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Chemie

Reaktionsgeschwindigkeit und enzymkatalys

Enzymkatalyse und enzymeigenschaften

Aktivierungsenergie und katalyse

Kunststoffe: Eigenschaften, Verwendung, Arten und Geschichte der Plastik

Name: Knowunity
Brand: Knowunity

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Kunststoffe: Eigenschaften, Verwendung, Arten und Geschichte der Plastik

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Kunststoffe sind künstlich hergestellte Polymere aus Kohlenstoff oder Silizium mit langen Molekülketten. Sie lassen sich in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere einteilen. Die Kunststoff Herstellung erfolgt durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition. Kunststoffe haben vielfältige Eigenschaften und Anwendungen, von Verpackungen bis hin zu technischen Bauteilen. Ihre Entwicklung begann im 19. Jahrhundert und führte zu einem rasanten Anstieg der Produktion. Heute stehen Recycling und Umweltprobleme im Fokus der Diskussion um Kunststoffe Verwendung.

Kunststoffe sind vielseitig einsetzbar und haben die moderne Welt stark geprägt
Die Kunststoff Arten umfassen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere mit unterschiedlichen Eigenschaften
Herstellungsverfahren wie Polykondensation Polymerisation Polyaddition ermöglichen die Synthese verschiedener Kunststoffe
Recycling und Umweltauswirkungen sind aktuelle Herausforderungen der Kunststoffindustrie

8.3.2022

3043

2
KUNSTSTOFFE
HERSTELLUNG, SORTEN UND VERWENDUNG Inhaltsverzeichnis:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Übersicht....
1.1 Historische Entwicklung de

Übersicht über Kunststoffe

Dieses Kapitel gibt eine grundlegende Einführung in das Thema Kunststoffe. Es werden die wichtigsten Eigenschaften und Merkmale von Kunststoffen erläutert.

Definition: Kunststoffe sind künstlich hergestellte Polymere, die aus sehr langen Molekülen (Makromolekülen) bestehen und hauptsächlich aus Kohlenstoff aufgebaut sind.

Kunststoffe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

Sie sind Nichtmetalle
Sie bestehen aus Polymeren
Sie werden künstlich hergestellt
Sie haben eine plastische Formbarkeit

Vocabulary: Polymere sind große Moleküle, die aus vielen gleichen oder ähnlichen Untereinheiten (Monomeren) aufgebaut sind.

Die Normung definiert Kunststoffe als Materialien, bei denen Monomere zu Makromolekülen (Polymeren) verbunden sind. Zwischen diesen Makromolekülen können verschiedene Verbindungen bestehen.

Highlight: Die Begriffe Kunststoff, Plastik und Plaste werden oft synonym verwendet und leiten sich von der plastischen Formbarkeit dieser Materialien ab.

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Historische Entwicklung von Kunststoffen

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die wichtigsten Meilensteine in der Geschichte der Kunststoffe. Es zeigt die Entwicklung von den ersten natürlichen Polymeren bis hin zu modernen synthetischen Kunststoffen.

Die Anfänge der Kunststoffentwicklung reichen bis ins 17. und 18. Jahrhundert zurück, als Kautschuk aus Malaysia nach Europa gebracht wurde. Ein entscheidender Durchbruch gelang 1839 Charles Goodyear mit der Entdeckung der Vulkanisation. Dabei wird Kautschuk durch Erhitzen und Zusatz von Schwefel zu Gummi verarbeitet.

Example: Bei der Vulkanisation werden die langen Molekülketten des Kautschuks durch Schwefel bei 120°C bis 160°C zu Gummi vernetzt.

Weitere wichtige Meilensteine waren:

1859: Entwicklung von Vulkanfiber in Großbritannien
1869: Erfindung von Celluloid in den USA
1904: Herstellung von Kunsthorn in Deutschland
1907: Entwicklung von Bakelit in den USA durch Leo Baekeland
1918: Begründung der Polymerchemie durch Hermann Staudinger

Quote: "Hermann Staudinger erfindet 1918 die Polymerchemie" - Dies war ein entscheidender Schritt für das Verständnis und die gezielte Entwicklung von Kunststoffen.

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Weitere historische Entwicklung der Kunststoffe

Dieses Kapitel setzt die Chronologie der Kunststoffentwicklung fort und zeigt wichtige Erfindungen und Entdeckungen im 20. Jahrhundert auf.

Die Entwicklung der Kunststoffe nahm im 20. Jahrhundert rasant an Fahrt auf:

1909: Entwicklung von Butadienkautschuk
1910: Erfindung von Bakelit durch Leo Baekeland
1912/1913: Erste Polymerisation von PVC (Polyvinylchlorid)
1926: Entdeckung der Makromoleküle
1929: Herstellung von monomerem Styrol
1933: Entwicklung von Polyethylen
1935: Erfindung von Polyamid

Highlight: In den 1950er Jahren begann die massenhafte Verbreitung von Gebrauchsgegenständen aus Plastik, was den Alltag der Menschen grundlegend veränderte.

Neuere Entwicklungen umfassen:

2000: Entwicklung elektrisch leitender Polymere
2016: Nutzung von Kohlendioxid als Ausgangsmaterial für Polymere

Die Kunststoff Herstellung hat seit 1950 exponentiell zugenommen. Die weltweite Produktionsmenge stieg von 1,5 Millionen Tonnen im Jahr 1950 auf über 368 Millionen Tonnen im Jahr 2019.

Example: Die Entwicklung der Kunststoffe lässt sich gut am Beispiel der Verpackung des Big Mac von McDonald's zeigen, die sich seit 1980 stark verändert hat.

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Beispiel Golf: Kunststoffeinsatz in der Automobilindustrie

Dieses Kapitel veranschaulicht die zunehmende Verwendung von Kunststoffen in der Automobilindustrie am Beispiel des VW Golf.

Der Vergleich zwischen dem Golf 1 aus dem Jahr 1976 und dem Golf 8 von 2020 zeigt eindrucksvoll, wie der Anteil von Kunststoffen in Fahrzeugen über die Jahrzehnte zugenommen hat.

Highlight: Die Entwicklung des VW Golf von 1976 bis 2020 spiegelt den steigenden Einsatz von Kunststoffen in der Automobilindustrie wider.

Während im Golf 1 noch überwiegend Metalle und andere traditionelle Materialien zum Einsatz kamen, finden sich im Golf 8 deutlich mehr Kunststoffkomponenten. Diese Entwicklung hat mehrere Gründe:

Gewichtsreduktion: Kunststoffe sind oft leichter als Metalle, was den Kraftstoffverbrauch senkt.
Designfreiheit: Kunststoffe lassen sich leichter in komplexe Formen bringen.
Funktionsintegration: In Kunststoffteile können leichter zusätzliche Funktionen integriert werden.
Korrosionsbeständigkeit: Viele Kunststoffe rosten nicht und sind widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse.

Diese Entwicklung zeigt, wie Kunststoffe Eigenschaften genutzt werden, um Fahrzeuge leichter, effizienter und funktionaler zu gestalten.

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Reaktionsmechanismen: Polymerisation

In diesem Kapitel wird der Reaktionsmechanismus der Polymerisation erläutert, einer der wichtigsten Prozesse in der Kunststoff Herstellung.

Die Polymerisation ist ein Verfahren zur Verknüpfung von Monomeren mit Doppelbindungen zu Polymeren. Wichtige Merkmale sind:

Es wird ein Ausgangsstoff verwendet, der mindestens eine C=C-Doppelbindung enthält.
Die entstehenden Polymere haben ausschließlich Kohlenstoffatome in der Grundkette.
Die Reste an den Kohlenstoffatomen können sehr unterschiedlich sein und bestimmen die Eigenschaften des Kunststoffs.

Example: Ein typisches Beispiel für eine Polymerisation ist die Umwandlung von Ethen (H₂C=CH₂) zu Polyethen (-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-)n.

Der Polymerisationsprozess läuft in drei Teilschritten ab:

Startreaktion: Ein Startradikal spaltet die Doppelbindung des Monomers.
Kettenreaktion: Das neue Radikal reagiert mit weiteren Monomeren.
Abbruchreaktion: Zwei Radikale werden miteinander kombiniert.

Highlight: Die Polymerisation kann nie zu 100% kontrolliert werden, was zu einer Verteilung verschiedener Kettenlängen im Endprodukt führt.

Die Polymerisation wird hauptsächlich zum Aufbau von Thermoplasten verwendet, einer wichtigen Gruppe der Kunststoff Arten.

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Reaktionsmechanismen: Polyaddition

Dieses Kapitel behandelt die Polyaddition, einen weiteren wichtigen Reaktionsmechanismus in der Kunststoff Herstellung.

Die Polyaddition ist eine Additionsreaktion, bei der Monomere mit Zweifachbindungen und funktionellen Gruppen miteinander verbunden werden. Wichtige Merkmale sind:

Mindestens zwei verschiedenartige Moleküle werden verbunden.
Es entstehen Makromoleküle.
Bei manchen Monomeren entsteht ein Rest.
Es entstehen keine Nebenprodukte.
Es findet ein Protonen-Austausch (H+) statt.

Vocabulary: Bifunktionelle Gruppen sind Molekülgruppen mit zwei reaktiven Resten, während trifunktionelle Gruppen drei reaktive Reste haben.

Die Polyaddition führt je nach verwendeten Monomeren zu unterschiedlichen Kunststofftypen:

Bifunktionelle Gruppen ergeben Thermoplaste
Trifunktionelle Gruppen führen zu Duroplasten

Typische Monomere für die Polyaddition sind:

Isocyanate (R-N=C=O)
Epoxide
Diole (HO-R-OH)

Example: Schaumstoffe und Klebstoffe sind häufige Beispiele für Produkte, die durch Polyaddition hergestellt werden.

Die Polyaddition ermöglicht die Herstellung von Kunststoffen mit spezifischen Kunststoffe Eigenschaften, die für verschiedene Anwendungen optimiert sind.

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Reaktionsmechanismen: Polykondensation

In diesem Kapitel wird die Polykondensation erläutert, der dritte wichtige Reaktionsmechanismus in der Kunststoff Herstellung.

Die Polykondensation wurde 1872 von Adolf von Baeyer entdeckt. Sie zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Monomere mit mindestens zwei reaktionsfähigen funktionellen Gruppen werden verwendet.
Die Verknüpfung der Makromoleküle erfolgt unter Abgabe kleiner Moleküle.
Es entstehen Nebenprodukte, meist Wasser, Ammoniak oder Salzsäure.
Die resultierenden Produkte werden Polykondensate genannt.

Highlight: Die Polykondensation ist eine Gleichgewichtsreaktion, was bedeutet, dass die Reaktion in beide Richtungen ablaufen kann.

Wie bei der Polyaddition führen unterschiedliche Ausgangsstoffe zu verschiedenen Kunststofftypen:

Bifunktionelle Gruppen ergeben Thermoplaste
Trifunktionelle Gruppen führen zu Duroplasten

Example: Bekannte Beispiele für Produkte aus Polykondensation sind CDs, medizinische Einmalprodukte, Nylon und PET (Polyethylenterephthalat), das häufig für Getränkeflaschen verwendet wird.

Die Polykondensation einfach erklärt ist also ein Prozess, bei dem größere Moleküle unter Abspaltung kleiner Moleküle entstehen. Dies ermöglicht die Herstellung von Kunststoffen mit spezifischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen.

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Beispiele für Polymere

Dieses Kapitel stellt einige der wichtigsten Polymere vor und zeigt ihre chemischen Strukturen auf. Diese Informationen sind wesentlich für das Verständnis der Kunststoffe Chemie Beispiele.

PE (Polyethylen):
- Struktur: (-CH₂-CH₂-)n
- Einfache Kohlenstoffkette mit Wasserstoffatomen
PVC (Polyvinylchlorid):
- Struktur: (-CH₂-CHCl-)n
- Kohlenstoffkette mit abwechselnden Wasserstoff- und Chloratomen
PS (Polystyrol):
- Struktur: (-CH₂-CH(C₆H₅)-)n
- Kohlenstoffkette mit Phenylgruppen als Seitengruppen
PP (Polypropylen):
- Struktur: (-CH₂-CH(CH₃)-)n
- Kohlenstoffkette mit Methylgruppen als Seitengruppen
PTFE (Polytetrafluorethylen), bekannt als Teflon:
- Struktur: (-CF₂-CF₂-)n
- Kohlenstoffkette, bei der alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sind

Highlight: Die unterschiedlichen Strukturen dieser Polymere führen zu ihren spezifischen Kunststoffe Eigenschaften und bestimmen ihre Verwendungsmöglichkeiten.

Diese Beispiele zeigen die Vielfalt der Kunststoff Arten und wie kleine Änderungen in der chemischen Struktur zu großen Unterschieden in den Eigenschaften führen können.

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Teflon: Ein besonderer Kunststoff

Dieses Kapitel widmet sich Teflon, einem besonderen Kunststoff mit einzigartigen Eigenschaften.

Teflon, chemisch bekannt als Polytetrafluorethylen (PTFE), ist ein Kunststoff mit bemerkenswerten Eigenschaften:

Extrem niedrige Oberflächenspannung
Sehr hohe Temperaturbeständigkeit
Chemische Inertheit
Geringe Reibung

Highlight: Entgegen der landläufigen Meinung stammt Teflon nicht ursprünglich aus der Raumfahrt, sondern wurde bereits 1938 zufällig von Roy Plunkett bei DuPont entdeckt.

Die Anwendungen von Teflon sind vielfältig:

Kochgeschirr: Teflonpfannen sind heute weit verbreitet und bekannt für ihre Antihafteigenschaften.
Technische Anwendungen: Aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und geringen Reibung wird Teflon in vielen technischen Bereichen eingesetzt.
Textilien: Teflon wird zur Imprägnierung von Kleidung verwendet, um sie wasser- und schmutzabweisend zu machen.

Example: Eine typische Anwendung von Teflon im Alltag ist die Teflonpfanne, die das Ankleben von Speisen verhindert.

Es ist wichtig zu betonen, dass Teflon entgegen mancher Gerüchte nicht für die Herstellung von Atombomben benötigt wird. Diese Fehlinformation entstand möglicherweise durch die Verwendung von Teflon in der Raumfahrt und anderen High-Tech-Anwendungen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Teflon machen es zu einem wichtigen Beispiel für die vielfältigen Möglichkeiten in der Kunststoff Herstellung und zeigen, wie Kunststoffe Eigenschaften gezielt für spezifische Anwendungen genutzt werden können.

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Übersicht über Kunststoffe

Dieses Kapitel gibt eine grundlegende Einführung in das Thema Kunststoffe. Es werden die wichtigsten Eigenschaften und Merkmale von Kunststoffen erläutert.

Definition: Kunststoffe sind künstlich hergestellte Polymere, die aus sehr langen Molekülen (Makromolekülen) bestehen und hauptsächlich aus Kohlenstoff aufgebaut sind.

Kunststoffe zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

Sie sind Nichtmetalle
Sie bestehen aus Polymeren
Sie werden künstlich hergestellt
Sie haben eine plastische Formbarkeit

Vocabulary: Polymere sind große Moleküle, die aus vielen gleichen oder ähnlichen Untereinheiten (Monomeren) aufgebaut sind.

Die Normung definiert Kunststoffe als Materialien, bei denen Monomere zu Makromolekülen (Polymeren) verbunden sind. Zwischen diesen Makromolekülen können verschiedene Verbindungen bestehen.

Highlight: Die Begriffe Kunststoff, Plastik und Plaste werden oft synonym verwendet und leiten sich von der plastischen Formbarkeit dieser Materialien ab.

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Example: Bei der Vulkanisation werden die langen Molekülketten des Kautschuks durch Schwefel bei 120°C bis 160°C zu Gummi vernetzt.

Weitere wichtige Meilensteine waren:

1859: Entwicklung von Vulkanfiber in Großbritannien
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1904: Herstellung von Kunsthorn in Deutschland
1907: Entwicklung von Bakelit in den USA durch Leo Baekeland
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Weitere historische Entwicklung der Kunststoffe

Dieses Kapitel setzt die Chronologie der Kunststoffentwicklung fort und zeigt wichtige Erfindungen und Entdeckungen im 20. Jahrhundert auf.

Die Entwicklung der Kunststoffe nahm im 20. Jahrhundert rasant an Fahrt auf:

1909: Entwicklung von Butadienkautschuk
1910: Erfindung von Bakelit durch Leo Baekeland
1912/1913: Erste Polymerisation von PVC (Polyvinylchlorid)
1926: Entdeckung der Makromoleküle
1929: Herstellung von monomerem Styrol
1933: Entwicklung von Polyethylen
1935: Erfindung von Polyamid

Highlight: In den 1950er Jahren begann die massenhafte Verbreitung von Gebrauchsgegenständen aus Plastik, was den Alltag der Menschen grundlegend veränderte.

Neuere Entwicklungen umfassen:

2000: Entwicklung elektrisch leitender Polymere
2016: Nutzung von Kohlendioxid als Ausgangsmaterial für Polymere

Die Kunststoff Herstellung hat seit 1950 exponentiell zugenommen. Die weltweite Produktionsmenge stieg von 1,5 Millionen Tonnen im Jahr 1950 auf über 368 Millionen Tonnen im Jahr 2019.

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Während im Golf 1 noch überwiegend Metalle und andere traditionelle Materialien zum Einsatz kamen, finden sich im Golf 8 deutlich mehr Kunststoffkomponenten. Diese Entwicklung hat mehrere Gründe:

Gewichtsreduktion: Kunststoffe sind oft leichter als Metalle, was den Kraftstoffverbrauch senkt.
Designfreiheit: Kunststoffe lassen sich leichter in komplexe Formen bringen.
Funktionsintegration: In Kunststoffteile können leichter zusätzliche Funktionen integriert werden.
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Reaktionsmechanismen: Polymerisation

In diesem Kapitel wird der Reaktionsmechanismus der Polymerisation erläutert, einer der wichtigsten Prozesse in der Kunststoff Herstellung.

Die Polymerisation ist ein Verfahren zur Verknüpfung von Monomeren mit Doppelbindungen zu Polymeren. Wichtige Merkmale sind:

Es wird ein Ausgangsstoff verwendet, der mindestens eine C=C-Doppelbindung enthält.
Die entstehenden Polymere haben ausschließlich Kohlenstoffatome in der Grundkette.
Die Reste an den Kohlenstoffatomen können sehr unterschiedlich sein und bestimmen die Eigenschaften des Kunststoffs.

Example: Ein typisches Beispiel für eine Polymerisation ist die Umwandlung von Ethen (H₂C=CH₂) zu Polyethen (-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-)n.

Der Polymerisationsprozess läuft in drei Teilschritten ab:

Startreaktion: Ein Startradikal spaltet die Doppelbindung des Monomers.
Kettenreaktion: Das neue Radikal reagiert mit weiteren Monomeren.
Abbruchreaktion: Zwei Radikale werden miteinander kombiniert.

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Die Polyaddition ist eine Additionsreaktion, bei der Monomere mit Zweifachbindungen und funktionellen Gruppen miteinander verbunden werden. Wichtige Merkmale sind:

Mindestens zwei verschiedenartige Moleküle werden verbunden.
Es entstehen Makromoleküle.
Bei manchen Monomeren entsteht ein Rest.
Es entstehen keine Nebenprodukte.
Es findet ein Protonen-Austausch (H+) statt.

Vocabulary: Bifunktionelle Gruppen sind Molekülgruppen mit zwei reaktiven Resten, während trifunktionelle Gruppen drei reaktive Reste haben.

Die Polyaddition führt je nach verwendeten Monomeren zu unterschiedlichen Kunststofftypen:

Bifunktionelle Gruppen ergeben Thermoplaste
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Typische Monomere für die Polyaddition sind:

Isocyanate (R-N=C=O)
Epoxide
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Die Polykondensation wurde 1872 von Adolf von Baeyer entdeckt. Sie zeichnet sich durch folgende Merkmale aus:

Monomere mit mindestens zwei reaktionsfähigen funktionellen Gruppen werden verwendet.
Die Verknüpfung der Makromoleküle erfolgt unter Abgabe kleiner Moleküle.
Es entstehen Nebenprodukte, meist Wasser, Ammoniak oder Salzsäure.
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Highlight: Die Polykondensation ist eine Gleichgewichtsreaktion, was bedeutet, dass die Reaktion in beide Richtungen ablaufen kann.

Wie bei der Polyaddition führen unterschiedliche Ausgangsstoffe zu verschiedenen Kunststofftypen:

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Beispiele für Polymere

Dieses Kapitel stellt einige der wichtigsten Polymere vor und zeigt ihre chemischen Strukturen auf. Diese Informationen sind wesentlich für das Verständnis der Kunststoffe Chemie Beispiele.

PE (Polyethylen):
- Struktur: (-CH₂-CH₂-)n
- Einfache Kohlenstoffkette mit Wasserstoffatomen
PVC (Polyvinylchlorid):
- Struktur: (-CH₂-CHCl-)n
- Kohlenstoffkette mit abwechselnden Wasserstoff- und Chloratomen
PS (Polystyrol):
- Struktur: (-CH₂-CH(C₆H₅)-)n
- Kohlenstoffkette mit Phenylgruppen als Seitengruppen
PP (Polypropylen):
- Struktur: (-CH₂-CH(CH₃)-)n
- Kohlenstoffkette mit Methylgruppen als Seitengruppen
PTFE (Polytetrafluorethylen), bekannt als Teflon:
- Struktur: (-CF₂-CF₂-)n
- Kohlenstoffkette, bei der alle Wasserstoffatome durch Fluoratome ersetzt sind

Highlight: Die unterschiedlichen Strukturen dieser Polymere führen zu ihren spezifischen Kunststoffe Eigenschaften und bestimmen ihre Verwendungsmöglichkeiten.

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Teflon: Ein besonderer Kunststoff

Dieses Kapitel widmet sich Teflon, einem besonderen Kunststoff mit einzigartigen Eigenschaften.

Teflon, chemisch bekannt als Polytetrafluorethylen (PTFE), ist ein Kunststoff mit bemerkenswerten Eigenschaften:

Extrem niedrige Oberflächenspannung
Sehr hohe Temperaturbeständigkeit
Chemische Inertheit
Geringe Reibung

Highlight: Entgegen der landläufigen Meinung stammt Teflon nicht ursprünglich aus der Raumfahrt, sondern wurde bereits 1938 zufällig von Roy Plunkett bei DuPont entdeckt.

Die Anwendungen von Teflon sind vielfältig:

Kochgeschirr: Teflonpfannen sind heute weit verbreitet und bekannt für ihre Antihafteigenschaften.
Technische Anwendungen: Aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und geringen Reibung wird Teflon in vielen technischen Bereichen eingesetzt.
Textilien: Teflon wird zur Imprägnierung von Kleidung verwendet, um sie wasser- und schmutzabweisend zu machen.