Kunststoff
Ein Kunststoff besteht aus Makromoleküle (sehr große Moleküle), die synthetisch hergestellt werden oder durch Abwandlung von Naturprodukten entstehen. Diese Makromoleküle bestehen aus einer großen Zahl an Monomeren (Bausteinen), welche chemisch verbunden sind. Daher heißen sie auch Polymere.
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Inhalte auf dieser Seite
- Herstellung von Kunstoff
- Radikalische Polymerisation
- Polykondensation: Polyester und Polyamide
- Polyaddition
- Thermoplaste
- Duroplaste
- Elastomere
Herstellung von Kunstoff
Radikalische Polymerisation
Monomere mit Mehrfachbindungen werden zu einem Polymer mit Einfachbindungen verknüpft.
Startreaktion der Polymerisation
Um die radikalische Reaktion zu starten, werden zunächst Radikale benötigt. Diese werden durch homolytische Spaltung einer Einfachbindung erzeugt.
Kettenstart
Sobald die benötigten Radikale gebildet sind, beginnt die Polymerisation, indem das ungepaarte Elektron des Radikals sich mit einem Elektron aus der Doppelbindung paaren. Dabei bleibt ein einzelnes Elektron aus der Doppelbindung übrig, was zu einem Radikal an einer anderen Stelle führt.
Kettenreaktion
Das neu entstandene Radikal kann wieder, auf dieselbe Weise, mit einem Ethenmolekül reagieren. Diese Reaktion läuft immer wieder ab, wodurch eine immer längere Kette entsteht.
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Kettenabbruch
Wie bei der radikalischen Substitution, endet auch hier die Kettenreaktion, indem zwei Radikale miteinander reagieren, und dabei eine Einfachbindung ausbilden. Dabei können alle vorhandenen Radikale beliebig miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann ein Radikal aus der Kettenreaktion mit einem der ursprünglichen Radikale reagieren.
Es können aber auch zwei Radikale aus der Kettenreaktion können miteinander reagieren.
Sobald keine Radikale mehr vorhanden sind, kann auch keine Kettenreaktion mehr ablaufen. Das Polymer, das entsteht, muss jetzt nicht umständlich ausgeschrieben werden, sondern kann in einer Kurzschreibweise angegeben werden. Dabei wird die sich wiederholende Einheit (Repetiereinheit) in eckige Klammern geschrieben und ein kleines n rechts unten an die Klammern geschrieben (damit deutet man an, dass das ganze sehr oft wiederholt wird, nämlich n-mal). In diesem Fall sieht die Repetiereinheit folgendermaßen aus, da bei jedem Reaktionsschritt zwei Kohlenstoffatome dazukommen:
Polykondensation: Polyester und Polyamide
Bifunktionelle Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen (Carboxy- und Hydroxygruppe) reagieren unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (meist Wasser) zu Polyestern.
Bei der Polykondensation müssen die Monomere jeweils mindestens zwei funktionelle Gruppen haben. Soll durch die Polykondensation ein Polyester entstehen, müssen Carboxy- und Hydroxygruppen vorhanden sein. Diese reagieren in einer nucleophilen Substitution miteinander, indem das freie Elektronenpaar der Hydroxygruppe am positiv polarisierten Kohlenstoffatom der Carboxygruppe angreift.
Durch diesen Reaktionsschritt entsteht eine positive Ladung am Sauerstoffatom, welche ausgeglichen werden muss. Dazu wandert ein Proton zu der benachbarten Hydroxygruppe, wodurch anschließend Wasser abgespalten werden kann.
Auch hier kann das Polymer wieder mithilfe einer Repetiereinheit angegeben werden. Dabei ist es wichtig, dass die Teile des Moleküls, welche am Ende der Kondensationsreaktion in Form von Wasser abgespalten werden außerhalb der eckigen Klammern stehen. Das sind in diesem Fall die Hydroxygruppe der Carbonsäure (hellgrau markiert) und das Proton des Alkohols (dunkelgrau markiert). Den Rest des Moleküls kann man dann als Repetiereinheit schreiben.
Soll durch die Polykondensation ein Polyamid entstehen, müssen Carboxy- und Aminogruppen vorhanden sein. Der Mechanismus läuft genauso ab, wie bei der Herstellung eines Polyesters.
Die Repetiereinheit wird hier auf dieselbe Weise angegeben wie bei Polyestern. Die Teile des Moleküls, welche am Ende der Kondensationsreaktion in Form von Wasser abgespalten werden, stehen außerhalb der eckigen Klammern. Das sind in diesem Fall die Hydroxygruppe der Carbonsäure (hellgrau markiert) und ein Proton der Aminogruppe (dunkelgrau markiert). Den Rest des Moleküls kann man dann wieder als Repetiereinheit schreiben.
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Polyaddition
Auch bei der Polyaddition müssen die Monomere jeweils mindestens zwei funktionelle Gruppen haben, Isocyanat- und Hydroxygruppen. Diese reagieren in einer nucleophilen Addition miteinander, indem das freie Elektronenpaar der Hydroxygruppe am positiv polarisierten Kohlenstoffatom der Isocyanatgruppe angreift.
Durch den ersten Reaktionsschritt entsteht eine positive Ladung am Sauerstoffatom, welche durch die Abgabe eines Protons ausgeglichen werden kann. Dieses Proton kann durch die Doppelbindung zwischen Stickstoff- und Kohlenstoffatom aufgenommen werden. So wird Platz geschaffen, damit die Doppelbindung zwischen Kohlenstoff- du Sauerstoffatom wiederhergestellt werden kann.
Da es sich hier um eine Additionsreaktion handelt, wird nichts abgespalten und es stehen daher keine Atomgruppen außerhalb der eckigen Klammern der Repetiereinheit. Hier muss man daher gut aufpassen, dass die funktionellen Gruppen nicht einfach abgeschrieben werden, sondern so umgeschrieben werden, wie sie nach der Reaktion vorliegen (auch hier wieder farblich markiert mit hell- und dunkelgrau).
Thermoplaste
Thermoplaste sind Polymere, die sich aus bifunktionellen Monomeren (Moleküle mit zwei funktionellen Gruppen) zusammensetzen, welche sich jeweils nur mit zwei anderen verbinden. Dadurch entstehen lineare, unvernetzte Ketten. Diese Ketten werden durch zwischenmolekularen Wechselwirkungen zusammengehalten. Wird ein Thermoplast nun erhitzt, so werden (bei ausreichender Energiezufuhr) die zwischenmolekularen Wechselwirkungen überwunden und der Kunststoff ist plastisch verformbar, bis er letztendlich schmilzt. Wird das Thermoplast weiter erhitzt, so werden die Bindungen innerhalb des Moleküls getrennt und der Kunststoff wird zerstört.
Duroplaste
Duroplaste sind Polymere, welche sich aus trifunktionellen Monomeren (Moleküle mit drei funktionellen Gruppen) zusammensetzen. Dadurch entstehen zweidimensionale, engmaschige Netze oder sogar dreidimensionale Raumstrukturen. Hier werden die Polymerketten durch Atombindungen zusammengehalten. Damit das Duroplast schmelzen würde, müssten hier chemische Bindungen überwunden werden, was bedeuten würde, dass der Kunststoff zerstört wird. Der Kunststoff bleibt also beim Erhitzen stabil und verformt sich nicht. Wird er allerdings zu stark erhitzt, dann brechen die Bindungen auf, und der Kunststoff wird zerstört.
Elastomere
Elastomere sind Polymere, die sich aus bifunktionellen und gelegentlich trifunktionellen Monomeren zusammensetzen. Dadurch entstehen weitmaschige Strukturen, welche es ermöglichen das Molekül zu dehnen. Wird an dem Kunststoff gezogen, so werden die Bindungen verzerrt und der Stoff verformt sich. Lässt man wieder los, so nehmen die Bindungen wieder ihren ursprünglichen Zustand ein, und der Kunststoff erhält seine ursprüngliche Form zurück.
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