KunststoKunststoffeffeReferent: Stefan

BurgemeisterDatum: Donnerstag,

10.07.20031615 – 1700 Uhr

"Physik ist, wenn es nicht gelingt; Chemie ist, wenn es kracht und stinkt"

Gliederung Ein feuriger Beginn

Celluloid (Demo 1) Grundlegende Kunststoffsynthesen und

Strukturen Bakelit – der 1. vollsynthetische Kunststoff (Versuch 1, Demo 2)Vom Polystyrol zum Styropor (Versuch 2a und 2b)Der Universalkunststoff Polyurethan (Versuch 3)Verbrauch und Verwendung von Kunststoffen

Additive in Kunststoffen (Versuch 4)

Kunststoffmüll Recycling einer PET-Flasche (Versuch 5)Reduktion von Metalloxiden mit PE (Versuch 6)

Ein feuriger Beginn „Kunststoffe sind makromolekulare

organische Werkstoffe, die durch Umwandlung von Naturprodukten oder aus niedermolekularen Stoffen hergestellt werden“

1846: C. F. Schöninger entdeckt „Schießbaumwolle“ (Demo 1)

1869: Die Brüder Hyatt erfinden Celluloid durch Einwirken von Campher auf Cellulosenitrat

1883: J. W. Swan entwickelt Verfahren zur Herstellung von Kunstseide aus Cellulosenitrat

1885: Spitteler und Krischa stellen „Kunsthorn“ aus Casein und Formaldehyd her

O

OH

OH HO

OH

HO

Grundlegende Synthesen und Strukturen

1907: Bakelit, der erste vollsynthetischen Kunststoff (Versuch 1)

Reaktionsmechanismus: eine Polykondensation

OOOOOH

OH OH OH OH OH

+ H2O

H2O- H2O-OH

”

”

”

”

”OH

- H2O

O C

H

H

O

OH

” O

OH

H2C

O OO

OH OHOH

C

H

H

O

OH

HO

OH

H

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

CH2OH

OH

OH

OHHO

O CH2

+ n H2O

+ ”

” ”

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OHHOOH

OH

OHOH

Bakelit – Beispiel eines DuroplastenStruktur

Vernetzungsgrad

Eigenschaftenchemisch und thermisch sehr widerstandsfähig

NN

HO3S OH

O

HO OH

OH

OH

H

NHO3S N

Verwendung als Ionenaustauscher (Demonstration 2)

+ NO2-(aq) + Cl-(aq) + 2 H3O+

(aq)

++

NH2HO3S

OH

OH

OH

OH

HO OH

Cl-

- HCl

+ 4 H2O

NN

HO3S OH

OH

HO OH

OH

OH

Vom Polystyrol zum Styropor (Versuch 2)

Reaktionsmechanismus: eine radikalische Polymerisation1. Bildung der Startradikale

O

O

O

O

O

O

2

Dibenzoylperoxid

Phenylradikal

C C

H H

H

2. Kettenstart

3. Kettenwachstum

+

+ C C

H

H

H

C C

H

H

H

C C

H H

H

C C

H H

H

C C

H

H

H

C

H

C C

H

H

H

C C

H

CC

H

H

C

H

R

H

H

R

H

H

C

H

C C

H

H

H

C R

H

H

4. Kettenabbruch

C

H

CR

H

H

C C

H

H

H

+

nn

m

m

A

B

C

H

CR

H

H

C C

H

H

H

n

+ R C

H

CC

H

H

C

H

R

H

H

R

n

C

C

H

CC

H

H

C

H

R

H

H

n

2C

H

CC

H

H

C

H

R

H

H

H C

H

CC

H

C

H

R

H

H+Disprop.

n n

Polystyrol – Beispiel eines ThermoplastenStruktur

Polymerisationsgrad

amorph teilkristallin

EigenschaftenErweichen beim Erwärmen

Erhöhung der Kristallinität bewirkt eine Zunahme der Dichte und der Festigkeit eine Abnahme des Verformungsvermögens und der TransparenzMit zunehmendem Polymerisationsgrad erhöht sich die Zugfestigkeit, die Härte und die Schlagzähigkeit verringert sich die Fließfähigkeit und die Kristallisationsneigung

N H O R OH

Der Universalkunststoff Polyurethan (Versuch 3)

Reaktionsmechanismus: eine PolyadditionFunktion des Aktivators

N NC

OC

O

O OH H

Diphenylmethan-4, 4-diisocyanat

Ethylenglykol

+ + - -N H O R OH

Triethylamin

Reaktion des Dialkohols mit Diisocyanat

N H O R OH

O C N R' N C OO C N R' N C O

O

H

N

R OH

O C N R' N C O

O

H

N

R OH

O C N R' N C O

H

O

R OH N+

++

+ -

- - +-

-+

Urethan-Bindung

Reaktionsmechanismus für die räumliche Vernetzung

Abspaltung von CO2

R' N C O R

O

H

O C N

R'

N C O

R' N C O R

O

COH N

R'

N C O

R' N C O R' N C

H

O

OHR NH2+ H2O + CO2

R' N C O R

O

CO N

R'

N C O

H

Polyurethan – Beispiel eines ElastomersStruktur

Vernetzungsgrad

EigenschaftenBei Raumtemperatur gummielastischMit zunehmendem Vernetzungsgrad erhöht sich die Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit

Zwischenbilanz Kunststoffklassen

Duroplaste: stark vernetzt chemisch und thermisch widerstandsfähig

Thermoplaste:unvernetzt plastisch, in der Wärme verformbar

Elastomere:schwach vernetzt gummielastisch

Reaktionsmechanismen

Verbrauch und Verwendung von Kunststoffen

Weltverbrauch an Kunststoffen 2002 (Gesamtbedarf 210 Mio. t)

PE24%

PET14%

PP14%

PVC12%

PS/ EPS6%

PUR4%

Duroplaste, Lacke, Leime,

Harze14%

Sonstige5%

technische Kunststoffe

7%

Verwendung von Kunststoffen

Haushaltswaren2%

Landwirtschaft2%

Klebstoffe, Farben, Lacke

4%

Sonstige (z. B. Medizin)

9%

Verpackungen34%

Möbel6%

Automobil-industrie

9%

Elektronik11%

Bauwesen23%

Additive in Kunststoffen (Versuch 4)

Weichmacher FarbmittelFlammschutzmittel

Füllstoffe Gleit- und TrennmittelSchlagzähmodifikatoren Stabilisatoren

Treibmittel

PVC-AdditiveProduktgruppen Füllstoffe Weichmacher Stabilisatoren PigmenteFensterprofile 0 - 12 % - 2 – 4 % 2 – 5 %Rohre 0 - 4 % - 2 – 3 % 2 %Fußbodenbeläge 25 – 50 % 10 – 20 % 0,5 – 1 % 1 %Kabelmassen 10 – 50 % 25 – 40 % 1 – 3 % 1 – 3 %

Bestimmung des PVC-Gehaltes nach Schöninger

Verbrennung von PVC:

Titration:

H3O+(aq) + OH-

(aq) 2 H2O

C C

H

H

H

Cl

+ 2,5 O2(g) 2 CO2(g) + HCl(g) + H2On

Produkt PVC-Gehalt Füllstoff-Gehalt Weichmacher-GehaltPVC-Schlauch 66 % - 30 %PVC-Rohr 89 % 7 % -

HH

H

HH

HH

HH

HH

HHCl

Cl

HCl

H

ClH

HCl

HH

H

HH

HH

HH

HH

HHCl

Cl

HCl

H

ClH

HCl

Funktionsweise von Weichmachern

Funktionsweise von Weichmachern

+ -

+ -

+ -

+ -

- +

- +

- +

- +

- +

- +

+ -

+ -

+ -

- +

O P OO

O

CH3

CH3

CH3

+ -

+ -

+ -

+ -- +

- +

- +

- +

- +

- +

+ -

+ -

- +

- +

Funktionsweise von Weichmachern

Trikresylphosphat

Kunststoffmüll

Recycling einer PET-Flasche (Versuch 5)

CO

O

C O

O

C C

H

H

H

H

O C

O

C O

O

C C

H H

H HOH

+ OH

+CO

O

C CC

H

H

H

H

OC

O

OH

O

n n

y x

”

O C C O C C O

H

H

H

H

O O

”

Nachweis von Ethylenglykol mit Cerammoniumnitrat-Reagenz

[Ce(NO3)6]2-(aq) + ROH(aq) [Ce(OR)(NO3)5]2-

(aq) + HNO3(aq)

CO

O

C CC

H

H

H

H

O

O

OH+

HOOH+ nn

y x

O C C O C C

H

H

H

H

O

O

O

C

O

Ethylenglykol

”

C C

O

O

O

O

” ”Na Na

di-Natriumterephthalat

Reduktion von Metalloxiden mit PE (Versuch 6)

Cracken von PE: „C2H4“(s) 2 C(s) + 2 H2(g)

Reduktion von Eisen(III)-oxid: Fe2O3(s) + 3 H2(g) 2 Fe(s) + 3 H2O(g)

C C

H

H

H

Hn

Cracken

PE:

-2 +1 0 0

0 0 +3 +1

Schlussbetrachtung Bedeutung von Kunststoffen: Tendenz

steigend

Kunststoffe: ein Thema für die Schule