Kunststoffe

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alle eine Doppelbindung Ethen Polyethen (PE) →neues Radikal H (F) andere Startradikale: CH₂ M CH₂ R '0' || CH₂ NC CN= N-C-CN CH₂ Ablauf der radikalischen Polymerisation > Radikale treten als Zwischenstufen auf > Startradikale greifen Doppelbindungen der Monomere. R Dibenzoylperoxid oder ·¿-d 2 -ç-ç-ç ç H LEI LEILI LF LF Polytetrafluorethen (Teflon 7000 m 171 Variante 1: Kettenradikal +Starterradikal variante 3: Dispropor- tionierung I O Startreaktion Durch Energiezufuhr werden startradikale aus dem zugesetzten Radikalbildner frei gesetzt: R-R2R. '0' H H -_-N₂> homolytische Spaltung AIBN: Azoisobutyronitril Radikale → müssen einfach gebildet werden können →gewisse Stabilität (nicht zu reaktiv) H LI R I-U-I H H IFI 2R-C H X Vinylchlorid H O Kettenabbruchreaktionen verschiedene Wege möglich CH₂ CEN CH₂ H C 1 H Polyvinylchlorid (PVC) homolytische Spaltung Ⓡ Kettenstart: > Starterradikal greift die Doppelbindung des Monomers an und veranlasst die homolytische Spaltung einer der beiden Bindungen > Gleichzeitig entsteht zwischen dem Starterradikal und dem ungepaart en Elektron eines der beiden Kohlenstoffatome eine neue Einfachbindung > Das 2. Kohlenstoffatom behält ein ungepaartes Elektron. Dadurch entsteht ein neues Radikal, das weitere Monomere angreifen kann: H Licht-/Wärme. zufuhr 3 Kettenwachstum: in weiteren Reaktionsschritten reagiert das kettenradikal mit weiteren Monomeren → Entstehung Makromolekülradikal radikalische Stelle wird bei jedem Reaktionsschritt an das endständige Kohlenstoff atom weitergereicht" : -- 2 H₂CO Methacryluremethylester Polymethacryhuremethylester (Plexiglas H- > end ständiges radikalisches Kohlenstoff atom wird abgesättigt kommen für weiteres Kettenwachstum nicht mehr infrage. Variante 2: Kettenradikal +Kettenradikal H مقر -ċ-ċ-Ċ-R + TANG-UN Phenylradikal " HH Acrylnitril Erzeugung eines Monomerradikals CN -C-C-H + R C oder -C-C=C-H CN CN Polyacrylnitril (PAN.Dralon, Orion) H CN R C C H !! H H A 7 H > Abbruchsreaktionen entstehen zufällig unterschiedlich Lange Ketten → Ergebnis der Polymerisation ist immer ein Gemisch aus versch. Langen Molekülen Mögliche Nebenreaktionen V: Herstellung von Plexiglas +0.5g Dibenzoylperoxid (weißes Pulver) H Methacrylsäure. methylester (farblose Flüssigkeit) Formelausschnitt PMMA H CH₂ CH₂ verrühren H H Wasserbad (80°C.30min) -Heizplatte Abspaltung eines H-Atoms -neves Radikal VB: Farbloser, blasiger" Feststoff entsteht VD: Methacrylsäuremethylester hat in einer radikalischen Polymerisation zu Plexigla reagiert. (Poly me thymethacrylat, PMMA) wichtige Begriffe Initiatoren: Stoffe, die zugegeben werden, um die gewünschte Reaktion zu starten (durch Licht oder Wärme dh. Energie in Radihale gespalten) Inhibitoren: Stoffe, die eine hohe Elektronendichte besitzen (2.B. Phenol / Thiole) →bilden reaktionsträge Radikale →kurze wenige Ketten. Additive: verwendet für de verbesserung bestimmter Materialeigenschaften von Kunststoffen oder Erleichterung des Verarbeitungsprozesses 2.B. Lichtschutzmittel, Antioxidantien, Füllstoffe → zur Steuerung der Polymerisation Polymerblends: Gemisch aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Polymeren verzweigte Polymere > Eigenschaften entstehender Kunststoffe Eigenschaften Ursprungspolymer > rein physikalische Mischung → keine neuen chem. Bindungen Copolymer: > Kunststoff, der aus unterschiedlichen Monomeren aufgebaut ist > Monomere reagieren miteinander zu einer Polymerhette > 3 Arten: statisches Copolymerisat A-A-B-A-B-B-A; alternierendes Copolymerat A-B-A-B-A; Block - Copolymerisat A-A-A-A-B-B-B-8 Taktizität von Polymeren: Die regelmäßige Taktizität der Reste, die an die Hauptkohlenstoff Lette eines Polymers gebunden ist. HRHRHRH →isotaktisch (hohe kristalline Struktur) Ziegler - Natta- Katalysator: Sorgt dafür, dass die Polymerisation bei Normaldruck verläuft verstrecken von Polymeren: Polymerketten werden in verstreckungsrichtung orientiert. → Entstehung eine teilkristallinen, orientierten Überstruktur (Voraussetzung: regelmäßiger Aufbau) RHHRRHHR RH → syndiotaktisch (weniger kritallin) →atahtisch (amorphe Struktur): CH₂ - Gruppen folgen in ihrer räuml. Lage Leiner Regel Kraft Amorphe Polymere Aufschäumen von Styropor >Ausgangsmaterial: EPS (expandierbares Polystyrol), Treibmiltel Pentan (entweicht beim Abkühlen) > Unter Wärmeeinwirkung bläht sich das Material auf, erweicht & passt sich deshalb der Form an. >Endprodukt: 98% Luft & 2% PS > Eigenschaften: geringe Wärme Leitfähigheit & Dichte > Verwendung: Dämmmaterial (Luftgefülhe Hohlräume); Verpackungsmaterial (schneid bar ). Auftriebmittel RHRHHRHRRH -Kraft Teilkristalline Polymere Gummi hergestellt aus.... (1) NATURKAUTSCHUK natürliches Polymerisat aus Isoprenmonomeren (2-Methyl-1,3-Butadien) erweicht bereits bei 30°C → Vernetzung der weitmaschigen Moleküle durch Einbau von Schwefelbrücken. Thermoplast CH₂ CH₂ CH₂ -CH₂-C=CH-CH₂ CH₂-C= CH-CH₂ - CH₂ - C=CH-CH₂- CH₂-C = CH - CH₂ - CH₂ - C = CH - CH₂ - CH₂ - C=CH-CH₂-... CH₂ CH₂ CH₂ | + Schwefel --CH₂- CH₂ CH₂ CH₂ S CH-CH₂ CH₂-C-CH-CH₂ - CH₂ - C- CH-CH₂-... -CH₂-C-CH-CH₂ - CH₂ - C- CH-CH₂ - CH₂ - C-CH-CH₂- CH₂ CH₂ => Elastoplast Gummi (2) SYNTHETISCHER KAUTSCHUK > Polymerisation von 1,3-Butadien Polymerisation von 1.3- Isopren > Polymerisation von Chlorpren > Copolymere 2.B. Butadien & Styrol Eigenschaften werden durch den Vernetzungsgrad bestimmt & Zusatzstoffe wie Ruß & Silizium oxid >Je größer der Schwefelanteil, desto härter der Gummi Polyester > Reaktion von mehrwertingen Alkohol (Diole) mit Dicarbonsäuren gesättigte Polyester formstabil aus CITRONENSAURE & GLYCERIN Hydroxyge H-C-O-H H-C-O-H H-C-Q-H M Poly kondensation Def. Kondensationsreaktion: Reaktion, die unter Abspaltung kleinerer Moleküle (2.B. H₂O, HCL, NH₂) verläuft. > Monomere mit min. zwei funktionellen Gruppen z.B -COOH, -NH₂, CL, -OH > bei 3 oder mehr funktionellen Gruppen ist eine verzweigung oder vernetzung möglich. wichtigsten Poly kondensate: Polyester und Polyamide Glycerin (bzw. 2,2-Propantriol) n 2 PET ( Polyethylen terephtalat) HỘ—CH,Õ H Ethan-1,2-diol (bzw. Glykol) OH Citronsäure OH Carboxylgr. -CH₂-C₁ Rohkautschuk Thermoplast Gummi Elastomer O 10-H → Herstellung von Fasern, die stark hydrophob sind, sodass Textilien aus Polyestern schnell trocknen & hohe Formbeständigkeit aufweisen Bsp: Trevira (veresterung von Ethandiol & Benzol -1,4- dicarbonsäure) 6 -3H₂0 H-OIC Benzol-1,4- Dicarbonsäure (Terefthalsäure) H₂ C-O-H H₁ CH₂ > Eigenschaften: bruchfest, kaum durchlässig für Gase, hitzebeständig bis 80°C > Verwendung: Getränkeflaschen IELI Vulkanisation von Kautschuk COOH HỌỌC CH, C - CH - C OH ESTER ISHT 201 HO-C-H H 41 d 4 C H • -*[{czo-1-0²].. H aus Vereinfachungsgründen nur veresterung einer funkt Gruppe dargestellt + (2n +1) H₂0 POLYCARBONAT (PC) BISPHENOL-A (BPA) > hormona hnliche Wirkung 2 Polyamide > enthalten Amid - Bindungen (NH-CO) > bilden sich aus Diaminen & Dicarbonsäuren Phenol CH₂ Herstellung von Nylon H₁ H OH VA VE Phenolplaste > Eigenschaften: sehr bruchfest, Transparenz & gute Formbeständigkeit auch bei Wärme > Verwendung: CDs, DVDs, Brillengläser & Schutzhelme. > Ester der Kohlensäure H₂CO₂ (2 Phosgen) + Diol H 1,6-Diaminohexan Nylon-Seil. Trick H-C-H > wegen ihrer hohen Zugfestigkeit werden Stoffe wie Nylon oder perlon z.B. zur Herstellung von Fasern, Getriebeteilchen, Schiffsschrauben, Bekleidung oder Knochen- prothesen verwendet. ō-H + + tan t Diaminohexan Hexan - (1,6 )disture X N Heptan mit Sebacinsäure- dichlorid Natronlauge mit Diaminohexan (+Thymolphtalein-Indikator) n -H₂O ICLI Họ ,en ... > Verwendung: Gießharze, Bindemittel, Lackrohstoffe OH '0' |CL-C-CLI •fcH₂t₂ c dichlorid Phosgen (sehr giftig) → durch Substitution von Methanal | Formaldehyd CH₂ ⁰1 >gebildet aus Phenol bzw. derivaten & Methanol (Formaldehyd) - Lösung > erste vollsynthetische Kunststoffe →BAKELITE H-O sebacinsäure - Decandisauredichlorid CLI O - fcm₂ to Ñ-² fam₂ t Amidgruppe > Eigenschaften von Nylon: elastisch & gut haltbar substituiert > Verwendung: Strumpfhose, Zahnseide, Zahnbürste, Stoffe, Gitarrensaite, etc. -6-01-21 entstandendes Polyamid. Nylon (6; 6) VB > Bildung von zwei Phasen aufgrund unterschiedlicher Dichte an der Grenzfläche bildet sich ein Häutchen H-Atom der Carboxylgruppe wurde + >kann als Faden aufgewickelt werden. (2n-1) HCL ↓ 2n: Reaktion an 2 funktionellen Gruppen -4: endständiges Molehül, wo eine funktionelle Gruppe nicht reagiert, dh. hein HCL abgespalten + CH₂ 'ol to Amid gruppe N-" +CH₂ + Polyamid: Nylon (6,10) 0 wird X HCL Polyaddition Def. Additionsreaktion: Bei dieser Reaktion werden min, zwei Moleküle zu einem vereinigt, wobe eine oder mehrere Mehrfachbindungen aufgespalten werden. Es werden keine Moleküle abgespalten. > Bei einer Polyadditionsreaktion reagieren Monomere, deren Moleküle zwei oder drei funktionelle Gruppen enthalten, unter Protonenumlagerung zu Polymeren. > unterschiedliche Monomere, die min. difunktionell sind eins der Monomere enthält eine polare Doppelbindung (Diisocyanat) an die das andere Mono- mermolekül addiert wird (+Diol) V. Herstellung von Polyurethan Desmodur VA: Desmophen VB: >Gemisch schäumt auf › es entsteht ein beiger Schaumstoff, der mit der Zeit aushärtet VE: > Desmophen: Diol, z.B. Butan-1.4-diol > Desmodur: Diisocyanat z.B. Hexamethylen-1,6-diisocyanat Cyanat R-O-CENI Isocyanat: R-Ñ=C= 0₁ (Umstellung der Bindungen) Diisocyanat: 0= C = Ñ -R-Ñ =C=O) Reaktionsmechanismus: H-CH₂-H nucleophiler des Protons " 10=C=N+CH₂ Kleb- stoff HỘ (CHt Klebstoffe Erklärung der Klebewirkung werkstoff BARBAR 88888 Werkstoff -otch, to-H + Ñ=C² = 0, 0¹ -C-N H Urethangruppe → Amin > Enthält das Diol auch Wasser, so reagiert das Wasser mit dem Diisocyanat unter Bildung von Kohlenstoff dioxid →Schaumstoff entsteht. R-Ñ=CO+ H₂O Isocyanat Adhäsion: pysikalisch abbindenden Klebestoffe > Heißkleber (erstarrende Schmelze) > Alleskleber (Lösungsmittel verdampft) Diol CH₂ +--+CH₂ +0 - H CO₂ Diisocyanat Kohäsion Zwischenmolekulare Wechselwirkungen zwischen Klebstoffmolekülen bindungen Polyurethan zwischenmolekulare Wechselwirkungen zwischen Klebstoff molekülen und Werkstoffmoleküle 2. T. Elektronenpaar - chemisch aushärtende klebestoffe > monomere Verbindungen polymerisieren - Sekundenkleber (anionische Polymerisation) - Epoxidharzkleber (2-komponenten- Kleber) Oto Radikalische Polymerisation in Worten Vorraussetzung: Bei der Polymerisation werden Monomermoleküle eingesetzt, die mindestens eine Doppelbindung enthalten, sodass sich, unter Auf- spaltung der Doppelbindungen, Molekülketten (Polymere) entstehen können, die durch Einfachbindungen verknüpft sind. Radikalbildung: Durch Energiezufuhr (Licht oder Wärme) werden Startradikale aus dem zugesetzten Radikalbildnern freigesetzt. Kettenstart: Das gebildete Starter - Radikal greift die Doppelbindung eines Monomer - Moleküls an und veranlasst die homolytische Spaltung einer der beiden Bindungen, wobei ein verlängertes Radikal entsteht. Kettenwachstum: Dieses Radikal reagiert mit einem weiteren Monomer Molekül unter Kettenverlängerung. Es entsteht ein Makromolekülradikal Kettenabbruch: Die Reaktion setzt sich so lange fort, bis zwei Radikale aufeinander treffen. und aus ihren beiden ungepaarten. Elektronen eine Elektronenpaar bindung bilden. Dabei entsteht ein Teilchen, dass kein. Radikal & somit nicht mehr reaktiv ist, d.h.. es kommt zum Kettenabbruch, Mögliche Nebenreaktion: Durch die Abspaltung eines H-Atoms, welches sich ein neues Radikal, dessen ungepaartes Elektron sich allerdings nicht am endständigen C-Atom befindet. Dadurch entstehen verzweigte Polymere. → oder auch Monomerradikal Einfluss von Druck & Temperatur Struktur Reaktionsbedingungen bei der Herstellung Polymerisationsgrad Dichte Schmelztemperatur Recyclingsymbol und -code Anwendungsbeispiel isotaktisches Polymer: Hochdruck-Polyethen amorph Temperatur: 150 bis 300 °C Druck: 1400 bis 3500 hPa 200 bis 2000 Monomere 0,92-0,94 g/cm³ 105 - 118°C PE: Polyethen LD: Low density Low-density-Polyethen (LDPE) PE-LD Hochdruckpolyethen Niederdruck-Polyethen kristallin WIMS Temperatur: 50 bis 150 °C Druck: 1 bis 50 hPa 7000 bis 180 000 Mono- mere 0,94 -0,96 g/cm³ 126-135°C PE: Polyethen HD: High density 02 High-density-Polyethen (HDPE) PE-HD Niederdruckpolyethen HOPE > Monomer (Ethen) liegt gasförmig vor => Polymerisation findet unter hohen. Druck & Temperatur stat › häufig Kettenverzweigung => Bilden von Molekülknäuel (liegen ungeordnet bzw. amorph vor ) LDPE > durch Zugabe von Katalysatoren kann Ethen auch bei niedrigen Druck und Temperaturen reagieren > Bildung von Langkettigen, unverzweigten Makromolekülen mit höherem Polymerisationsgrad => können sich parallel anordnen, sodass kristalline Bereiche entstehen hohe Festigkeit & Wärmestabilität CH₂-Gruppen befinden sich aufderselben Seite der kohlenstoffkette hohe kristalline Struktur kleinere Anziehungskräfte zwischen Molekülkeren, erweicht schnell Syndiotaktisches Polymer:> CH₂-Gruppen befinden sich regelmäßiger Folge abwechselnd auf verschiedenen Seiten der kohlenstoffkette Strukturen ataktisches Polymer: die CH₂-Gruppen folgen in ihrer räumlichen Lage keiner Regel → amorphe Strukturen →weniger kristalline Eigenschaften von Superabsorbern >können große Mengen an Wasser binden, wobei sie stark quellen H H Acrylsäure H H H H 0-H 01 ONa+ Natriumacrylat Loy out H H H H H H C Vernetzer Monomere Acrylsdure Natriumacrylat -1C H H C-C T H 0 H H- =0 H HHH 101 -0 H C-H C-O HH Super absorber + H₂O →→→→Superabsorber quillt auf wird gelartig →vergrößert sein volumen. • aufgenommenes Wasser wird auch unter Leichtem Druck nicht wieder abgegeben. Fust Na 0 Wirkungsweise einer Windel Aufnahme durch Fluft Verteilung durch Flut Speicherung durch Superabsorber (vemete Polyacrylsäure) →ionische Gruppen (Nat-lonen & Carboxylatgruppen), welche von H₂O- Molekülen umringt werden, wenn Polyacrylat. mit wasser in Berührung kommt Superabsorber Vies Superabsorber PE-Fol Superabsorber gequolen Vernetzermolekül, das die Polymerketten weitmaschig verlinüpft Wasserstoffbrücken zwischen der OH-Gr., der Corboxygr. und Wassermoleküle bilden Hydrathüllen um die Nat- lonen. → Wassermoleküle sind im Polymernetz gefangen => Polymernetz quillt auf Bei Salzzugabe: die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Wasser und den Gruppen werder zerstört → Wasser abgabe aus dem Polymernetz. Bei Saurezugabe: Carboxylatgruppen werden protoniert => Störung der Wechselwirkungen => wasserabgabe Jelektrisch trisch neutral Bei Salzzugabe: Die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Wasser & den OH- bzw. Carboxylgruppen werden gestört →Wasserabgabe aus dem Polymernetz Bei Säurezugabe: Carboxylatgruppen werden protoniert. Es kommt. zu einer Störung der elektrostatischen Wechselwirkungen. →Wasserabgabe aus dem Polymernetz copolymer aus Acrylsäure & Natrium acrylat. Aufgrund „Vernetzer" langhettigen Polymermoleküle untereinander vernetzt → Brücken → dreidimensionales Netzwerk → osmotischer Druck zieht Wasser ins Netz (aufgrung Natriumionen) → H-Brücken bilden sich zwischen Wassermolekülen und Carboxylgruppe → Bindung von Wasser →Bilden Hydrathülle um Na+ (Wassermoleküle) machen Polymer unlöslich.