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Alle Kunststoffe - deren Verarbeitung, Anwendung, Eigenschaften, Beispiele....

Facharbeit (Schule) 2001 19 Seiten

Chemie - Materialchemie, Werkstoffchemie

Leseprobe

Thermoplaste - Plastomere

Alle Kunststoffe - deren Verarbeitung, Anwendung, Eigenschaften, Beispiele

Stoffe, die beim Erwärmen in einen plastischen Zustand übergehen, in dem sie leicht verformt werden können. Diese Verformung bleibt beim Erkalten bestehen. Der Vorgang ist wiederholbar. Wegen der relativ schwachen Bindung zwischen den Molekülketten sind Plastomere meist zähelastisch.

Plastomere:

- Ist ein Gemisch verschieden langer, kettenförmiger Makromoleküle.

- Sie besitzen keinen genauen Schmelzpunkt, sondern nur einen Erweichungsbereich.

-m weichen Zustand sind sie plastisch verformbar, beim Abkühlen werden sie hart. Die sich in Makromolekülen summierenden zwischenmolekularen Kräfte verhindern ein Verdampfen dieser Stoffe, da es vorher zu einer Zersetzung durch Zerreißen der Kette kommt.

- Die Eigenschaften hängen stark von der Anordnung der Ketten im festen Zustand ab.

Es existieren im festen Zustand nur geordnete Bereiche, da die völlige Einordnung in ein Kristallgitter nicht möglich ist. Die der kristallinen Struktur mit hoher Festigkeit entsprechen, dort sind die zwischenmolekularen Kräfte stärker wirksam als in den ungeordneten Bereichen, in denen die Makromoleküle als ungeordnete Knäuel vorliegen und elastische Eigenschaften besitzen

Herstellung:

Thermoplastische Kunststoffe werden durch Polymerisation gewonnen.

Darunter versteht man die Zusammenlagerung vieler kleiner Moleküle, auch Monomere genannt, zu einem Makromolekül. Bei der Polymerisation wird das Monomer aktiviert, d.h. in einen Zustand versetzt, der eine Verbindung mit einem weiteren Baustein bzw. schon gebildeten Kettenmolekülen ermöglicht. Dies geschieht z.B. durch Zuführen von Wärme oder durch energiereiche Strahlung, Erhöhung des Druckes im Reaktionsgefäß, sowie durch Katalysatoren.

Eigenschaften:

- Die Eigenschaften eines Plastomers hängen sehr stark von der Anordnung der Ketten im festen Zustand ab. Eine völlige Einordnung in ein Kristallgitter ist infolge der Kettenlänge nicht möglich. Es existieren daher im festen Zustand nur geordnete Bereiche, die einer kristallinen Struktur mit hoher Festigkeit entsprechen. In ihnen sind die zwischenmolekularen Kräfte stärker wirksam als in den ungeordnete Knäuel vorliegen und elastische Eigenschaften besitzen.
- Je höher der Anteil an geordneten Bereichen im Verhältnis zum Gesamtvolumen ist (Ordnungsgrad), umso höher ist die mechanische Festigkeit des Produktes. Der Stoff ist undurchsichtig und wärmebeständiger. Bei linearen Molekülen ist ein hoher Ordnungsgrad leichter zu erreichen als bei verzweigten. Sind die Makromoleküle aber völlig ungeordnet (wie z.B. in Kunststoffen mit verzweigten Kettenmolekülen), so erhält man ein organisches Glas von sehr großer Transparenz (z.B. Plexiglas). Diese Produkte sind elastisch und wenig wärmebeständig.
- Der Ordnungsgrad eines Kunststoffs hängt in erster Linie vom Herstellungsverfahren ab. Er kann aber auch nachträglich noch verändert werden. So wird z.B. durch Nachstrecken von Textilfasern die Orientierung der Makromoleküle in der Längsrichtung der Faser verstärkt und damit die Reißfestigkeit erhöht.
- Plastomere bestehen aus Gemischen verschieden langer, kettenförmiger Makromoleküle. Sie haben daher keine genau bestimmbare Schmelztemperatur, sondern einen Erweichungsbereich. Im weichen Zustand sind sie plastisch verformbar, beim Abkühlen werden sie hart.
- Die sich in Makromolekülen summierenden zwischenmolekularen Kräfte verhindern ein Verdampfen dieser Stoffe, da es vorher zu einer Zersetzung durch Zerreißen der Kette kommt.
- Die Thermoplaste haben die Eigenschaft, sich bei Erwärmung zerstörungsfrei beliebig formen zu lassen; dieser Vorgang ist reversibel.

Struktur:

kettenförmig, eindimensional oder strauchähnlich verzweigt

Verarbeitung:

Die Chemiewerke liefern Plastomere meist in Granulat- oder Pulverform. Nach Zugabe von Farb- und anderen Zusatzstoffen erfolgt die Weiterverarbeitung durch Warmpressen, Spritzguss oder Walzen. Kunststofffolien werden häufig geblasen. Dazu wird die erwärmte Kunststoffmasse durch eine Ringdrüse gepresst und der entstandene Schlauch durch Einblasen von Luft geweitet. Textilfasern werden im Schmelz- oder Trockenspinnverfahren hergestellt.

Schmelzspinnverfahren

Verfahren für Synthesefasern, deren Ausgangsstoffe bei hohen Temperaturen unter Luftausschluss geschmolzen werden (vorwiegend Polyamide, Polyester und Polypropylen). Die so gewonnene Spinnmasse wird durch Spinndüsen gepresst und zu Filamenten verformt, die sich nach Austritt aus der Düse durch Abkühlung an der Luft verfestigen. Die wesentlichen textilen Eigenschaften erhält der Faden erst durch das anschließende Verstrecken. Dies ist der wichtigste Vorgang der textilen Aufarbeitung, wobei der rohe, bereits feste Faden um ein Mehrfaches seiner Länge (ca. 3-5fach) ausgezogen wird

Trockenspinnverfahren

Bei diesem Verfahren wird die in flüchtigen Lösungsmitteln gelöste Spinnmasse über eine Spinndüse in einen vorsichtig mit warmer Luft beheizten Spinnschacht gedrückt. Das Verfestigen der Filamente geschieht durch Verdampfen des Lösungsmittels, das anschließend durch Kondensation und Filtern zu fast 100% wiedergewonnen werden kann.

Nassspinnverfahren

Bei diesem Verfahren wird der in Spinnlösung überführte Rohstoff durch Düsen in ein Fällbad gepresst, in dem sich die Filamente verfestigen. Nach dem Verstrecken wird das Spinngut nass aufgespult. Nass gesponnen werden Viskose- und Triacetat-Fasern, bestimmte Acrylfasern einschließlich Modacryl. Durch die Entwicklung spezieller Fasertypen mit hoher Temperaturbeständigkeit und Schwerentflammbarkeit gewinnt dieses Verfahren wieder zunehmend an Bedeutung

Beispiele:

PE Polyethylen

PP Polypropylen

PA Polyamid

POM Polyformaldehyd

PS Polystyrol

PMMA Polymethylmethacrylat

PVC-W Polyvinylchlorid-weich

PVC-H Polyvinylchlorid-hart

PC Polycarbonat

PET Polyethenterephthalat

Anwendung:

PE Haushaltsartikel, Kabelisolierungen, Folien

PP Haushaltsartikel, Folien; Autobatteriegehäuse, Rohrleitungen, Haushaltswaren, Verpackungshohlkörper, medizinische Anwendungen, Elektroinstrumente

PVC Rohre, Kabelisolierungen, Kunstleder, Fenster; Schallplatten, Fensterprofile, Bodenbeläge, Kunstleder , Rohre, Flaschen, Gehäuse, Schuhe, Taschen

PS Haushaltsartikel, Behälter, Schaumstoff; Verpackungen, Spielzeug, Schaumstoffe, Haushaltsgeräte, Joghurtbecher, Einwegbesteck, Wärmedämmstoff

Polyamid: Typenräder für Schreibmaschinen, Schutzhelme, Zahnräder, Schrauben, Bekleidung, Autobremsschläuche

PET Getränkeflaschen, Vlies-Pullover

Recycling:

Einschmelzen und Wiederverwenden

Am besten, wenn die Thermoplaste sortenrein gesammelt werden. Verschiedene Thermoplaste sind nur begrenzt mischbar, manche überhaupt nicht. Nachteilig auch: Inhaltsstoffe aus voriger Anwendung sind nicht entfernbar.

Duroplaste - Duromere

So werden Kunststoffe genannt, die nur einmal in einem plastischen Zustand sind und dann aushärten. Danach sind sie gegen Wärme und Chemikalien besonders widerstandsfähig und nicht mehr plastisch verformbar. Der Vorgang ist nicht wiederholbar. Weil die Molekülketten stark vernetzt sind, sind Duromere bei normalen Temperaturen hart bis spröde.

Duromere:

sie sind härter und spröder als Plastomere. Beim Erwärmen verformen sie sich nicht, oberhalb 300°C tritt Zersetzung ein. Sie bestehen aus trifunktionellen Makromolekülen, die durch Atombindungen eng vernetzt sind. Da sich Duromere (im Gegensatz zu Plastomere) im ausgehärteten Zustand nicht mehr durch erwärmen verformen lassen, ist eine Bearbeitung dann nur mehr mechanisch möglich. Daher werden Duromere entweder direkt in der Form erzeugt, oder die Vernetzung wird erst in einem zweiten Reaktionsschritt (nach der endgültigen Formgebung). Werden zum noch nicht vollständige vernetzte Kunststoffe anorganische Füllstoffe zugeben, so entstehen sehr widerstandsfähige Werkstoffe.

sind Werkstoffe, die zwar in einem plastisch verformbaren Zustand verarbeitet werden, aber nach Fertigstellung nicht mehr plastisch verformbar und verschweißbar sind. Sie bestehen aus räumlich eng vernetzten Makromolekülen und sind harte und oft spröde Werkstoffe. Die Vernetzung geht annähernd bei der Verarbeitung des noch plastischen Materials oder nach der endgültigen Formgebung - meist mit Wärmezufuhr und unter Verwendung eines sogenannten Härters - vor sich. Duromere sind nicht wieder verformbar, da weitere Erwärmung sie härter werden lässt, bzw. der Kunststoff verbrennt.

z.B. CD-Hüllen, Gehäuse von elektrischen Geräten.

Herstellung:

Duroplastische Kunststoffe entstehen und härten - je nach Art des Reaktionsharzes - in verschiedenartigen Reaktionen. Die Bildung der Makromoleküle wird eingeleitet durch Wärmezufuhr, Härtungsmittel und geeignete Katalysatoren. Als Formmasse zur Herstellung von Formteilen werden sie fast ausschließlich mit Füll- bzw. Verstärkungsstoffen verwendet.

Polykondensation

Polyaddition

Eigenschaften:

- sie sind härter und spröder als Plastomere. Beim Erwärmen verformen sie sich nicht, oberhalb 300°C tritt Zersetzung ein.
- Sie bestehen aus trifunktionellen Makromolekülen, die durch Atombindungen eng vernetzt sind. Da sich Duromere (im Gegensatz zu Plastomere) im ausgehärteten Zustand nicht mehr durch erwärmen verformen lassen, ist eine Bearbeitung dann nur mehr mechanisch möglich.
- Daher werden Duromere entweder direkt in der Form erzeugt, oder die Vernetzung wird erst in einem zweiten Reaktionsschritt (nach der endgültigen Formgebung). Werden zum noch nicht vollständige vernetzte Kunststoffe anorganische Füllstoffe zugeben, so entstehen sehr widerstandsfähige Werkstoffe.
- Die Duroplaste sind unter Zimmertemperatur hart und spröde, sie sind bis zu einem gewissen Grad temperaturbeständig und nicht schmelzbar.

Struktur:

netzförmig, eng verknüpft

Verarbeitung:

Die Bearbeitung ist nur mechanisch möglich, da Duromere im ausgeharteten Zustand durch Erwärmen nicht mehr verformt werden können. Dies erfolgt durch Bohren, Schleifen und Sägen.

Duromere werden daher direkt in ihrer Form erzeugt oder die Vernetzung wird erst in einem 2. Reaktionsschritt durchgeführt.

Werden zum noch nicht vollständig vernetzten Kunststoff anorganische Füllstoffe (Metall- und Mineralpulver, Glasfasern) zugegeben, so entstehen sehr widerstandsfähige Werkstoffe.

Die Formgebung und Verarbeitung erfolgt im flüssigen oder thermoplastischen Rohzustand unterhalb der "Härtungstemperatur" oder rasch nach Zugabe des Härtungskatalysators.

Beispiele:

Elektrische Schalter, Steckdosen, Gehäuse für elektronische Küchengeräte. hitzebeständige Lager für langsam laufende Maschinenteile

PF (Phenoplaste)

MF

UP (Gießharze)

PUR

Anwendung:

Phenoplaste: Steckdosen, Bakelit, Isoliermaterial

Aminoplaste: Resopal, Geschirr, Gehäuse von Elektrogeräten

Polyester (vernetzt): Bootskörper, Maschinenverkleidungen

Elastoplaste - Elastomere

Zu dieser Art zählt man die Kunststoffe, die sich innerhalb eines breiten Temperaturbereiches durch hohe Elastizität auszeichnen. Diese Kommt zustande, weil das dreidimensionale Molekülnetz nur wenige Querverbindungen aufweist und dadurch die einzelnen Abschnitte der Molekülketten, im Gegensatz zum Gesamtmolekül, eine relativ gute Bewegungsmöglichkeit erhalten.

Elastomere:

Sie zeigen gummielastisches Verhalten , sie bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen , die zum Großteil ungeordnet sind . Wird Druck oder Zug ausgeübt , so dehnt sich das Material , die Ketten ordnen sich und es bildet sich ein Produkt mit großer Festigkeit . Weil aber die Kräfte zwischen den Makromolekülen nur schwach sind , werden sie sofort wieder unwirksam , wenn der Zug oder Druck aufhört . Die Kettenmoleküle kehren in den ursprünglichen, ungeordneten Zustand zurück . In einem brauchbaren Elastomeren sollen die Makromoleküle nicht zu leicht aneinander vorbeigleiten (plastisches Fließen ), außerdem sollen sie ein ,,Gedächtnis" für den ursprünglichen Zustand besitzen . Dies wird durch eine weitmaschige Vernetzung erreicht . Es entstehen z.B. beim Vulkanisieren von Kautschuk ,erhitzen mit Schwefel => Gummi wird mit mehr Schwefel gearbeitet geht wegen der zu starken Vernetzung die elastische Eigenschaften verloren , es entsteht Hartgummi , ein Duromer . Zur Herstellung werden üblicherweise 3-5% Schwefel zugesetzt . Bei Autoreifen werden auch eine Menge Ruß zugesetzt.

Kautschuk:

- ist eine im Milchsaft verschiedener Pflanzen vorkommender Substanzen die durch die Polymerisation von 2- Methyl- 1, 3- Butadienen (Isopren), einem wichtigen Zwischenprodukt des pflanzlichen Stoffwechsels. Naturkautschuk wird aus dem Kautschukbaum gewonnen, er wird abgeschöpft, zu Platten gepresst, getrocknet und geräuchert(Konservierung). Dieses Material ist wenig chemikalien beständig und plastomer. Kautschuk war den Indianern schon lange bekannt, sie verwendeten ihn für Spielbälle, als Klebematerial und für wasserfeste Gefäße. Kolumbus brachte die ersten Kautschukbälle nach Europa, doch erst 1759 kamen die ersten Schiffsladungen nach Europa, es wurden daraus Radiergummi, später wasserdichte Regenmäntel gemacht. Schließlich kamen Samen des Kautschukbaumes aus Brasilien in die Britischen Kolonien, heute sind Indonesien, Malaysia und Thailand die Haupterzeuger.
- Bei längerem Lagern altert Gummi, er wird brüchig. Dies ist eine Folge von Reaktionen der Doppelbindung mit dem Sauerstoff. Es bilden sich analog C-O-O-C Brücken, die leicht zerfallen.
- Die wichtigsten synthetischen Elastomere sind Mischpolymerisate aus Butadien , Isopre und Styrol (= Vinylfrenzol).
- Alte Reifen stellen ein hohes Umweltproblem dar, denn ihre Wiederverwertung ist sehr schwierig, man muss sie abkühlen somit werden sie spröde, die Gummistückchen werden mit Klebstoff vermischt und als Bodenbeläge verwendet. Man kann sie auch zur Schalldämmung bzw. zur Begrünung verwenden, sie werden auch als Brennstoff verwendet.
- sind Werkstoffe, die plastisch kaum verformt werden können. Sie bestehen aus räumlich lose vernetzten bis räumlich vernetzten Makromolekülen. Bei loser Vernetzung sind Elastomere gummielastisch. Ihre Ketten sind stark ineinander verwickelt und werden bei Zug- und Druckbelastung auseinandergezogen. Bei Entlastung ziehen sich die Makromoleküle wieder zusammen. Sie besitzen bei großer Dehnung eine hohe Zugfestigkeit.

z.B.: Flummi, Radiergummi

Herstellung:

Zur Herstellung von Weichgummisorten werden 3-5 % Schwefel zugesetzt. Verschiedene Füllstoffe verbessern die mechanischen Eigenschaften. Autoreifen enthalten beispielsweise eine beträchtliche Menge Ruß zur Erhöhung der Abriebfestigkeit.

Eigenschaften:

• zeigen gummielastisches Verhalten. Sie bestehen aus kettenförmigen Makromolekülen, die zum Großteil ungeordnet sind. Wird Zug oder Druck ausgeübt, so dehnt sich das Material, die Ketten ordnen sich und es bildet sich ein Produkt mit großer Festigkeit.

Weil aber die Kräfte zwischen den Makromolekülen nur schwach sind, werden sie sofort wieder unwirksam, wenn der Zug oder der Druck aufhört. Die Kettenmoleküle kehren in den ursprünglichen, ungeordneten Zustand zurück.

In brauchbaren Elastomeren sollen die Makromoleküle nicht zu leicht aneinander vorbeigleiten (plastisches Fließen), außerdem sollen sie ein "Gedächtnis" für ihren ursprünglichen Zustand besitzen. Dies wird durch eine weitmaschige Vernetzung erreicht.

So entsteht zB beim Vulkanisieren von Kautschuk (Erhitzen mit Schwefel) Gummi. Die langen Kautschukmoleküle, die pro Untereinheit noch eine Doppelbindung besitzen, addieren Schwefel und werden durch Schwefelatome vernetzt. Wird sehr viel Schwefel verwendet, dann gehen wegen der zu starken Vernetzung die elastischen Eigenschaften verloren, es entsteht Hartgummi, ein Duromer.

- Elastomere sind die Kunststoffe, die von gummielastischer Gestalt sind; Elastomere

schrumpfen bei Erwärmung

Struktur:

weitmaschig verknüpft

Verarbeitung:

Schäumen

Beispiele:

NR Naturkautschuk

CR Chloropren-Kautschuk

NBR Acryilitril-Butadien-Kautschuk

EPDM Äthylen-Propylen Terpolymersat

SBR Styrol-Butadien-Kautschuk

Anwendung:

Polyurethane: Montageschaum, Dichtungen, Autositze

Gummi: Reifen, Bälle, Schläuche, Luftmatratzen, Kondome

Thermoplastische Elastomere (TPE)

TPE vereinen die mechanischen Eigenschaften von vulkanisierten Elastomeren (Gummi) bei Raumtemperatur mit der Verarbeitbarkeit von thermoplastischen Kunststoffen.

Die Fähigkeit der TPE, wiederholt aufschmelz- und verarbeitbar zu sein, liegt im Fehlen der bei Gummi vorliegenden chemischen Vernetzungsstellen begründet. Die elastomeren Eigenschaften erhält das Material entweder durch Copolymerisieren von harten und weichen Blöcken oder durch Blenden einer thermoplastischen Matrix mit einem (teil)vernetzten oder unvernetzen Kautschuk.

Im Fall der Copolymerisation bilden die Hartsegmente sogenannte Domänen, die als physikalische Vernetzungsstellen fungieren.

Aus dem strukturellen Aufbau der TPE resultiert eine im Vergleich zu vernetzten Elastomeren geringere Wärmeformbeständigkeit und eine geringere Rückstellfähigkeit nach Entlastung, aber auch eine kostengünstigere Verarbeitung durch kürzere Zykluszeiten und die vorteilhafte Rezyklierbarkeit. Außerdem lassen sich die Gebrauchseigenschaften über den Anteil von Hart- und Weichphase in weiten Grenzen einstellen. Dabei werden abhängig von der Polymertype der Hartphase TPE auf Amid-, Ester-, Olefin-, Styrol- oder Urethanbasis unterschieden. Ihre Einsatzgebiete sind entsprechend vielfältig (Stoßstangenhalterungen, Skistiefel, Folien, Walzen, Schläuche, etc.).

Am Lehrstuhl für Kunststofftechnik werden die verarbeitungs- und einsatzabhängigen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen untersucht. Ein Schwerpunkt liegt im dynamischen Werkstoffverhalten, welches mit Hilfe des Hysteresis-Meßverfahrens beurteilt wird. Bei diesem Verfahren wird die Hystereseschleife bestimmt, durch die Berechnung charakteristischer Kennwerte beschrieben und so Belastungsgrenzen ermittelt. Gegenstand der aktuellen Forschung sind Belastungsgrenzen für Thermoplastische Polyurethane (TPU) und olefinische Elastomere (TPE-O), die mit thermoanalytischen und mikroskopischen Analysen charakterisiert werden. Bei den TPE-O spielt die Compoundierung eine große Rolle.

Herstellungsverfahren

Polyaddition

Die 3. Aufbaureaktion für Makromoleküle ist die Polyaddition. Die Addition ist die typische Reaktion von Molekülen mit Doppelbindung und zwar nicht nur von Kohlenstoff-Kohlenstoff sondern auch von Kohlenstoff-Stickstoff oder Kohlenstoff- Sauerstoff Doppelbindung. Bei der technisch wichtigsten Polyaddition werden Alkoholmolküle an die Isocyanatgruppe N=C=O und zwar ausschließlich an die Kohlenstoff Stickstoffverbindung addiert, die Carbonylgruppe bleibt erhalten. Enthalten die bei der Polyaddition eingesetzten Diole Wasser, so entsteht in einer Nebenreaktion Kohlenstoffdioxid, dass das enstehende Polyurethan zum Schaumstoff auftreibt. Es können außer Diisocyanaten auch Triisocyanate und ebenso trifunktionelle Alkohole eingesetzt werden, so entstehen auch vernetzte Polyurethane. Vernetzung treten auch durch Reaktion des Polyurethan mit überschüssigen Isocyanat ein. Durch Variationen der Komponenten lassen sich harte, weiche und elastische Polyurethankunststoffe herstellen, die vielseitig eingesetzt werden können, sowohl als auch massive Materialien als auch als Schaumstoffe, wie z.B. als Isoliermaterial für Kühlgeräte, Polstermöbel, Autositze, Lacke, Sportgeräte.

Hierbei werden durch wiederholte Addition von Monomeren mit zwei oder mehr reaktionellen Gruppen über Oligomere Polymere gebildet. Bei der Additionsreaktion kommt es dabei zu keiner Abspaltung kleiner Moleküle. Die Polyaddition läßt sich einteilen in die Unipolyaddition, bei der zwei unterschiedliche Monomerentypen verwendet werden, und die Copolyaddition, bei der mehr als zwei Monomerentypen verwendet werden. Die Reaktionsprodukte der Polyaddition heißen Polyaddukte.

Die Reaktion der Polyaddition verläuft ähnlich wie die der Polykondensation. Doch im Gegensatz zur Polykondensation wird hier nichts abgespalten, es entstehen keine Nebenprodukte, sondern das Wasserstoffatom wandert von einer funktionellen Gruppe zur anderen. Die Ausgangsmonomere müssen also mindestens bifunktionell sein.

Auch ringförmige Ausgangsprodukte sind geeignet. In der Regel werden (Di- bzw.

Poly) Isocyanate und zwei- oder dreiwertige Alkohole verwendet.

Die Reaktion läuft folgendermaßen ab: zuerst liegen ein Molekülende mit einem leicht abspaltbaren Wasserstoffatom und ein Molekülende mit einer leicht spaltbaren Bindung vor. Das Wasserstoffatom spaltet sich ab und die Bindung der anderen funktionellen Gruppe spaltet sich auf. Das Wasserstoffatom geht dann mit einem der freigewordenen Elektronen eine Bindung ein. Das andere Elektron der aufgespaltenen Bindung bildet ebenfalls eine neue Bindung, eine Kette entsteht.

Die entstandenen Polymere werden Polyaddukte genannt. Beispiele für Polyaddukte sind:

- Polyurethan PUR
- Polyurethan-Schaumstoffe (PUR-Schaum)
- Epoxide (EP)

Polykondensation

- Bei dieser Polyreaktion werden Monomermoleküle mit mindestens 2 funktionellen Gruppen unter Abspaltung kleiner Moleküle miteinander verknüpft.
- Die Polykondensation ist eine Reaktion zwischen reaktionsfähigen Gruppen unterschiedlicher Ausgangsstoffe. Mindestens bifunktionelle Ausgangsstoffe sind dazu notwendig. In der Regel erfolgt die Reaktion zwischen Wasserstoff und einer Hydroxylgruppe (-OH) unter Bildung von Wasser. Die Abspaltung von Wasser wird in der Chemie als Kondensation bezeichnet, daher der Name dieser Herstellungsart.

Polymerisation

Ausgangsstoffe für die Synthese von Polymeren sind die sogenannten Monomere, Verbindung aus reaktiven kleinen Molekülen. Wichtige Monomere sind Ethen und seine Derivate wie zB Styrol, Verbindungen, deren Moleküle eine Doppelbindung enthalten. Die Polymerisation kann durch Zugabe von Radikalbildnern eingeleitet werden. Als Radikalbildner eignen sich Verbindungen wie Peroxyde, deren Moleküle beim leichten Erwärmen in Radikale zerfallen. Die reaktionsfähigen Startradikale spalten die Doppelbindung der Monomermoleküle auf. Die dabei entstehenden neuen Radikale reagieren mit weitern Monomermolekülen in einer Kettenreaktion. Die radikalische Polymerisation kann auch photochemisch gestartet werden oder durch Sauerstoffmoleküle, die als Biradikale reagieren. So erklärt sich, dass viele Verbindungen mit Doppelbindung an der Luft und im Licht von selbst polymerisieren, also verharzen.

Das Trocknen vieler Lacke und Anstrichfarben beruht darauf. Die Polymerisation kann auch ionisch, sowohl auch kationisch als auch anionisch erfolgen. Technisch kann eine Polymerisation im einfachsten Fall als Blockpolymerisation durchgeführt werden, indem den reinen monomeren Radikalbildner zugesetzt werden. Auf diese Weise erhält man reine und gleichmäßige Produkte. Polystyrol und Plexiglas werden so hergestellt. Da die Polymerisation stark exotherm abläuft, muss für eine gute Kühlung gesorgt werden. Häuft ist aber eine Blockpolymerisation nicht möglich, wenn das Monomere zu schnell polymerisiert. Dann "verdünnt" man das Monomere in ein Lösungsmittel. Fällt bei einer solchen Lösungsmittelpolymerisation das Polymere aus, liegt der Spezialfall der Fällungspolymerisation vor. Bei der Polymerisation von Gasen arbeitet man unter Druck, damit die Monomere in genügend hoher Konzentration vorliegen.

Unter dem Begriff Polymerisation versteht man im deutschen Sprachgebrauch die Reaktionen zum Aufbau von Polymeren. Im Wesentlichen unterscheidet man bei diesen Polyreaktionen Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation. Die Polymerisation läuft als Kettenreaktion mit Kettenstart, Kettenfortpflanzung und Kettenabbruch - letzter Schritt fehlt bei den so genannten lebenden Polymeren. Kettenstart, -fortpflanzung und -abbruch gehen bei der Polymerisation so sehr ineinander über, dass sich die Polymere im Prinzip stufenlos bilden. Die Polymerisation kann durch Initiatoren (z. B. Radikale), durch Wärme, durch ionisierende Strahlung oder durch Licht ausgelöst werden. Während der Fortpflanzungs- oder Wachstumsreaktion lagern sich weitere Monomere an das wachsende Molekül an. Der Kettenabbruch erfolgt durch Disproportionierung, Rekombination oder Abbruchsreaktionen.

Im Gegensatz dazu laufen Polyaddition und Polykondensation in Stufen ab. Wie bereits der Name sagt, entstehen bei der Polyaddition die Polymere durch die mehrfach wiederholte Addition von Monomeren in Form von Einzelreaktionen. Bei der Polykondensation reagieren die Monomere in voneinander unabhängigen Einzelreaktionen unter Abspaltung von kleinen Molekülen (z. B. Wasser, Alkohol, Halogenwasserstoff).

Hierbei werden Monomeren mit Kohlenstoffdoppelbindungen oder Ringen häufig unter Anwesenheit eines Initiators wie Radikale oder Ionen in einer Kettenreaktion zu linearen Makromolekülen verknüpft, indem weitere Monomeren an die Kette angelagert werden. Die Kettenlänge läßt sich dabei durch Zugabe von Reglermolekülen steuern. Die Reaktionsprodukte der Polymerisation werden als Polymerisate bezeichnet.

Durch Polymerisation hergestellte Kunststoffe bezeichnet man als Polymerisate. Das entstehende Polymerisat hat dieselbe chemische Zusammensetzung wie das Monomere, die relative molare Masse ist aber entsprechend höher. Polymerisate sind z.B.:

- Polyethylen (PE),
- Polypropylen (PP),
- Polymethylmethacrylat (PMMA).

Copolymerisation

Verwendet man zur Herstellung eines Kunststoffs nur eine Monomerart, so entsteht ein Hochpolymerisat.

Bei der Polymerisation können aber auch unterschiedliche Monomere eingesetzt werden. In diesem Fall spricht man dann von Copolymerisation. Die Anordnung der einzelnen Monomerbausteine im Copolymer kann unterschiedlich sein. Durch die Wahl der verschiedenen Monomere können bei der Copolymerisation die Eigenschaften des Kunststoffs beeinflusst werden.

Beispiele für Copolymerisate sind:

- SAN
- ABS
- UP

Copolymerisate können linear oder vernetzt sein. Lineare Copolymerisate sind Thermoplaste. Duroplastische Copolymerisate entstehen aus mehrfunktionellen Monomeren oder Monomeren mit reaktionsfähigen Gruppen, die sich räumlich vernetzen.

Recycling

Pyrolyse

Bei hohen Temperaturen werden die Makromoleküle gespalten. Es entstehen Gase und niedrig siedende Flüssigkeiten, so wie ein schwarzes Pyrolyseöl. Als gasförmige Produkte erhält man überwiegend Ethen, Propen und Butadien, die als Monomere wiederum zur Kunststoffsynthese eingesetzt werden, so wie Methan. Die flüssigen Pyrolyseprodukte dienen als Chemierohstoffe. In einigen Fällen wie bei der Pyrolyse von Plexiglas können auch die Monomere zurückgewonnen werden. Durch Recycling der Kunststoffabfälle durch Einschmelzen und Pyrolyse werden nicht nur der Müll verringert, sondern auch wertvolle Rohstoffe eingespart. Neben der Pyrolyse sind auch die Hydrierung mit Wasserstoff unter Druck und die Hydrolyse zum Recycling von Kunststoffabfällen möglich.

Verbrennen

Der hohe Heizwert der Kunststoffe lässt sich in Verbrennungsanlagen zur Wärmeerzeugung ausnutzen. Die bei der Verbrennung von Polyethen neben Kohlenstoffoxiden entstehenden Nebenprodukte sind vergleichbar mit denen von Holz. Beim Verbrennen von chlorhaltigen Kunststoffabfällen können giftige Dioxide und Hydrogenchlorid freigesetzt werden. Diese werden in den entsprechenden Rauchgaswaschanlagen zurückgehalten.

Hydrolyse

Manche Kunststoffe können bei höheren Drucken und Temperaturen mit Wasser in die Ausgangsstoffe zerlegt werden, die nach Reinigung wieder verwendbar sind. (PA, Polyester, PUR)

Einschmelzen und wiederverwenden

Nur möglich für Thermoplaste. Am besten, wenn sie sortenrein gesammelt wurden. Verschiedene Thermoplaste sind nur begrenzt mischbar, manche überhaupt nicht. Nachteilig auch: Inhaltsstoffe aus voriger Anwendung sind nicht entfernbar.

Walzenbrecher

Die Walzenbrecher und Walzenmühlen sind so gestaltet, daß ( mindestens ) zwei Walzenpaare gegenläufig rotieren, zwischen die das Gut eingebracht wird. Die Kräfte, die auf das Gut einwirken, sind hauptsächlich Druckkräfte; sind die Walzenumfangsgeschwindigkeiten unterschiedlich eingestellt, so wirken zusätzlich noch Scherkräfte, das Gut wird quasi `zerrissenÂ. Handelt es sich um einen Walzenbrecher mit Nockenwalzen, so wird das Material auch durch Schlag zerkleinert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine Voraussetzung für eine effektive Arbeitsweise einer Walze ist das rutschfreie Einziehen des Aufgabegutes in den Aufgabespalt hinein, was natürlich für Walzen mit glatter Oberfläche nicht unproblematisch ist. Der Zusammenhang der Einzugsverhältnisse lässt sich an der Abbildung zeigen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einzugsverhältnisse bei glatten

Walzenoberflächen

Verarbeitungsverfahren

Extrudieren: (Thermoplaste)

Wenn entsprechend aussortierter, gereinigter und granulierter Kunststoff (Thermoplast) in seiner reinen Form vorliegt, kann er in einem Extruder zu einer homogenen Masse geschmolzen werden, um ihn am Ende der Anlage zu einem lückenlos zusammenhängendem Strang zu pressen und einer neuen Verarbeitung zuzuführen. Dieses Verfahren wird vor allem eingesetzt zur Herstellung von Halbzeugen, also von Materialien wie Folien, Tafeln, Profile, Rohre, Ummantelungen, die noch weiterverarbeitet werden müssen, damit ein Gebrauchsgegenstand daraus wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Funktionsprinzip einer solchen Extrusionsanlage ist so, daß sich in einem beheizten Zylinder eine Schnecke dreht, welche die Fördermasse nach vorn fördert, verdichtet, plastifiziert und homogenisiert. Vor den Schneckenzylinder ist ein Werkzeug gesetzt. Dieses gibt der plastisch austretenden Masse die gewünschte Form.

Rohre, Profile, Tafeln, Folien

Spritzgießen: (Thermoplaste, Duroplaste, Elastoplaste)

Die Schließeinheit öffnet und schließt das Werkzeug, in dessen Hohlraum die plastische Masse vom Schneckenkolben der Spritzeinheit über ein Angussystem eingespritzt wird.

z.B. Tassen, Flaschenkästen, Gehäuse, Zahnräder

Extrusionsblasformen:

Dieses Verfahren dient der Herstellung von Hohlkörpern aus Thermoplasten. Ein Extruder drückt einen fast plastischen Schlauch in ein zweiteiliges Hohlwerkzeug. Durch das Schließen des Werkzeuges wird der Schlauch oben und unten luftdicht abgequetscht. Eingeblasene Luft drückt ihn dann an die abkühlenden Innenwände des Werkzeugs und formt ihn so zum Hohlkörper. z.B. Hohlkörper, Flaschen, Kanister

Kalandrieren: (Thermoplaste)

Polyvinylchlorid wird in plastischem Zustand zwischen zwei oder mehreren Walzen zu einem endlosen Folienband breitgewalzt. Nach verlassen des Kalanders kann die Folie durch Prägen, Bedrucken, Beflocken, Metallisieren weiter behandelt werden.

z.B. Folien, Bahnen

Schäumen: (Duroplaste)

Außerdem lassen sich Schaumkunststoffe nicht nur mittels spezieller Schäumverfahren herstellen, sondern auch Verfahren wie Spritzgießen, Extrudieren und Kalandrieren, sind zur Herstellung von Schaumstoffen geeignet.

z.B. Böcke, Tafeln, Formteile

Details

Seiten
19
Jahr
2001
Dateigröße
465 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v100525
Note
Sehr gut
Schlagworte
Alle Kunststoffe Verarbeitung Anwendung Eigenschaften Beispiele

Autor

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