HH] n X HX H +•C-C÷C-C-R Ī I H HH H R-C-C-C-C. I I I |HH|HH n m X Werkstoff H Polyethylen (PE) Cl Polyvinylchlorid (PVC) CN Polyacrylnitril (PAN) O Polystyrol (PS) I A Die Abbruchreaktion erfolgt rein statisch und daher bilden sich Makromoleküle unterschiedlicher Kettenlänge. m Ionische: Ionen sind die Initiatoren. Kationen (+) oder Anionen (-) verursachen Abbruch. Kationische: Initiator sind Brönstedt-Säuren. Die Säure bindet zunächst ein Wassermolekül, wobei ein Proton freigesetzt wird. 1.Kettenstart: H H C=C H* + H X 2.Kettenwachstum: HH H-C-C + n H X + I I |H X|H X n H H 3.Kettenabbruch: [H₂H]H H + H-C-C-C-C + B 1.Kettenstart: H B + C=C H / H X C=C I H XH X n Anionische: Initiator sind Brönstedt-Basen. 2.Kettenwachstum: HH II_ B-C-C + n C=C H X H X 3.Kettenabbruch: H HH H B-C-C-C-C + H H H H X HH H-C-C+ H X [H₂H]H H H-C-C-C-C |H X|H X [H₂H]H H H-C-C-C-C-B I H X]H X n HH + II. B-C-C H X [H₂H]H H B-C-C-C-C |H X|H X n [H₂H]H H B-C-C-C-C-H H XH X n Wichtige Polymere: Polyethylen/Polypropylen: Flaschen, Rohre, Folien... Polyvinylchlorid: Fußböden, Fasern, Rohre... Polystyrol: Haushaltsgeräte, Verpackungen... Polyacrylnitril: Textilfasern Polyethen: Durch Variation der Reaktionsbedingungen wie Temperatur und Druck sowie durch die Verwendung eines Katalysators lassen sich zwei verschiedene Arten von Polyethylen herstellen: Struktur Dichte Polymerisations- grad Hochdruck-Polyethen |Niederdruck-Polyethen B DION Schmelztemperatur etwa 100 Grad amorph Diol: niedrig: 0,92-0,94g/cm3 200-2000 Monomere 1. Veresterung O O || || H-O-C-R-C-O-H + H-O-R‘-O-H Diamin: H Polykondensation: Bei der Polykondensation werden Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen zu Makromolekülen durch Kondensationsreaktionen verknüpft. Dabei werden niedermolekulare Nebenprodukte abgespalten (H₂O, HCl, NH2). Werden bifunktionelle Monomere (2 funktionelle Gruppen) eingesetzt entstehen Thermoplaste und bei polyfunktionellen Gruppen erhält man Duroplaste. 2. Vielfache Wiederholung der Veresterung O O H-Ō-C-R-C-Ō-R‘-Ō-H H H-O-R-O-H (2 Hydroxygruppen) - (n-1) H₂O H N-R-N (2 Aminogruppen) H Wichtige Polykondensate: Polyester (PET) Dicarbonsäure+Diol kristallin Polycarbonate (PC) Polyamide (Nylon/Perlon) Dicarbonsäure+Diamin → Amidbindung: -CO-NH- hoch: 0,94-0,96g/cm3 7000-180000 Monomere etwa 120 Grad -H₂O O O H-O-C-R-C-O-R‘-O-H To o -Ō¬C-R-C-Ō-R¹-0-H n Polykondensation(ausführlich): H H I I ¹0 C-R1-C+ HO 201 ¹0. Ō H H +1 C-R₁-C - N-R₂-N₁ O H H I Η HO + ¹N-R₂-N₁ OH Н H nucleophiler Angriff durch das freie Elektronenpaar am Aminostickstoff 1Ō Ō H H I I 3.84 C-R₁-C - N-R₂-N₁ innermolekulare Protonenumlagerung HO O-H H H H Additionsschnitt ¹0 Ό Η || I C-RI-C-N-R2-N₁ + H₂O Kondensationsschnitt HÓ H Nucleophiler Angriff: (Polykondensation & Polymerisation) HH HH I I H-C-C-Br¹ +¹0-H → H-C-C-Ō-H + Brª I I то HH I HH Nucleophile Teilchen sind negativ geladene Ionen oder Moleküle mit Elektronenüberschuss, z.B. freie Elektronenpaare (Elektronendonatoren). Sie greifen den Reaktionspartnern an Stellen niedriger Elektronendichte, also im Bereich positiver Ladung oder Partialladung an. Polyaddition: Die Polyaddition ist gekennzeichnet durch die Addition einer bi oder polyfunktionellen Verbindung an ein anderes Molekül, das Doppelbindungen oder cyclische Gruppen (Ringe) aufweist. Dabei kommt es immer zur Wanderung eines Wasserstoffatoms zu einem Atom des ungesättigten bzw. cyclischen Monomers. Bei Bifunktionellen Monomeren erhält man Thermoplaste und bei Trifunktionellen Monomeren erhält man Duroplaste. Es entstehen keine Reaktionsnebenprodukte. Bildung eines Polyurethans durch Polyaddition: n H H R Н \ / 0 0 R H Urethangruppe Epoxide: O + n O=C-N-R-N=C=0) + H O gl || Diol: H-O-R-O-H (2 Hydroxygruppen) CH2-CH-R-CH-CH2 R H O, n Wichtige Polyaddukte: Polyurethane Polyharnstoffe Epoxidharze A-B-B-B-A-A-B-A-A (2 Epoxidgruppen) Diisocyanate: O=C-N-R-N=C=O (2 Isocyanatgruppen) H→N O C Alternierendes Copolymer: A-B-A-B-A-B-A-B H Copolymere: Die Bildung von Polymeren aus unterschiedlichen Monomeren bezeichnet man als Copolymerisation. Dieses bietet die Chance, durch Kombination von Monomeren mit unterschiedlichen Molekülstrukturen „Kunststoffe nach Maß“ zu konstruieren. Statisches Copolymer: R H 0 0 Blockpolymer: A-A-A-A-B-B-B-B Propfpolymer: B I A-A-A-A-A-A-A-A-A-A Recycling: Werkstoffliches Recycling ↓ Makromoleküle bleiben unverändert ✓ sortierte Kunststoffe ↓ Sortenreines Regranulat aus Altkunststoff gemischte Kunststoffe Materialrecycling ↓ Neue Produkte aus nicht sortenreinem Kunststoff Thermische Verwertung ↓ Makromoleküle werden zerlegt Į Energiegewinnung Rohstoffliches Recycling ↓ Makromoleküle werden zerlegt ✓ Hydrolyse ↓ Monomere Deponie ↓ Makromoleküle bleiben unverändert ↓ Kunststoffabfall Pyrolyse Hydrierung Gaserzeugung 1. Pyrolysegase und -öle Beispiele: Putzmittelverpackungen, -echte Wiederverwertung -kein Müllabfall → keine Umweltverschmutzung Nachteile: -schwer verarbeitbar wegen Kunststoffgemisch -praktikabel nur unter Zufuhr von neuem Kunststoff sortierte Kunst- stoffabfälle Trennen Deponierung: -Kunststoffe verrotten dort nicht weil sie sehr beständig sind -Zusatzstoffe können ins Grundwasser gelangen -Deponien sollten nur ein Zwischenlager sein Tragetaschen Zerkleinern Folien Verarbeiten Extruder Umschmelzen Blumenkästen, Stapelstühle, Rohre usw. Folien Spritz Strang blasen gießen pressen Werkstoffliches Recycling Die Verwertung von Kunststoffen kann je nach eingesetztem Produkt nach dem werkstofflichem, rohstofflichem oder thermischen Verfahren erfolgen. Werkstoffliches Recycling: 41% -effizienteste Möglichkeit Kunststoffe (Thermoplaste) wiederzuverwenden -erfordert sortenreinen und sauberen Altkunststoff → meist nur in der Industrie -muss vorher sortenrein gesammelt, zerkleinert, gewaschen und abgetrennt werden -durch chemische und physikalische Einflüsse Veränderungen in den Polymermolekülen was zur Verschlechterung der Qualität führt - downcycling -eingeschränkte Verwendungsmöglichkeiten durch wiederholtes Recycling Vorteile: sortenreines Regranulat Rohstoffliches Recycling: 1% -für Kunststoffabfälle die sich nicht werkstofflich trennen lassen (Thermoplaste/Duroplaste) -Monomer lassen sich zurückgewinnen -niedermolekulare Kohlenwasserstoffe in Form von Ölen oder Gasen können erzeugt werden → Ausgangstoffe für die Herstellung von Kunststoffen Hydrolyse: -Polyester, Polyamide und Polyurethane lassen sich unter Einsatz von saurem Wasser direkt zu den ursprünglichen Monomeren aufspalten und können anschließend für die Polymersynthese verwendet werden Pyrolyse: -Aufspaltung der Makromoleküle in kürzere Ketten durch Erhitzen auf etwa 700Grad -keine Sauerstoffzufuhr → ungewollte Verbrennung verhindern -als Produkte entstehen unter anderem Alkane, Alkene und Aromaten -Pyrolyseöle (flüssige Kohlenwasserstoffe) werden zur Herstellung neuer Produkte genutzt Hydrierung: -Aufspaltung der Makromoleküle bei Temperaturen von 470Grad und hohem Druck 200bar -gebildete Kohlenwasserstoffe reagieren mit den überschüssigen Wasserstoffen weiter -es entstehen Kohlenwasserstoffe die als Kraftstoffe verwendet werden Synthesegas: -Kunststoffabfälle werden im Hochofen bei Sauerstoffmangel oxidiert -Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff entsteht -wird bei der Reduktion von Eisenerz im Hochofenprozess verwendet Thermische Verwertung: 57% -Kunststoffabfälle werde in Müllverbrennungsanlagen verbrannt -vor allem für Duroplaste und Elastomere -frei werdende Energie wird von Kraftwerken genutzt -Schadstoffemissionswerte dürfen nicht überschritten werden Biologisch abbaubare Kunststoffe: -werden unter geeigneten Bedingungen im Vergleich zu konventionellem Kunststoff schneller abgebaut -sie lassen sich größtenteils aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen wodurch die knappen Erdölressourcen geschont werden Zwei Grundvorraussetzungen: 1. Es liegen chemische Verbindungen mit „Sollbruchstellen“ vor, die enzymatisch spaltbar sind (z.B. Esterbindung, Amidbindung, Acetalbindung). 2. Die entstehenden Produkte sind im Stoffwechsel vom Bakterien und/oder Pilzen verwertbar. Beispiele: O || R₁-C-O-R₂ R3 10₁ R₁-C-Ñ-R2_R₁-C-Ō-R₂_R₁-C-Ō-R₂ H H I 10₁ H Ĥ -Kohlenstoffkette ist durch Stickstoff- und Sauerstoffatome unterbrochen -dies sind die Angriffspunkte für Mikroorganismen (Bakterien/Pilze) -die von ihnen gebildeten Enzyme spalten die Polymerketten hydrolytisch an den Stellen -diese Bruchstücke werden schließlich von den Mikroorganismen verstoffwechselt Faktoren für biologische Abbaubarkeit: -kristalline Bereiche sind für Mikroorganismen nicht oder kaum spaltbar → amorphe Bereiche sind sehr gut spaltbar -Anzahl der „Sollbruchstellen" -Kettenlänge -Anzahl der Mikroorganismen -Zusatzstoffe wie z.B. Weichmacher haben einen negativen Einfluss Polymilchsäure (PLA): -thermoplastische Eigenschaften -Polykondensation/Polymerisation -Polyester COOH I HO-C-H I CH3 n H3C + HO-C-H I CH3 Milchsäure Dilactid COOH CH3 O-CH-CH2-C CH3 Katalysator Polyhydroxybuttersäure: O Verwendungsmöglichkeiten: -Müll und Entsorgung -Gartenbau und Landwirtschaft -Lebensmittelverpackungen -Einwegbesteck H3C Dilactid CH3 I CH3 CH3 +2H₂O -O-C-C-0-C-C- HO HO Polyactid n