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Unterrichtsreihe – Kunststoffe

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Unterrichtsreihe

Unterrichtskonzept zur Polymerchemie Jahrgangsstufe: 12/13

- Grundlagen – Eigenschaften von Kunststoffen – Experimente -



Impressum: Titel: Kunststoffe Autor: Michael Müller Bildmaterial: © [2002-2005] by Chempage.de bei Fragen zu dem Skript wenden Sie sich bitte an: [email protected] Das Skript ist auch als Druckversion erhältlich. Die Mappe enthält alle Kopiervorlagen sowie die Folien (printable Transperency-Film). Das Skript kann für 20€ unter: [email protected] bestellt werden. Bitte geben Sie in der Betreffzeile den Vermerk: Skript-Bestellung: Kunststoffe und vergessen Sie nicht Ihre Adresse anzugeben.



A. Theoretischer Teil

1. Thermoplaste Seite 1.0.0 Allgemeine Eigenschaften der Thermoplasten 5 1.1.0 Polyolefine 1.1.1 Polyethylen (hart) 6 1.1.2 Polyethylen (weich) 7 1.1.3 Polypropylen 8 1.2.0 Styrol-Polymerisate 1.2.1 Polystyrol 9 1.2.2 Polystyrol-Schaum 10 1.2.3 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer 11 1.3.0 Halogenhaltige Polymerisate 1.3.1 Polyvinylchlorid (hart) 12 1.3.2 Polyvinylchlorid (weich) 13 1.3.3 Polytetrafluoroethylen 14 1.4.0 weiter Thermmoplaste 1.4.1 Polymethycrylat 15 1.5.0 Thermische Polymere mit gemischtem Kettenbau 1.5.1 Cellulosepropionat 16 1.5.2 Polycarbonat 17 1.5.3 Polyamid 18 1.5.4 Polyethylenterephthalat 19

2. Duroplaste 2.0.0 Allgemeine Eigenschaften der Duroplasten 20 2.1.0 Phenoplaste 2.1.1 Phenolharz 21 2.2.0 Aminoplaste 2.2.1 Melamin-Schichtspressstoff 22 2.3.0 Ungesättigte Polyesterharze 2.3.1 Polyesterharz 23

3. Elastomere 3.0.0 Allgemeine Eigenschaften der Elastomere 24 3.1.0 Vernetzte Polyurethane 3.1.1 Polyurethane, gummielsatisch 24 3.1.2 Polyurethan-Schaum feinporig (weich) 25 3.1.3 Polyurethan-Schaum feinporig (hart) 26



4. Silikone 4.1.1 Silikonkautschuk 27

5. Herstellung von Kunststoffen 5.1 Polykondensation 28 5.2 Polymerisation 28 5.3 Polyaddition 28

6. Verarbeitung der Kunststoffe 29

B. Praktischer Teil

1. Versuche zur Charakterisierung von Kunststoffen 1.1 Brennbarkeit 30 1.2 Dichtebestimmung 31 1.3 Wärmeleitfähigkeit 31 1.4 Löslichkeit 32 2. Versuche zur Herstellung von Kunststoffen 2.1 Herstellung von Acrylglas 33 2.2 Radikalische Polymerisation von Styrol 34 2.3 Kationische Polymerisation von Styrol 35 2.4 Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid 36 2.5 Polykondensation von Glycerin mit Borsäure 37 2.6 Herstellung von weich PVC 38 2.7 Funktionsweise eines Superabsorbers 39 3. Recycling von Kunststoffen 3.1 Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester 40 3.2 Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse 41 3.3 Recycling von Styropor 42

C. Anhang: Kopiervorlagen Grundwissen: Kunststoffe 44 Grundwissen: Herstellung von Kunststoffen 45 Arbeitsanleitungen zu den Versuchen 46

D. Anhang: Folien 58



A) Theoretischer Teil In diesem Teil des Skriptes sollen die theoretischen Grundlagen, sowie wichtige physikalische und chemische Eigenschaften verschiedner Polymere behandelt werden. Der theoretische Teil gliedert sich in 6 Kapitel. Die ersten vier Kapitel behandeln die verschiedenen Polymerklassen: Ü Thermoplasten Ü Duroplasten Ü Elastomeren Ü natürliche Polymere Das 5. Kapitel beschäftigt sich mit der Herstellung von Kunststoffen und beschreibt die Reaktionsmechanismen: Ü Polykondensation Ü Polymerisation Ü Polyaddition Im letzten Kapitel des theoretischen Teils geht es um die Weiterverarbeitung der Kunststoffe und ihre Einsatzmöglichkeiten.

1. Thermoplasten 1.0.0 Allgemeine Eigenschaften der Thermoplasten

Thermoplaste sind lange fadenförmige und unverzweigte sowie vernetzte Polymere. Sie lassen sich durch Erwärmen leicht formbar machen. Die unterschiedlich langen Polymer-Stränge werden von physikalischen Wechselwirkungen wie die Van-der-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen zusammen gehalten. Geraten die Moleküle beim Erhitzen in Schwingung, so können die oben beschriebene Wechselwirkung aufgehoben werden und der Kunststoff wird formbar. Diese besonderen Eigenschaften der Thermoplaste werden in der technischen Verarbeitung von Kunststoffen

ausgenutzt.



1.1.0 Polyolefine 1.1.1 Polyethylen (hart) Abkürzung: PE HD: Polyethylene High Density Dichte 0,94-0,96 g/cm³

Abbildung:

. physikalische Eigenschaften:

Polyethylen HD ist ein weicher, durchscheinender Kunststoff. Mit dem Fingernagel lassen sich Kerben in den Kunststoff kratzen. Der Kunststoff fühlt sich wachsartig an und ist bis zu Temperaturen von 90ºC belastbar.

chemische Eigenschaften

Polyethylen lässt sich bei Raumtemperatur in keinem Lösungsmittel lösen. Außerdem ist der Kunststoff gegenüber von Säuren sowie Laugen beständig. Durch Erhitzen kann der Kunststoff in Form gebracht werden und kann verschweißt werden.

C C

H

H

H

Hn

... ...

Polyethylen Das Polymer besteht aus langen unverzweigten Ketten. Die hohe Dichte des Kunststoffs resultiert aus den vielen kristallinen Bereichen im Polymer.

Brennprobe: Bei der Brennprobe zeigt sich eine helle Flamme mit blauem Kern. Der Kunststoff tropft brennend ab und brennt auch nach dem Entfernen der Zündquelle weiter. Nach dem Erlöschen ist ein parafinartiger Geruch wahrzunehmen.

Verarbeitungsverfahren: Der Kunststoff eignet sich zum Extrudieren von Profilen und Rohren sowie zum Herstellen von Blas-Folien. Meist wird der Kunststoff zum Spritzgießen von Werkstücken verwendet. Außerdem wird das Polyethylen HD zum beschichten von Verpackungspapieren und -kartons verwendet.

Anwendungen: Aus dem Kunststoff werden Flaschen für Reinigungsmittel gefertigt sowie höherwertige Massenware für Haushalt und Technik. Außerdem werden Flaschenkästen, Lagertanks, Kanister sowie Folien und Rohre aus dem Kunststoff gefertigt.



1.1.2 Polyethylen (weich) Abkürzung: PE LD: Polyethylene Low Density Dichte 0,91-0,94g/cm³

Abbildung:


Polyethylen LD ist ein durchscheinender, leicht ritzbarer Kunststoff mit wachsartigem Griff. Er ist bei Temperaturen von bis zu 70ºC belastbar.


Polyethylen lässt sich bei Raumtemperatur in keinem Lösungsmittel lösen. Außerdem ist der Kunststoff gegenüber von Säuren sowie Laugen beständig. Durch Erhitzen kann der Kunststoff in Form gebracht werden und kann verschweißt werden.

C C

H

H

H

Hn

... ...

Polyethylen Das Polymer besteht aus langen unverzweigten Ketten. Die relativ niedrige Dichte des Kunststoffs resultiert aus den wenigen kristallinen Bereichen im Polymer.

Brennprobe: Bei der Brennprobe zeigt sich eine helle Flamme mit blauem Kern. Der Kunststoff tropft brennend ab und brennt auch nach dem Entfernen der Zündquelle weiter. Nach dem Erlöschen ist ein parafinartiger Geruch wahrzunehmen.


Anwendungen: Aus dem Kunststoff werden vorallem Massenwaren wie Eimer, Schüsseln, Elektroteile sowie Folien für Bau und Landwirtschaft hergestellt. Die Kunststoff Tragetaschen in den Geschäften sind meist aus Polyethylen hergestellt worden.



1.1.3 Polypropylen Abkürzung: PP: Polypropylene Dichte 0,90-0,91g/cm³

Abbildung:


Als dünne Verpackungsfolie ist Polypropylen durchscheinend. Der Kunststoff ist steifer als Polyethylene und lässt sich mit dem Fingernagel nicht einritzen. Der Kunststoff ist bis zu Temperaturen von 100ºC belastbar.


Polyethylen lässt sich bei Raumtemperatur in keinem Lösungsmittel lösen. Außerdem ist der Kunststoff gegenüber von Säuren sowie Laugen beständig. Durch Erhitzen kann der Kunststoff in Form gebracht werden und kann verschweißt werden

C C

H

H

H

CH3 n

... ...

Polypropylen

Das Polymer besteht aus langen unverzweigten Molekülsträngen. Brennprobe: Bei der Brennprobe zeigt sich eine helle Flamme mit blauem Kern. Der

Kunststoff tropft brennend ab und brennt auch nach dem Entfernen der Zündquelle weiter. Nach dem Erlöschen ist ein parafinartiger Geruch wahrzunehmen.


Anwendungen: Viele Gebrauchsgegenstände sowie Kofferschalen, Rohre und technische Teile mit hoher Festigkeit werden aus dem Kunststoff hergestellt. Außerdem werden die elastischen Stoßfänger an Kraftfahrzeugen aus Polypropylen gefertigt. Desweiteren bestehen Verpackungsbänder, Säcke sowie Teppichgrundgewebe und Verpackungsfolien aus dem Kunststoff.



1.2.0 Styrol-Polymerisate 1.2.1 Polystyrol Abkürzung: PS: Polystyrene Dichte 1,05g/cm³

Abbildung:


Polystyrol ist ein harter, spröder und leicht brechbarer Kunststoff, welcher besonders durch seine hoher Transparenz besticht. Beim Fallenlassen erklingt ein blechartiges Klingeln. Die Gebrauchstemperatur liegt bei 70ºC.


Benzin sowie viele andere organische Lösungsmittel lösen den Kunststoff. Gegenüber von Säuren und Basen ist der Kunststoff beständig. Außerdem ist es unempfindlich gegenüber von Ölen und Alkohol. Polystyrol ist klebbar

C C

H

H

H

n

... ...

Polystyrol

Polystyrol bilden lange fadenartige Polymerstränge. Brennprobe: Polystyrol verbrennt flackernd mit gelber, stark rußender Flamme. Nach

dem Entfernen der Zündquelle brennt der Kunststoff weiter und setzt einen süßlichen Geruch frei.

Verarbeitungsverfahren: Polystyrol wird im Wesentlichen über ein Spritzgussverfahren verarbeitet. Seltener wird es zum Extrudieren von Profilen und Folien sowie beim Warmformen eingesetzt.

Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von transparenten Massenartikeln wie Messbechern, Kühlschrankboxen, Folien und Einweggeschirr benötigt.



1.2.2 Polystyrol-Schaum Abkürzung: EPS: Exponded Polystyroleene (expandiertes

Polystyrol) Dichte 0.015-0,1g/cm³

Abbildung:


EPS ist aufgrund der eingeschlossenen Luftbläschen undurchsichtig. Die dünnen Wände der Bläschen geben Druck leicht nach. Der Kunststoff ist besonders aufgrund seiner geringen Dichte und seinen guten Wärme isolierenden Eigenschaften interessant.


Benzin sowie viele andere organische Lösungsmittel lösen den Kunststoff. Gegenüber von Säuren und Basen ist der Kunststoff beständig. Außerdem ist es unempfindlich gegenüber von Ölen und Alkohol. Polystyrol ist klebbar

C C

H

H

H

n

... ...

Polystyrol

Polystyrol bildet lange fadenartige Polymerstränge. Brennprobe: Polystyrol verbrennt flackernd mit gelber, stark rußender Flamme. Nach

dem Entfernen der Zündquelle brennt der Kunststoff weiter und setzt einen süßlichen Geruch frei.

Verarbeitungsverfahren: Nach dem Vorschäumen wird der Kunststoff durch Wasserdampf in Block- und Formteilen aufgeschäumt.

Anwendungen: Der Kunststoff wird als Baumaterial zur Wärmeisolierung eingesetzt. Desweiteren wird er zum Abfangen von Stößen in Verpackungsmaterialien verwendet.



1.2.3 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer Abkürzung: ABS: Acrylnitrile-Butadiene-Styrene Dichte 1,06-1,12g/cm³

Abbildung:


ABS ist ein undurchsichtiger, zäh-plastischer Kunststoff, welcher eine Gebrauchstemperatur von 75-85ºC besitzt.


Benzin sowie viele andere organische Lösungsmittel lösen den Kunststoff. Gegenüber von Säuren und Basen ist der Kunststoff beständig. Außerdem ist es unempfindlich gegenüber von Ölen und Alkohol.

C C

H

H

H

n

C C C

H

H

H

C

H H

Hn

C C

H

H

H

C

N n

... ...

Styrol

... ...

Butadien

... ...

Acrylnitril ABS ist ein langkettiges, unverzweigtes Polymer, welches aus Styrol-, Butadien- und Acrylnitril-Monomeren besteht.

Brennprobe: ABS verbrennt flackernd mit gelber, stark rußender Flamme. Nach dem Entfernen der Zündquelle brennt der Kunststoff weiter und setzt einen süßlichen Geruch frei.

Verarbeitungsverfahren: ABS wird vorwiegend im Spritzgussverfahren verarbeitet. Seltener wird es zum Extrudieren von Platten und Folien eingesetzt.

Anwendungen: Aus ABS werden die Gehäuse von Telefonapparate, Fernsehgeräten und Radios gefertigt, sowie Kofferschalen und Schutzhelme.



1.3.0 Halogenhaltige Polymerisate 1.3.1 Polyvinylchlorid (hart) Abkürzung: PVC U*: Polyvenylchloride; Nach der neuen

DIN-Norm heißt es statt PVC h jetzt PVC U (unplastinized) und PVC w jetzt PVC P (plastinzed)

Dichte 1,38-1,40 g/cm³

Abbildung:


In reiner Form ist PVC ein klarer, durchsichtiger Kunststoff, welcher hart und in der Kälte spröde ist. Beim Knicken einer PVC-Folie bleibt ein weißer Streifen zurück, der Weißbruch entsteht durch Überanspruchung des Kunststoffes. PVC kann bei Temperaturen von bis zu 65ºC eingesetzt werden.


Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel lösen den Kunststoff. Gegenüber von Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen ist PVC beständig.

C C

H

H

H

Cln

... ...

Polyvinylchlorid Polyvinylchlorid besteht aus langen, unverzweigten Polymersträngen.

Brennprobe: In der Flamme brennt PVC mit gelber, rußender Flamme und erlischt nach dem Entfernen der Zündquelle. Beim Verbrennen wird ein stechender Geruch freigesetzt (HCl). Die Beilsteinprobe ist bei PVC positiv.

Verarbeitungsverfahren: PVC wird zu Hartfolien kalandiert. Man verarbeitet außerdem in Spritzguss- und Extrusionsblasverfahren.

Anwendungen: Aus dem Kunststoff werden Rohre, Profile, Dachrinnen sowie Rolladen gefertigt. Desweiteren wird es zur Herstellung von Tafeln, Rohrverbindungsstücken, Getränkeflaschen und Kunststoffbechern verarbeitet.



1.3.2 Polyvinylchlorid (weich)

Abkürzung: PVC P, Polyvinylchloride; Nach der neuen DIN-Norm heißt es statt PVC h jetzt PVC U (unplastinized) und PVC w jetzt PVC P (plastinzed)

Dichte 1,20-1,35g/cm³

Abbildung:


PVC P ist ein gummiartig flexibler, kratzfester Kunststoff, welcher beim scharfen Knicken keinen Weißbruch aufweist. Bei gutem Weichmacher wird das Polymer auch bei tiefen Temperaturen nicht spröde.


Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel lösen den Kunststoff. Gegenüber von Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen ist PVC beständig. Außerdem ist der Kunststoff schweißbar und klebbar.

C C

H

H

H

Cln

... ...

Polyvinylchlorid Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülsträngen.

Brennprobe: PVC P brennt mit leuchtend gelber (wegen des Weichmachers), rußender Flamme. Je nach Weichmachergehalt brennt der Kunststoff nach dem Entfernen der Zündquelle weiter. Die Brandfläche verkohlt und es wird ein stechender Geruch freigesetzt (HCl). PVC zeigt eine positive Beilsteinprobe.

Verarbeitungsverfahren: PVC P wird über Spritzguss-, Extruder- sowie Kalandrierverfahren verarbeitet.

Anwendungen: Aus dem Kunststoff werden Schläuche, Stecker, Schuhsohlen sowie Folien zum Beschichten von Geweben und Oberflächen gefertigt. Durch Tauchen von Textilien in PVC-Paste werden beispielsweise Schutzhandschuhe gefertigt. Außerdem werden aus dem Polymer Spielbälle, Spieltiere sowie technische Teile und Bodenbeläge gefertigt.



1.3.3 Polytetrafluoroethylen Abkürzung: PTFE: Polytetrafluoroethylene Dichte 2,14-2,20g/cm³

Abbildung:


PTFE ist ein milchig weißer, kaltbiegsamer Kunststoff mit wachsartigem Griff. Das Polymer wird erst bei Temperaturen unterhalb von -200ºC spröde und zersetzt sich bei 400ºC.


Der Kunststoff kann nur durch Fluor und geschmolzene Alkalimetalle angegriffen werden. Da beim Verbrennen Flusssäure freigesetzt sollt man auf die Brennprobe möglichst verzichten. Aufgrund seiner antiadhäsiven Eigenschaften wird es für technische Anwendungen sowie für Beschichtungen von Bratpfannen eingesetzt.

C C

F

F

F

Fn

... ...

Polytetrafluoroethylen Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülsträngen.

Brennprobe: Das Polymer ist nicht brennbar. Es zeigt sich ein blaugrüner Flammensaum am Kunststoff. Der Kunststoff verkohlt jedoch nicht. Beim Erhitzen auf Rotglut wird Flusssäure freigesetzt.

Verarbeitungsverfahren: Aufgrund der unbeweglichen Schmelze muss kaltes PTFE-Pulver unter starkem Druck zu Rohlingen gepresst werden, welche erst nach langem Sintern (bei etwa 400ºC) ihre Festigkeit bekommen. Um Beschichtungen zu erhalten werden feinkörnige Emulsionen auf dem Trägermaterial gesintert.

Anwendungen: Aufgrund seiner chemischen und mechanischen Resistenz kann der Kunststoff für Beschichtungen von Oberflächen (Labormöbel), Elektroisolierungen und für schmierfreie Gleitlager eingesetzt werden.



1.4.0 weitere Thermoplaste 1.4.1 Polymethylmethacrylat Abkürzung: PMMA Dichte 1,18-1,32g/cm³

Abbildung:


Polymethylmethacrylat ist ein klarer, hochglänzender Kunststoff, der sehr hart und spröde ist. Die Gebrauchstemperatur liegt zwischen 90 und 100ºC.


Nur wenige polare Lösemittel greifen das Acrylglas an. es ist gegenüber von Fetten und schwachen Laugen resistent.

C C

H

H

CH3

C O

O

CH3 n

... ...

Polymethylmethacrylat Das Polymer besteht aus unverzweigten Molekülketten.

Brennprobe: Der Kunststoff mit leuchtender und knisternder Flamme. Das Polymer brennt auch nach dem Entfernen der Zündquelle weiter, wobei ein fruchtiger Geruch freigesetzt wird.

Verarbeitungsverfahren: Gießen des Monomers zwischen hochglanzpolierten Werkzeugen, dann Polymerisation. Außerdem wird es über Spritzguss- und Extruderverfahren verarbeitet. Das PMMA lässt sich durch Warmformen in Form bringen.

Anwendungen: Aus dem Kunststoff werden Lampenschalen, Badewannen, Flugzeug- und Fahrzeugverglasungen gefertigt. Außerdem wird es als schusssicheres Glas an Bankschaltern und als Linsen sowie Rücklichter eingesetzt.



1.5.0 Thermische Polymere mit gemischtem Kettenbau 1.5.1 Cellulosepropionat Abkürzung: CP: Cellulosepropionate Dichte 1,19-1,23g/cm³

Abbildung:


Cellulosepropionat ist ein glasklarer, harter und sehr zäher Kunststoff. Die Gebrauchtemperatur liegt zwischen 60 und 115ºC.


Der Kunststoff ist nur in wenigen Lösungsmitteln löslich. Er ist beständig gegenüber von Fetten, wasser sowie Benzin. In Säuren und Laugen löst sich der Kunststoff auf.

CH

C

C

O

CH O

C

CHH

O R

H

H

O

R

O

R n

... ...

CellulosepropionatR = -CO-CH2CH3

Brennprobe: Das Polymer verbrennt mit dunkelgelber, sprühender Flamme und brennt

auch außerhalb der Zündquelle weiter. Beim Verbrennen riecht es nach verbranntem Papier.

Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen und Extrudieren. Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Fertigung von

Brillengestellen, Kugelschreiberhülsen, Kämmen, Schraubendrehergriffen und Spielzeug eingesetzt.



1.5.2 Polycarbonat Abkürzung: PC: Polycarbonate

Dichte 1,20-1,24g/cm³

Abbildung:


Polycarbonat ist ein transparenter, äußerst schlagfester Kunststoff. Die Benrauchstemperatur liegt zwischen -140 und + 135ºC.


Polycarbonat ist gegenüber von Öl, Benzin und verdünnter Säure beständig. Es ist jedoch anfällig gegenüber von starken Säuren und Laugen sowie heißem Wasser. Chlorierte Kohlenwasserstoffe können den Kunststoff lösen.

O C

CH3

CH3

O C

On

... ...

Polycarbonat Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülketten.

Brennprobe: Polycarbonat verbrennt mit leuchtend, rußender Flamme und erlischt außerhalb der Zündquelle. Es bilden sich Blasen und der verkohlte Kunststoff riecht nach Phenol.

Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen, Extrudieren. Anwendungen: Der Kunststoff wird zu Herstellung von

schussfesten Verglasungen, Blinker, Rückleuchten und Sicherheits- sowie Schutzhelmen gebraucht.



1.5.3 Polyamid Abkürzung: PA: Polyamide Dichte 1,04-1,15g/cm³

Abbildung:


Polyamid ist ein milchig-weißer, zäh-elastischer Kunststoff, dessen Gebrauchstemperatur bei 80-100ºC liegt.


Polyamid ist in Ameisensäure löslich und beständig gegenüber Öl, Benzin, Ester und Ketone. Der Kunststoff ist gegenüber von Säuren unbeständig.

N

H

(CH2) C

O

n

N

H

(CH2)6 N (CH2)

H

CO

n

... ...z

... ...z

Polyamide

z = 5 PA 6z = 10 PA 11z = 11 PA 12

z = 4 PA6.6z = 8 PA 6.10

Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülketten.

Brennprobe: Polyamid brennt mit bläulicher Flamme mit gelben Rand. Der Kunststoff zieht Fäden und brennt nach dem Entfernen der Zündquelle weiter.

Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen, Extrudieren, Sintern.

Anwendungen: Polyamid dient zur Herstellung von Zahnrädern, Laufrollen, Propellern, Benzinleitungen, Textilien sowie chirurgischen Nahtmaterial.



1.5.4 Polyethylenterephthalat Abkürzung: PET: Polyethylenterephthalat Dichte 1,33-1,37g/cm³ (amorph-teilkristallin)

Abbildung:


In kristallinem Zustand ist PET weiß und sehr hart, im amorphen Zustand hingegen transparent mit geringer Härte. Gebrauchstemperatur liegt bei 100ºC.


PET ist gegenüber von Ölen, Fetten und Treibstoffen beständig. es ist jedoch unbeständig gegenüber von heißem Wasser, Hydrolyse, konzentrierten Laugen und Säuren. Der Kunststoff ist klebbar und schweißbar.

C C

O

O

O

(CH2)2 O

n

... ...

Polyethylenterephthalat Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Strängen.

Brennprobe: PET ist nur schwer entflammbar. Es brennt mit gelb-oranger, knisternder Flamme. Dabei wird Ruß gebildet sowie ein aromatischer Geruch freigesetzt.

Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen, Extrudieren, Spritzblasen und Warmformen. Anwendungen: Aus dem Kunststoff werden Zahnräder,

Gehäuse, Pumpen sowie Getränkeflaschen hergestellt.



2. Duroplasten 2.0.0 Allgemeine Eigenschaften der Duroplaste

Bei Duroplasten sind die Monomere netzartig mit einander Verknüpft. Im Gegensatz zu den Thermoplasten liegen hier nicht nur physikalische Wechselwirkungen der einzelnen Polymerstränge vor, sondern es bestehen reale Atombindungen zwischen den verschiedenen Strängen des Makromoleküls. Es bildet sicht somit eine Netzstruktur. Da die Atombindungen nicht so leicht durch Hitze zu Spalten sind wie die Wechselwirkungen bei Thermoplasten, sind Duroplasten auch bei höheren Temperaturen in ihrer Struktur unverändert und formstabil. Bei sehr hohen Temperaturen zerreißt das Netz, das heißt die

Atombindungen werden gespalten und der Kunststoff zersetzt sich in kleiner Moleküle, welche dann mit dem Luftsauerstoff reagieren. Der Kunststoff verkohlt also bei hohen Temperaturen und seine ursprüngliche Struktur ist nicht wieder herstellbar.



2.1.0 Phenoplaste 2.1.1 Phenolharz Abkürzung: PF Dichte 1,40g/cm³

Abbildung:


Der Kunststoff ist nur in dunklen Farben herzustallen. Die Gebrauchstemperatur von Phenolharzen liegt zwischen 100 und 160ºC.


Phenolharz ist gegenüber von Säuren, Laugen, Ölen, Benzin und chlorierten Kohlenwasserstoffen beständig. Der Kunststoff ist jedoch gegen starke Säuren und Laugen empfindlich.

CH2

OH OH

R

R

R

R

R = -CH2-Ph

Phenolharz

Polymer bilden vernetzte Strukturen. Brennprobe: PF brennt mit heller, rußender Flamme und erlischt nach dem Entfernen

der Zündquelle. Beim Verbrennen wird ein Phenolgeruch freigesetzt. Verarbeitungsverfahren: Phenolharze werden vorallem durch Pressen und Spritzgießen verarbeitet. Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von

hitzebeständigen und elektroisolierten Griffen für Töpfe und Bügeleisen verwendet. Außerdem verwendet man es zum Herstellen von Aschenbechern, Knöpfen und Hartpapier.



2.2.0 Aminoplaste 2.2.1 Melamin-Schichtpressstoff Abkürzung: PF und MF Dichte 1,40g/cm³

Abbildung:


Der Kunststoff ist hart und undurchsichtig. Beim Fallenlassen "scheppert" es.


MF ist schon gegenüber von schwachen Säuren und Laugen empfindlich. Gegenüber von Ölen, Benzin und chlorierten Kohlenwasserstoffen ist es beständig.

N

N

N

NH

NHHN

CH2OH

CH2OHHOCH2

Trimethylolmelamin (unvernetzte Zwischenstufe) Das Polymer bildet Netzstrukturen aus.

Brennprobe: Das Polymer ist schwer entflammbar und verbrennt mit leicht gelber Flamme unter Verkohlen der Kanten und freisetzen eines fischartigen Geruches.

Verarbeitungsverfahren: Harzgetränkte Papierbahnen werden in beheizten Etagenpressen zwischen Pressblechen gepresst.

Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Verzierung von Oberflächen (von Tischen und Möbelstücken) verwendet.



2.3.0 Polyesterharze 2.3.1 Polyesterharz Abkürzung: UP Dichte 2,00g/cm³

Abbildung:


Der Kunststoff ist hart und undurchsichtig. Beim Fallenlassen "scheppert" es. Die Gebrauchstemperatur des Kunststoffs liegt bei 90ºC.

chemische Eigenschaften Polyesterharze sind gegenüber von schwachen Säuren und Basen resistent. Außerdem sind Sie beständig gegen Benzin und Öl. Sie lösen sich allerdings in starken Säuren und Laugen sowie in Estern, Ketonen und chlorierten Kohlenwasserstoffen.

CH2

(CH2) O CO

CH

CH

CO

O

n

... ...

unvernetzter Polyesterstrang

m

CH

CH2

CH

CO

ORO CH CO

O R O

CH2

CH

CH2

CH

mit Styrol vernetztes UP-Harz

......

Polyesterharze bilden lange, unverzweigte Polymere, welche jedoch auch vernetzt werden können (siehe vernetztes Harz mit Styrol).

Brennprobe: Polyesterharze verbrennen mit leuchtend gelber, rußender Flamme, wobei sie verkohlen. Außerhalb der Zündquelle brennen sie weiter und setzten einen Styrol-Geruch frei.

Verarbeitungsverfahren: Pressen und Spritzgießen. Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von

hitzebeständigen und elektroisolierten Griffen für Töpfe und Bügeleisen verwendet. Außerdem verwendet man es zum Herstellen von Apparategehäuse und Autoelektrik.



3. Elastomere 3.0.0 Allgemeine Eigenschaften der Elastomere

Elastomere sind Kunststoffe, die sich bei mechanischer Belastung wie Gummi verhalten. Sie lassen sich bei Raumtemperatur durch Druck oder Zug verformen und kehren aufgrund ihrer hohen Elastizität in ihre vorherige Struktur zurück. Die Polymerstränge eines Elastomers sind wie Duroplasten mit realen Atombindungen verknüpft. Jedoch ist die Netzstruktur der Elastomere weitmaschiger. Erwärmt man Elastomere im gespannten Zustand, so stellt man fest, dass sich der Kunststoff zusammen zieht. Der

Grund dafür liegt in der stärkeren Schwingung der Netzfäden bei hohen Temperaturen. Die Netzknoten rücken dabei näher aneinander. Bei sehr starkem Erhitzen verhalten sich Elastomere ähnlich wie Duroplasten.

3.1.0 Vernetzte Polyurethane 3.1.1 Polyurethan (gummielastisch) Abkürzung: PUR Dichte 1,26g/cm³

Abbildung:


Das Polymer ist je nach Vernetzung gelb bis dunkelbraun, gummielsatisch und kratzfest. Man kann den Kunststoff nur dunkel, deckend einfärben. Die Gebrauchstemperatur liegt bei 80-100ºC.


Polyurethane sind beständig gegenüber von Benzin, Öl, schwachen Säuren sowie Laugen. In starken Laugen und Säuren sowie in heißem Wasser lassen sich die Polyurethane lösen.

CH3

NCO

NCO

NCO

NCOToluylen-2,4-diisocyanat

lineare Polyester oder lineare Polyether + Diisocyanat wie beispielsweise:

Naphthalen-1,5-diisocyanat

Sie bilden vernetze Strukturen aus. Brennprobe: Beim Verbrennen von Polyurethanen zeigt sich eine leuchtende Flamme

und es wird ein stechender, unangenehmer Geruch freigesetzt. Verarbeitungsverfahren: Die Urethan-Komponentengemische werden gegossen. Anwendungen: Man verwendet Polyurethane zur Herstellung von federnden

Maschinenteilen, Faltenbelägen, Sportplätzen und Skistiefeln.



3.1.2 Polyurethan-Schaum (feinporig, weich) Abkürzung: PUR Dichte 0,015-0,06g/cm³

Abbildung:


Der Kunststoff ist weich und federnd. Die Gebrauchstemperatur liegt bei 80-100ºC.



CH3

NCO

NCO

NCO





und es wird ein stechender, unangenehmer Geruch freigesetzt. Verarbeitungsverfahren: Die Urethan-Komponentengemische werden gegossen. Anwendungen: Weiche Polyurethan-Schäume werden zum Herstellen von Matratzen,

Polster, Kopfstützen und Schuhsohlen verwendet.



3.1.3 Polyurethan-Schaum (feinporig, hart) Abkürzung: PUR Dichte 0,03-0,08g/cm³

Abbildung:


Der Kunststoff besitzt in etwa die Härte von Holz und lässt sich leicht brechen. Die Gebrauchstemperatur liegt bei 80-100ºC.



CH3

NCO

NCO

NCO





und es wird ein stechender, unangenehmer Geruch freigesetzt. Verarbeitungsverfahren: Die Urethan-Komponentengemische werden gegossen. Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von Dämmaterial, Fensterrahmen, Ski

und Tischtennisschlägern verwendet.



4. Silikone 4.1.1 Silokonkautschuk Abkürzung: VMQ Dichte 1,65-1,75g/cm³

Abbildung:


Kautschuk ist in verschiedenen Konsitenzen herstellbar (von zähflüssig bis hin zu festen und sehr harten Werkteilen). Der Kautschuk zeigt in einem sehr großen Temperaturbereich ekastische Eigenschaften (-60 bis +200ºC).


Durch entsprechende Rezepturgestaltungen können die physikalischen sowie die chemischen Eigenschaften stark variiert werden. Man so Silikonkautschuk elektrisch leitend oder resisitent gegenüber bestimmter Chemikalien machen. Ersetzt man die Reste des Moleküls durch Fluorgruppen, so erhält man ein Polymer, welches gegenüber von chlorierten Kohlenwasserstoffen beständig ist. Durch Anhängen von Phenylgruppen wird der Kunststoff beständiger bei tiefen Temperaturen.

Si

R

R

O Si O Si O

R

RR

R

n

... ...

SiliconkautschukR = organische Reste wie -CH3

Das Polymer ist strahlenartig vernetzt.

Brennprobe: Silikonkautschuk ist schwer entflammbar. Beim verbrennen entstehen keinerlei toxische Gase und weiße Kieselsäure bleibt als Rückstand übrig.

Verarbeitungsverfahren: Kautschuk wird über Extrusion, Spritzgießen, Kalandieren sowie Pressvulkanisation verarbeitet.

Anwendungen: Kautschuk eignet sich besonders zur Herstellung von Dichtungsringen, Schläuchen, elektrischen Isolierungen und als Abformmaterial im Modellbau.



5. Herstellung von Kunststoffen 5.1 Polykondensation

Die Grundlage für Polykondensate sind Monomere mit mindestens zwei funktionelle Gruppen. Für die Polykondensation eigenen sich besonders Hydroxyl-, Carboxyl- und Aminogruppen. Zunächst erfogt eine Verknüpfung zu Dimeren, welche sich dann schließlich zum Polymer verknüpfen. Bei jedem Reaktionsschritt spalten sich ein kleines Molekül ab (z.B.: Wasser).

5.2 Polymerisation

Grundlage für Polymerisate sind ungesättigte Monomere. Die Reaktion verläuft als Kettenreaktion, die durch Initiatoren wie Radikale oder Ionen ausgelöst werden. Bei der radikalischen Polymerisation reagiert ein Radikal mit einem Monomer, wobei ein neues Radikal entsteht, welches wiederum mit einem Monomer reagieren kann, so dass sich ein Polymer bildet.

5.3 Polyaddition

Polyaddukte entstehen durch eine Additionsreaktion der Endgruppen der Monomere. Das setzt voraus, dass die Endgruppe eine Doppelbindung besitz, welche mit einem bifunktionellen Monomer reagieren kann. Bei dieser Reaktion werden jedoch nicht wie bei der Polykondensation kleiner Moleküle abgespalten.



6. Verarbeitung von Kunststoffen Urformverfahren In der technischen Verarbeitung von Kunststoffen spricht man von Formmassen. Dies sind granulat-, pulverförmige, oder flüssige, verarbeitungsfertige Kunststoffe. Anschließend wird diese formlose Masse durch Umformverfahren in die gewünschte Position gebracht. Härtbare Formmassen (Duroplasten) werden zunächst im unvernetzten Zustand in Pressformen geführt. Unter Wärmezufuhr härtet der Kunststoff aus. Man unterscheidet beim presseverfahren zwischen verschiedenen Formen: Formpressen, Spritzpressen und Schichtpressen. Ein neueres Verfahren ist das Spritzgießverfahren. Flüssige Duroplaste werden auch in Formen ohne Druck gefüllt. Die Aushärtung erfolgt dabei auf chemischem Wege. Thermoplastische Formmassen werden über das Spritzgieß-, Extrusions- und Extrusionblasverfahren verarbeitet. Die feste Formmasse wird in einer so genannten Plastifiziereinheit (Zylinder mit rotierenden Schnecken) unter Wärmezufuhr in den thermoplastischen Zustandsbereich überführt. Die Formgebung erfolge dann auf verschiedene Weisen: Spritzgießen: Die plastische Masse wird durch eine Düse in ein geschlossenes zweiteiliges Werkzeug gespritzt. Durch Abkühlen im Werkzeug entsteht das Formteil Extrudieren: Der Thermoplast wird durch eine formgebende Düse (Rohr, Profil, Tafel) in eine Kalibriervorrichtung und anschließend in ein Kühlbad gefördert. Es entsteht ein formstabiles Extrudat. Extrusionsblasen: Mit Hilfe eines Extruders wird ein Rohr geformt, welches anschließend in ein zweiteiliges Werkzeug geführt wird. Dort wird das Rohr abgeschnitten und aufgeblasen. In dem gekühlten Werkzeug entsteht dann der stabile Hohlkörper.

Umformverfahren. Schon geformte Thermoplasten können durch erwärmen in eine andere Form gebracht werden. Je nachdem wie das umzuformende Material beansprucht wird spricht man von: Biegeformen - Abkanten, Biegen Druckumformen - Prägen Zugumformen - Streckziehen Zug-Druck-Umformen - Tiefzeihen Problematisch ist das Umformen von amorphen Thermoplasten. Beim Umformen (besonders auch beim Streckziehen) treten Molekülorientierungen auf, d.h. die mechanischen Eigenschaften erhalten eine Richtungsabhängigkeit.

Fügeverfahren - Schweißen Das Verbinden von thermoplastischen Polymeren wird als Kunststoffschweißen bezeichnet. Dabei wird unter Anwendung von Wärme oder Kraft im thermoplastischen Zustandsbereich geschweißt. Es kann mit und ohne Zusatzstoffe geschweißt werden. Man unterscheidet je nach Art der Erwärmung verschiedene Schweißverfahren: - Warmgasschweißen (Tafeln und Rohre) - Heitzelementschweißen (Rohre für Wasserleizungen) - Hochfrequenzschweißen (für PVC weich-Folien und beschichteten Geweben) - Ultraschallschweißen (Formteile in der Serienfertigung)

Fügeverfahren - Kleben Klebstoffe sind nichtmetallische Substanzen, welche Körper durch Oberflächenhaftung (Adhäsion) und innerer Festigkeit (Kohäsion) verbinden können. Die Eignung eines Klebers zum verbinden von Kunststoffen ist abhängig von den Löslichkeitseigenschaften eines Kunststoffes. Man unterscheidet beim Kleben zwischen Adhäsions- und Diffusionsklebung. Adhäsionsklebung: Hier spielen nur die Adhäsionskräfte zwischen Fügeteil und Klebstoff eine Rolle. Die im Klebstoff enthaltenen Lösemittel greifen den Kunststoff beim Kleben nicht an. Mit Adhäsionsklebung lassen sich viele Kunststoffe miteinander verbinden (PE, PP, PTFE und SI jedoch nicht). Diffusionsklebung: Bei der Fügeklebung diffundieren Lösemittel sowie andere Bestandteile des Klebers in den Kunststoff ein. Man unterscheidet verschiedene Kunststoffkleber. Der Unterschied liegt darin, wie die Kleber abbinden (physikalisch durch Verdunsten, Abkühlen oder chemische durch eine Reaktion.



B. Praktischer Teil In diesem Teil des Unterrichtsskriptes werden Versuche beschrieben, welche theoretisches Wissen festigen sollen und zum Verständnis der Polymerchemie beitragen sollen. Die Versuche sind in 3 Kategorien eingeteilt. Im ersten Kapitel geht es um die charakteristischen Eigenschaften von Kunststoffen und ihre Unterscheidung aufgrund von physikalischen oder chemischen Merkmalen. Im zweiten Kapitel bekommen die Schüler die Möglichkeit selbst Polymere herzustellen. Dies soll zum Verständnis der Synthesemechnismen beitragen. Das dritte Kapitel behandelt ein aktuelles Thema der Kunststoffchemie – Recycling von Kunststoffen. Da Kunststoffe aus Erdöl gewonnen werden und die weltweiten Vorkommen an Erdöl stetig schrumpfen ist es wichtig Recyclingverfahren zu entwickeln um aus Kunststoffmüll wieder hochwertige und nützliche Produkte zu fertigen.

1. Versuche zur Charakterisierung von Kunststoffen 1.1 Brennbarkeit Brennbarkeit von Kunststoffen Geräte: Chemikalien: Bunsenbrenner Tiegelzange brandfest Unterlage Schutzbrille

Polyethylen Polyvinylchlorid eventuell weitere Kunststoffe

Durchführung:

Der Kunststoffstreifenstreifen wird mit Hilfe der Tiegelzange in die leuchtende Bunsenbrennerflamme gehalten. Durch vorsichtiges Fächeln wird der Geruch festegestellt.

Beobachtung: Polyethylen entzündet sich in der Bunsenbrennerflamme und beginnt zu tropfen. Auch nach dem Entfernen der Zündquelle brennt der Kunststoff weiter. Es ist ein parafinartiger Geruch wahrzunehmen. In der Flamme brennt PVC mit gelber, rußender Flamme und erlischt nach dem Entfernen der Zündquelle. Beim Verbrennen wird ein stechender Geruch freigesetzt (HCl). Die Beilsteinprobe ist bei PVC positiv. Entsorgung: Der Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden



1.2 Dichtebestimmung Dichtebestimmung von Kunststoffen Geräte: Chemikalien:

Becherglas (500ml)

Polyethylen Polystyrol Polyvinylchlorid Phenoplast Polyester Polymethylmethaycrylat Spülmittel, Kochsalz

Durchführung: Das Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Anschließend werden einige Tropfen Spülmittel zugegeben. Die Kunststoffstreifen werden nun in das Wasser gegeben. In einem anderen Becherglas werden die Kunststoffstreifen in das Wasser gegeben. Nun wird vorsichtig Kochsalz zugegeben. Nach und nach tauchen die Kunststoffstreifen auf. Die Reihenfolge ist zu notieren. Beobachtung: Im ersten Versuch schwimmt nur Polyethylen (Dichte 0,92g/cm³) Im zweiten Versuch schwimmt wiederum Polyethylen. Durch Zugabe des Kochsalzes wird die Dichte der Lösung erhöht. Es steigen dann auch Polystyrol (Dichte 1,05g/cm³), Polymethylmethacrylat (Dichte 1,18g/cm³), Polyvinylchlorid (Dichte 1,38g/cm³) und Phenoplast (Dichte 1,40g/cm³) auf. Polyester taucht aufgrund seiner hohen Dichte nicht auf (Dichte 2,00g/cm³). Entsorgung: Der Kunststoff kann für weitere Versuche weiter verwendet werden. 1.3 Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen Geräte: Chemikalien: Metallbecher Kunststoffbecher Uhr, Thermometer

heißes Wasser.

Durchführung: Das etwa 70°C heiße Wasser wird in einen Metall- und in einen Kunststoffbecher gefüllt. Die Temperatur in den Bechern wird jede Minute erfasst. Nach 15min wird der Versuch abgebrochen. Mit erhaltenen Messwerten werden Temperaturverlaufskurven in Abhängigkeit von der Zeit erstellt. Beobachtung: Das Wasser im Kunststoffbecher kühlt langsamer ab als das Wasser im Metallbecher.



1.4 Löslichkeit Löslichkeit von Kunststoffen Geräte: Chemikalien:

Bechergläser (100ml)

Streifen verschiedener Kunststoffe Lösungsmittel: Aceton, Benzin, Etanol, Wasser, Essigsäureethylester. Schutzbrille

Durchführung:

Die Kunststoffe werden für 10min in ein mit dem jeweiligen Lösungsmittel gefülltes Becherglas gegeben. Anschließend wird der Kunststoffstreifen herausgenommen und abgetrocknet. Die Oberfläche des Kunststoffs wird untersucht.

Beobachtung: Wenn ein Kunststoff in dem Lösungsmittel löslich ist wird die Oberfläche matt.



2. Versuche zur Herstellung von Kunststoffen 2.1 Herstellung von Acrylglas Herstellung von Acrylglas Anmerkungen: Achtung: Methacrylsäuremethylester ist leicht entzündlich und sollte deshalb von offenen Zündquellen (Bunsenbrenner) ferngehalten werden. Da die Dämpfe des Esters die Schleimhäute reitzt sollte der Versuch unter einem Abzug durchgeführt werden. Geräte: Chemikalien:

Reagenzglas mit Adsorptionsstopfen Stativ, Muffe, Klemme Heizplatte Becherglas mit Wasser (Wasserbad) Spatel, Uhrglas, Alufolie Waage Messzylinder Thermometer

(Xi, O) Härtepaste 1g

(Xi, F) Methacrylsäuremethylester 10ml Sudanrote ca. 1 Spatelspitze

(Xi, F) etwas Aceton Durchführung:

Zunächst füllt man 1g der Härtepaste zusammen mit 10ml Methacrylsäuremethylester in ein Reagenzglas. Zum Anfärben des Kunststoffes kann man noch 1 Spatelspitze Sudanrot dem Gemisch zufügen. Da der verwendete leicht flüchtig ist sollte man ein Adsorptionsstopfen auf das Reagenzglas setzen (Achtung: Methacrylsäuremethylester ist schädlich für die Atemwege; den Versuch unbedingt unter dem Abzug durchführen). Nun stellt man das Reagenzglas in ein 80- 90°C heißes Wasserbad.

Nach etwa 20 Minuten ist die Lösung deutlich viskos geworden und kann zum Aushärten auf das Uhrglas gegeben werden, welches mit Alufolie bespannt ist. Falls der Kunststoff schon im Reagenzglas Aushärten sollte, kann man diesen mit Hilfe von etwas Aceton aus dem Reagenzglas gelöst werden. Nun muss der Kunststoff auf dem Uhrglas aushärten, dazu stellt man das Uhrglas auf das Becherglas (nicht in das Becherglas!!!). bei circa 90- 100°C kann der Kunststoff nun aushärten.

Damit das so entstandene Acrylglas vollständig aushärten kann die Heizquelle nach beliebiger Zeit ausgeschaltet werden. Der Kunststoff sollte anschließend 24 Stunden an der Luft aushärten. Danach kann die Alufolie vom Kunststoff entfernt werden. Beobachtung: Als Produkt erhält man ein Stück hartes und rotes Acrylglas. Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Welche physikalische Eigenschaften hat dieser Kunststoff? 2. Handelt es sich um ein Thermoplast oder Duroplast? Begründe! 3. Zeichnen Sie einen sinnvollen Polymerausschnitt!



2.2 Radikalische Polymerisation von Styrol Radikalische Polymerisation von Styrol Anmerkungen: Styrol ist eine farblose, aromatisch riechende Flüssigkeit, welche brennbar und leicht polarimerisierbar ist. In Wasser lässt sich der Kohlenwasserstoff nur schlecht lösen. In den Methanol, Ethanol sowie Aceton und Ether hingegen lässt sich Styrol gut lösen. Die Styrol-Dämpfe reizen die Augen und Schleimhäute. Polymerisation: Durch Licht-, Wärme- und Sauerstoffeinfluss lassen sich die Polymerisationsvorgänge beschleunigen. Um diese Polymerisation zu verhindern werden oft Stabilisatoren wie Cinnamol oder Hydrochinon zugesetzt, welche sich durch Destillation entfernen lassen. Reines Polystyrol ist sehr spröde und leicht brüchig. Man verwendet daher oft Copolymere des Styrols. Als Initiator für die Polymerisation wird bei diesem Versuch die Härtepaste zugesetzt, welche 50% Benzoylperoxidanteil enthält. Geräte: Chemikalien: Reagenzglas Stativ, Muffe, Klemme Heizplatte (oder Magnetrührer mit Heizplatte), Waage Becherglas mit Wasser (als Wasserbad) Messzylinder 10ml und 50ml, Glasstab Thermometer, Holzklammer, Pasteurpipette


(Xn) Styrol 10ml Schutzbrille

Durchführung:

Zunächst muss man die Temperatur eines Wasserbads auf circa 80°C bringen. Danach gibt man 10ml Styrol sowie 2g Härterpaste in ein Reagenzglas und stellt dieses in das Wasserbad (in das Stativ einspannen). Mit dem Rührstab sollte das Gemisch vorsichtig umgerührt werden. Nun muss man die Temperatur 20 Minuten lang bei 80°C halten. Anschließend setzt die Reaktion ein welche sich durch heftiges Aufwallen erkennbar macht.

Beobachtung: Bei der Reaktion entsteht ein leicht blasiger Stoff Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Zeichnen Sie einen sinnvollen Ausschnitt des Polystyrols! 2. Handelt es sich um einen Duroplasten oder Thermoplasten? Begründe! 3. Geben Sie die Strukturformel des Benzoylperoxids an!



2.3 Kationische Polymerisation von Styrol Kationische Polymerisation von Styrol Anmerkungen: Eine kationische Polymerisation kann durch die Anwesenheit von Protonen initiert werden. Die nötigen Protonen werden in diesem Fall von der Reaktion des wasserfreien Eisen(III)-chlorids mit Wasser freigesetzt.

FeCl3 + 6H2O [Fe(OH2)6]3+ + 3 Cl- [Fe(OH2)5OH]3+ + 3 Cl- + H+ Geräte: Chemikalien: 2 Reagenzgläser (schwer schmelzbar) Gasbrenner Holzklammer Spatel, Messzylinder (10ml)

(Xn) Styrol 2ml

(Xn) Eisen-(III)-chlorid x 6 H2O

(Xi, F) Aceton Schutzbrille

Durchführung:

Zunächst gibt man eine Spatelspitze kristallwasserhaltiges Eisen-(III)-chlorid in ein schwer schmelzbares Reagenzglas und erhitzt. Durch das Erhitzen entweicht und verdampft das Kristallwasser, was sich durch das Beschlagen der Reagenzglaswände bemerkbar macht. Das kondensierte Wasser sollte größtenteils mit einem Papiertuch aus der Reagenzglasmündung entfernt werden. Anschließend muss solange weiter erhitzt werden, bis sich kleine, dunkle, glänzende Kristalle in der Mitte des Reagenzglases gebildet haben.

Mit einem trockenen Spatel müssen jetzt einige Kristalle in ein zweites schwer schmelzbares Reagenzglas überführt werden. Jetzt müssen 2ml Styrol hinzu gegeben werden. Das Reagenzglas wird danach verschlossen und gut geschüttelt, um eine gelbliche Lösung zu erhalten.

Anschließend wird der Stopfen wieder abgenommen und das Reagenzglas wird mehrmals vorsichtig bei kleiner, blauen Flamme für einige Sekunden erhitzt (Reagenzglas dabei schräg halten). Dabei sollte man das Reaktionsgemisch genau beobachten. Aufsteigenden Blasen zeigen das Einsetzten der Reaktion an. Die Reaktion kann unter Umständen sehr heftig verlaufen. Beobachtung: Nach dem Abkühlen erstarrt das Gemisch zu einem gelblichen, harzartigen Feststoff. Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für den Ablauf der kationischen Polymerisation von Styrol.

2.4 Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid Copolymerisation von Styrol mit



Maleinsäureanhydrid Anmerkungen: An einer Copolymerisation nehmen zwei oder mehr Monomere teil. Je nach gewünschter Eigenschaft des Kunstoffs werden die Monomere ausgewählt. Im folgenden Versuch soll ein alternierender (die beiden Monomere wechseln sich ab) Kunststoff dargestellt werden. Aus Experimenten weiss man, dass bei der Polymerisation von Maleinsäure mit Styrol (unabhängig von der Konzentration) sich 50:50-Polymere bilden. Ein Überschuss an Styrol führt dazu, dass die Kettenenden mit Styrol besetzt sind und ein Überschuss an Maleinsäure bleibt aufgrund der geringen Reaktivität zurück. Der Grund für die Bildung von alternierenden Ketten ist, das zunächst jeweils ein Styrol-Molekül mit einem Maleinsäure-Molekül reagiert und der entstandene Komplex radikalisch zur alternierenden Kette verknüpft wird. Geräte: Chemikalien: Reagenzglas Gasbrenner Holzklammer Spatel, Messzylinder (10ml)

(Xn) Styrol 2ml

(C) Maleinsäureanhydrid 3g


Durchführung:

In einem Reagenzglas werden 3g Maleinsäureanhydrid sowie 2ml Styrol vorgelegt. Anschließend wird über kleiner Bunsenbrennerflamme bis zur Auflösung des Maleinsäureanhydrids erhitzt. Das Gemisch wird weiter unter gutem Schütteln (und zeitweiliger Abkühlung) erhitzt.

Wenn das Gemisch zähflüssig wird und sich Blasen bilden wird der Ansatz endgültig abgekühlt.

Beobachtung: Nach dem Abkühlen erstarrt das Gemisch zu einem farblosen, harzartigen Feststoff. Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben:

1. Geben Sie die Strukturfomel von Styrol sowie von Maleinsäureanhydrid (Maleinsäure ist Butendisäure) an.

2. Geben Sie einen charakteristischen Ausschnitt aus dem Polymer an.



2.5 Polykondensation von Glycerin mit Borsäure Polykondensation von Glycerin mit Borsäure Anmerkung:

BOH OH

OHC C C

OH

H H

HH

H

OH OH

Borsäure 1,2,3-Propantriol

Geräte: Chemikalien: Spatel, Pipette Schwer schmelzbares Reagenzglas, Siedesteinchen Gasbrenner dünner Holzspan, Holzklammer

Borsäure wasserfreies Glycerin, Propantriol Schutzbrille

Durchführung:

Zunächst wird das Reagenzglas 1cm hoch mit Borsäure gefüllt und zusammen mit der gleichen Menge an Glycerin gut durchgeschüttelt. Dabei wird das Gemisch solange leicht erwärm bis sich eine klare Lösung bildet. Dazu gibt man ein Siedesteinchen und erwärmt das Gemisch über entleuchteter Flamme. Dabei sollte das Reagenzglas waagerechte gehalten werden. Nach 5 Minuten wird die Flüssigkeit gelblich und zäh.

Beobachtung: Aus dem gelben, zähflüssigen Produkt lassen sich nachdem Abkühlen mit Hilfe eines Holzstabes Fäden ziehen. Entsorgung: Das Reagenzglas mit dem Kondensat kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden Aufgaben: 1. Geben Sie die Strukturformel für Borsäure und Glycerin an. 2. Aus Borsäure und Glycerin entsteht ein vernetzter Polyester. Gib einen sinnvollen Formelausschnitt des Makromoleküls an.



2.6 Herstellung von weich PVC Herstellung von weich PVC Anmerkungen:

PVC ist im Handel als weich und als Hart-PVC erhältlich. Hart-PVC ist chemikalienbeständig und korrosionsfest. Weich-PVC wird in Bodenplatten und Folien eingesetzt. Der weiche Kunststoff wird gewonnen indem man das PVC-Pulber bei Temperaturen von 150-200°C mit Weichmachern wie Dioctylterephthalat versetzt. Diese Weichmacher schieben Alkylreste zwischen die PVC-Ketten und verringern somit die Wechselwirkungen zwischen

den langen Polymerketten. 1987 stellte die Stiftung Warentest fest, dass Weichmachermolekülen in den Lebensmitteln zu finden sind, welche mit PVC eingepackt waren (vor allem bei fetthaltigen Lebensmitteln). Geräte: Chemikalien:

Porzellanschale, Holzspatel Heizplatte Dreibein, Ceranplatte 2 Zangen

Messzylinder (25ml), Waage, Papiertücher

PVC-Pulver Dioctylphthalat (=Weichmacher) Silokonöl

F Aceton Schutzbrille

Durchführung:

Der Versuch sollte im Abzug durchgeführt werden. 9g des PVC-Pulvers und 6g des Weichmachers werden in einer Porzellanschale verrührt, bis ein gleichmäßiger Brei entstanden ist. Anschließend wird die Ceranfläche mit dem Silikonöl bestrichen und auf die Heizplatte gelegt. Die Farblose PVC-Masse wird auf die Ceranfläche gegossen und es wird bis maximal 150°C erhitzt. Die Massse sollte solange erhitzt weden, bis sie transparent ist,

anschließend entfernt man die Hitzequelle. Die Folie kann nach dem Abkühlen von der Ceranplatte gezogen werden. Beobachtung: Man erhält eine lederartige, transparente Folie. Entsorgung: Die Produkte können zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Zeigen Sie die Wirkungsweise des Weichmachers an Hand der Strukturformel. 2. Informieren Sie sich über die Verwendung des weich PVC. 3. Inwiefern ist PVC aus Umweltaspekten ein problematischer Kunststoff?

O

O CH2

CH

C2H5

CH2

CH2

CH2

CH3

O

O

CH2

CH

C2H5

CH2

CH2

CH2

CH3

Dioctylphthalat



2.7 Funktionsweise eines Superabsorbers Die Funktionsweise von Superabsorber Anmerkungen Superabsorber sind Natallsalze einer Polysäure. In diesem Experiment wurde das Natriumsalz der Polyacrylsäure verwendet. Sie sind lange vernetzte Polymere die aus einigen hundert Monomeren aufgebaut sind. Superabsorber sind Natallsalze einer Polysäure. In diesem Experiment wurde das Natriumsalz der Polyacrylsäure verwendet. Sie sind lange vernetzte Polymere die aus einigen hundert Monomeren aufgebaut sind. Funktionsweise: Gibt man den Superabsorber in Wasser so löst sich sofort das Natrium-Kation von der Polyacrylsäure. Dieser Vorgang stellt ein chemisches Gleichgewicht dar, welches in destilliertemWasser stark auf der Seite der Produkte (Polyacrylsäure-Anion und Natrium-Kation) liegt.

Dadurch entsteht ein langes Polymehr mit vielen negativ geladenen Carboxylgruppen. Da die umgebenen Wassermoleküle Dipole darstellen lagern diese sich (mit den Wasserstoffatomen) an das Makromolekül an, den Vorgang des Anhaftens bezeichnet man auch als Absorbtion. Der Absorbtionsvorgang ist beendet, wenn durch sterische Gründe ein weiteres Anlagern Wassermolekülen verhindert wird.

Im Experiment mit der Kochsalzlösung wird das oben beschriebene Gleichgewicht in Richtung der Edukte verschoben. Dies liegt daran, dass eine hohe Konzentration an Natrium-Kationen vorliegt, sodass diese die hohe Ladungsdichte am Polymer durch Anlagerung ausgleichen. Somit wird die Absorbtion des Wassers verhindert. Geräte: Chemikalien:

2 Bechergläser Superabsorber (2 Spatel) destilliertes Wasser 5%-ige Kochsalzlösung

Durchführung:

Es wird ein Becherglas mit 100ml destilliertem Wasser und ein Becherglas mit 5%-iger Kochsalzlösung (100ml) vorbereitet. Danach gibt man in jedes Becherglas einen Spatel Superabsorber.

Beobachtung: Nach einigen Sekunden ist das Wasser im ersten Becherglas zu einer festen geleartigen Masse ersteift, das Wasser ist somit absorbiert worden. Im zweiten Becherglas (mit NaCl) hingegen ist keine Absorption des Wassers erfolgt. Entsorgung: Die Produkte können zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Vergleichen Sie das Aufnahmevermögen für destilliertes Wasser und Kochsalzlösung. Geben Sie eine Erklärung für die beobachtete Abweichung. 2. Zeichnen Sie die Strukturformel eines Polyacrylsäure-Monomers.



3. Recycling von Kunststoffen 3.1 Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester Anmerkungen: Methacrylsäuremethylester ist eines der wenigen Polyolefine, welches sich durch Zuführen von thermischer Energie in seine Monomere spalten lässt. Bereits bei einer Temperatur von 150°C setzt die Zersetzung ein, welche bei Temperaturen oberhalb von 300°C quantitativ durchgeführt werden kann. Durch Destillation kann der Ester dann gereinigt werden. Der entstandene Methacrylsäuremethylester kann dann zur Herstellung von hochwertigen Kunststoffprodukten per Polymerisation eingesetzt werden. Geräte: Chemikalien: 2 Reagenzgläser Gasbrenner, Holzklammer passender durchbohrter Stopfen rechtwinklig gebogenes Glasrohr Becherglas mit kaltem Wasser (zur Kühlung)

10g zerkleinerte Polymethacrylsäuremethylester-Reste (z.B. Kfz-Rückleuchten)

Durchführung: Diesen Versuch sollte man am besten in einem Abzug durchführen.

Zunächst füllt man 10g der Kfz-Rückleuchten in ein Reagenzglas. Danach wird der durchbohhrte Stopfen mit dem rechtwinkligen Glasrohr aufgesetzt. Nun wird das Reagenzglas langsam erhitzt. Die Gase werden in einem zweiten Reagenzglas aufgefangen, welches sich in einem Wasser gefüllten Becherglas steht. Wenn sich an einigen stellen blasige Schmelzen gebildet haben erhitzt man stärker. Um eine stärkeres Schäumen zu vermeiden beginnt man mit der Pyrolyse am oberen Teil des Reagenzglases. Beobachtung: Es bildet sich eine sehr stark riechende Flüssigkeit im zweiten Reagenzglas. Entsorgung: Die für die Depolymerisation verwendeten Reagenzgläser sollten gut verschlossen aufgehoben werden, um sie für diesen Versuch wieder zu verwenden. Der gewonnene Ester wird wieder polymerisiert (siehe Herstellung von Acrylglas). Das dabei entstehende Polymerisat kann mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben:



3.2 Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse Geräte: Chemikalien:

Magnetrührer mit Rührfisch Heizpilz, Rundkolben (250ml) Zweihalsaufsatz, Rückflusskühler Saugflasche, Nutsche, Filterpapier Messzylinder (100ml) Becherglas (400ml) Wasserstrahlpumpe Schere Stoffreste aus Trevira

C Salzsäure (32%ig)

F Ethanol 45ml

C Natriumhydroxid 18g destilliertes Wasser

Durchführung: Zunächst muss eine Apparatur aufgebaut werden, in der das Gemisch unter Rückfluss gekocht werden kann. Anschließend werden 18g Natriuhydroxid gelöst in 90ml Wasser und 45ml Ethanol im Rundkolben vorgelegt. Unter Rühren wird bis zum Sieden erhitzt und 3g zerkleinerter Stoffrest (Trevira). Die Zugabe des Stoffes kann durch den zweiten Ansatz der Zweihalsaufsatzes geschehen. Nach 20min werden weitere 3g des Stoffes zugesetzt. Der Vorgang wird insgesamt 5mal durchgeführt. Nach der letzten Zugabe wird der Ansatz für 30min gekocht und anschließend in ein Becherglas überführt. Es wird nun soviel Wasser hinzu gegeben bis sich das Natriumsalz der Terephthalatsäure gerade wieder auflöst. Mit konzentrierter Salzsäure wird der Ansatz nun vorsichtig angesäuert. Beim Ansäuern fällt die Terephthalatsäure als farbloser Feststoff aus. Der Feststoff wird nun abfiltriert. Beobachtung: Beim Ansäuern fällt ein farbloser Feststoff aus. Entsorgung: Die Lösungen werden neutralisiert und über das Waschbecken entsorgt. Die benutzten Geräte sind mit destilliertem Wasser zu reinigen. Aufgaben: 1. Formulieren Sie einen Polymerausschnitt. 2. Geben Sie die Strukturformeln der Monomere an.



3.3 Recycling von Styropor Recycling von Styropor Geräte: Chemikalien: Gasbrenner Dreibein mit Drahtnetz großes Becherglas (800ml) Tee-Ei aus Metall Korkstopfen Stativmaterial Siedesteinchen

Styropor

Durchführung: Das Styropor wird zerkleinert. Anschließend werden die Styropor Bruchstücke in das Tee-Ei gefüllt (sodass sich das Tee-Ei gerade noch unter leichtem Druck schließen lässt). Der Korkstopfen wird nun so am Griff des Tee-Eis angebracht, dass es nicht bei Erwärmung nachgibt. Das Becherglas wird zu einem Drittel mit Wasser gefüllt und zum Sieden (Siedesteinchen) erhitzt. Mit Hilfe eines Stativs wird das Tee-Ei nun so im Becherglas befestigt, dass es über der Wasseroberfläche dem heißen Wasserdampf ausgesetzt ist. Nach 5 Minuten wird das Tee-Ei entfernt und abgekühlt. Beobachtung: Man erhält eine Styroporkugel deren Oberfläche nicht ganz glatt ist. Je feiner die mechanische Zerkleinerung des Styropors erfolgt, umso glatter wird dir Kugel. Entsorgung: Die Produkte können zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben:



C. Anhang: Kopiervorlagen Grundwissen Grundwissen: Kunststoffe Grundwissen: Herstellung von Kunststoffen

Arbeitsanleitungen 1. Versuche zur Charakterisierung von Kunststoffen 1.1 Brennbarkeit 1.2 Dichtebestimmung 1.3 Wärmeleitfähigkeit 1.4 Löslichkeit

2. Versuche zur Herstellung von Kunststoffen 2.1 Herstellung von Acrylglas 2.2 Radikalische Polymerisation von Styrol 2.3 Kationische Polymerisation von Styrol 2.4 Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid 2.5 Polykondensation von Glycerin mit Borsäure 2.6 Herstellung von weich PVC 2.7 Funktionsweise eines Superabsorbers

3. Recycling von Kunststoffen 3.1 Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester 3.2 Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse 3.3 Recycling von Styropor



Grundwissen: Kunststoffe

Kunststoffe sind Makromoleküle, welche durch Verknüpfung von vielen kleineren Moleküle entstanden sind. Die einzelnen Bausteine eines Kunststoffes nennt man Monomere, entsprechend bezeichnend man ein ketten- oder netzförmige Verknüpfung der Monomere als Polymere.

Kunststoffe sind aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften in nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens zu finden. So besteht beispielsweise ein Großteil der Innenverkleidung im Automobil aus Kunststoff oder Gerbrauchgegenstände wie Zahnbürste, Schwamm und Besen bestehen aus Kunststoff.

Kunststoffe lassen sich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer chemischen Struktur in drei Klassen einteilen.

Thermoplaste: Thermoplaste sind lange fadenförmige und unverzweigte sowie vernetzte Polymere. Sie lassen sich durch Erwärmen leicht formbar machen. Die unterschiedlich langen Polymer-Stränge werden von physikalischen Wechselwirkungen wie die Van-der-Waal-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen zusammen gehalten. Geraten die Moleküle beim Erhitzen in Schwingung, so können die oben beschriebenen Wechselwirkungen aufgehoben werden und der Kunststoff wird formbar. Diese besonderen Eigenschaften der Thermoplaste werden in der technischen Verarbeitung von Kunststoffen ausgenutzt.

Duroplast: Bei Duroplasten sind die Monomere netzartig mit einander Verknüpft. Im Gegensatz zu den Thermoplasten liegen hier nicht nur physikalische Wechselwirkungen der einzelnen Polymerstränge vor, sondern es bestehen reale Atombindungen zwischen den verschiedenen Strängen des Makromoleküls. Es bildet sicht somit eine Netzstruktur. Da die Atombindungen nicht so leicht durch Hitze zu Spalten sind wie die Wechselwirkungen bei Thermoplasten, sind Duroplasten auch bei höheren Temperaturen in ihrer Struktur unverändert und formstabil. Bei sehr hohen Temperaturen zerreißt das Netz, das heißt die Atombindungen werden gespalten und der Kunststoff zersetzt sich in kleinere Moleküle, welche dann mit dem Luftsauerstoff reagieren. Der Kunststoff verkohlt also bei hohen Temperaturen und seine ursprüngliche Struktur ist nicht wieder herstellbar.

Elastomere: Elastomere sind Kunststoffe, die sich bei mechanischer Belastung wie Gummi verhalten. Sie lassen sich bei Raumtemperatur durch Druck oder Zug verformen und kehren aufgrund ihrer hohen Elastizität in ihre vorherige Struktur zurück. Die Polymerstränge eines Elastomers sind wie Duroplasten mit realen Atombindungen verknüpft. Jedoch ist die Netzstruktur der Elastomere weitmaschiger. Erwärmt man Elastomere im gespannten Zustand, so stellt man fest, dass sich der Kunststoff zusammen zieht. Der Grund dafür liegt in der stärkeren Schwingung der Netzfäden bei hohen Temperaturen. Die Netzknoten rücken dabei näher aneinander. Bei sehr starkem Erhitzen verhalten sich Elastomere ähnlich wie Duroplasten.



Grundwissen: Herstellung von Kunststoffen

Kunststoffe sind Polymere die durch die Verknüpfung vieler kleiner Monomere entstehen. Die Monomere bestimmen aufgrund ihres Aufbaus und chemischen Eigenschaften die Gesamteigenschaft des späteren Makromoleküls. Die Synthese von Kunststoffen kann auf drei verschiedene weisen erfolge:

Polykondensation: Die Grundlage für Polykondensate sind Monomere mit mindestens zwei funktionelle Gruppen. Für die Polykondensation eigenen sich besonders Hydroxyl-, Carboxyl- und Aminogruppen. Zunächst erfogt eine Verknüpfung zu Dimeren, welche sich dann schließlich zum Polymer verknüpfen. Bei jedem Reaktionsschritt spalten sich ein kleines Molekül ab (z.B.: Wasser).

Polymerisation: Grundlage für Polymerisate sind ungesättigte Monomere. Die Reaktion verläuft als Kettenreaktion, die durch Initiatoren wie Radikale oder Ionen ausgelöst werden. Bei der radikalischen Polymerisation reagiert ein Radikal mit einem Monomer, wobei ein neues Radikal entsteht, welches wiederum mit einem Monomer reagieren kann, so dass sich ein Polymer bildet.

Polyaddition: Polyaddukte entstehen durch eine Additionsreaktion der Endgruppen der Monomere. Das setzt voraus, dass die Endgruppe eine Doppelbindung besitz, welche mit einem bifunktionellen Monomer reagieren kann. Bei dieser Reaktion werden jedoch nicht wie bei der Polykondensation kleiner Moleküle abgespalten.



Brennbarkeit von Kunststoffen Geräte: Chemikalien: Bunsenbrenner Tiegelzange brandfest Unterlage Schutzbrille

Polyethylen Polyvinylchlorid eventuell weitere Kunststoffe

Durchführung:

Der Kunststoffstreifenstreifen wird mit Hilfe der Tiegelzange in die leuchtende Bunsenbrennerflamme gehalten. Durch vorsichtiges Fächeln wird der Geruch festegestellt.

Beobachtung: Entsorgung: Der Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden

Dichtebestimmung von Kunststoffen Geräte: Chemikalien:

Becherglas (500ml)

Polyethylen Polystyrol Polyvinylchlorid Phenoplast Polyester Polymethylmethaycrylat Spülmittel, Kochsalz

Durchführung: Das Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Anschließend werden einige Tropfen Spülmittel zugegeben. Die Kunststoffstreifen werden nun in das Wasser gegeben. In einem anderen Becherglas werden die Kunststoffstreifen in das Wasser gegeben. Nun wird vorsichtig Kochsalz zugegeben. Nach und nach tauchen die Kunststoffstreifen auf. Die Reihenfolge ist zu notieren. Beobachtung: Entsorgung: Der Kunststoff kann für weitere Versuche weiter verwendet werden.



Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen Geräte: Chemikalien: Metallbecher Kunststoffbecher Uhr, Thermometer

heißes Wasser.

Durchführung: Das etwa 70°C heiße Wasser wird in einen Metall- und in einen Kunststoffbecher gefüllt. Die Temperatur in den Bechern wird jede Minute erfasst. Nach 15min wird der Versuch abgebrochen. Mit erhaltenen Messwerten werden Temperaturverlaufskurven in Abhängigkeit von der Zeit erstellt. Beobachtung:

Löslichkeit von Kunststoffen Geräte: Chemikalien:

Bechergläser (100ml)

Streifen verschiedener Kunststoffe Lösungsmittel: Aceton, Benzin, Etanol, Wasser, Essigsäureethylester. Schutzbrille

Durchführung:

Die Kunststoffe werden für 10min in ein mit dem jeweiligen Lösungsmittel gefülltes Becherglas gegeben. Anschließend wird der Kunststoffstreifen herausgenommen und abgetrocknet. Die Oberfläche des Kunststoffs wird untersucht.

Beobachtung:



Herstellung von Acrylglas Geräte: Chemikalien:

Reagenzglas mit Adsorptionsstopfen Stativ, Muffe, Klemme Heizplatte Becherglas mit Wasser (Wasserbad) Spatel, Uhrglas, Alufolie Waage Messzylinder Thermometer


(Xi, F) Methacrylsäure-methylester 10ml Sudanrote ca. 1 Spatelspitze

(Xi, F) etwas Aceton Durchführung:

Zunächst füllt man 1g der Härtepaste zusammen mit 10ml Methacrylsäuremethylester in ein Reagenzglas. Zum Anfärben des Kunststoffes kann man noch 1 Spatelspitze Sudanrot dem Gemisch zufügen. Da der verwendete leicht flüchtig ist sollte man ein Adsorptionsstopfen auf das Reagenzglas setzen (Achtung: Methacrylsäuremethylester ist schädlich für die Atemwege; den Versuch unbedingt unter dem Abzug durchführen). Nun stellt man das Reagenzglas in ein 80- 90°C

heißes Wasserbad.

Nach etwa 20 Minuten ist die Lösung deutlich viskos geworden und kann zum Aushärten auf das Uhrglas gegeben werden, welches mit Alufolie bespannt ist. Falls der Kunststoff schon im Reagenzglas Aushärten sollte, kann man diesen mit Hilfe von etwas Aceton aus dem Reagenzglas gelöst werden. Nun muss der Kunststoff auf dem Uhrglas aushärten, dazu stellt man das Uhrglas auf das Becherglas (nicht in das Becherglas!!!). bei circa 90- 100°C kann der Kunststoff nun aushärten.

Damit das so entstandene Acrylglas vollständig aushärten kann die Heizquelle nach beliebiger Zeit ausgeschaltet werden. Der Kunststoff sollte anschließend 24 Stunden an der Luft aushärten. Danach kann die Alufolie vom Kunststoff entfernt werden. Beobachtung: Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Welche physikalische Eigenschaften hat dieser Kunststoff? 2. Handelt es sich um ein Thermoplast oder Duroplast? Begründe! 3. Zeichnen Sie einen sinnvollen Polymerausschnitt!



Radikalische Polymerisation von Styrol Geräte: Chemikalien: Reagenzglas Stativ, Muffe, Klemme Heizplatte (oder Magnetrührer mit Heizplatte), Waage Becherglas mit Wasser (als Wasserbad) Messzylinder 10ml und 50ml, Glasstab Thermometer, Holzklammer, Pasteurpipette


(Xn) Styrol 10ml Schutzbrille

Durchführung:

Zunächst muss man die Temperatur eines Wasserbads auf circa 80°C bringen. Danach gibt man 10ml Styrol sowie 2g Härterpaste in ein Reagenzglas und stellt dieses in das Wasserbad (in das Stativ einspannen). Mit dem Rührstab sollte das Gemisch vorsichtig umgerührt werden. Nun muss man die Temperatur 20 Minuten lang bei 80°C halten. Anschließend setzt die Reaktion ein welche sich durch heftiges Aufwallen erkennbar macht.

Beobachtung: Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Zeichnen Sie einen sinnvollen Ausschnitt des Polystyrols! 2. Handelt es sich um einen Duroplasten oder Thermoplasten? Begründe! 3. Geben Sie die Strukturformel des Benzoylperoxids an!



Kationische Polymerisation von Styrol Geräte: Chemikalien: 2 Reagenzgläser (schwer schmelzbar) Gasbrenner Holzklammer Spatel, Messzylinder (10ml)

(Xn) Styrol 2ml

(Xn) Eisen-(III)-chlorid x 6 H2O


Durchführung:

Zunächst gibt man eine Spatelspitze kristallwasserhaltiges Eisen-(III)-chlorid in ein schwer schmelzbares Reagenzglas und erhitzt. Durch das Erhitzen entweicht und verdampft das Kristallwasser, was sich durch das Beschlagen der Reagenzglaswände bemerkbar macht. Das kondensierte Wasser sollte größtenteils mit einem Papiertuch aus der Reagenzglasmündung entfernt werden. Anschließend muss solange weiter erhitzt werden, bis sich kleine, dunkle, glänzende Kristalle in der Mitte des

Reagenzglases gebildet haben.

Mit einem trockenen Spatel müssen jetzt einige Kristalle in ein zweites schwer schmelzbares Reagenzglas überführt werden. Jetzt müssen 2ml Styrol hinzu gegeben werden. Das Reagenzglas wird danach verschlossen und gut geschüttelt, um eine gelbliche Lösung zu erhalten.

Anschließend wird der Stopfen wieder abgenommen und das Reagenzglas wird mehrmals vorsichtig bei kleiner, blauen Flamme für einige Sekunden erhitzt (Reagenzglas dabei schräg halten). Dabei sollte man das Reaktionsgemisch genau beobachten. Aufsteigenden Blasen zeigen das Einsetzten der Reaktion an. Die Reaktion kann unter Umständen sehr heftig verlaufen. Beobachtung: Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für den Ablauf der kationischen Polymerisation von Styrol.



Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid

Geräte: Chemikalien: Reagenzglas Gasbrenner Holzklammer Spatel, Messzylinder (10ml)

(Xn) Styrol 2ml

(C) Maleinsäureanhydrid 3g


Durchführung:

In einem Reagenzglas werden 3g Maleinsäureanhydrid sowie 2ml Styrol vorgelegt. Anschließend wird über kleiner Bunsenbrennerflamme bis zur Auflösung des Maleinsäureanhydrids erhitzt. Das Gemisch wird weiter unter gutem Schütteln (und zeitweiliger Abkühlung) erhitzt.

Wenn das Gemisch zähflüssig wird und sich Blasen bilden wird der Ansatz endgültig abgekühlt.

Beobachtung: Entsorgung: Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben:

1. Geben Sie die Strukturfomel von Styrol sowie von Maleinsäureanhydrid (Maleinsäure ist Butendisäure) an.

2. Geben Sie einen charakteristischen Ausschnitt aus dem Polymer an.



Polykondensation von Glycerin mit Borsäure Geräte: Chemikalien:

Spatel, Pipette Schwer schmelzbares Reagenzglas, Siedesteinchen Gasbrenner dünner Holzspan, Holzklammer

(C) Borsäure wasserfreies Glycerin, Propantriol Schutzbrille

Durchführung:

Zunächst wird das Reagenzglas 1cm hoch mit Borsäure gefüllt und zusammen mit der gleichen Menge an Glycerin gut durchgeschüttelt. Dabei wird das Gemisch solange leicht erwärm bis sich eine klare Lösung bildet. Dazu gibt man ein Siedesteinchen und erwärmt das Gemisch über entleuchteter Flamme. Dabei sollte das Reagenzglas waagerechte gehalten werden. Nach 5 Minuten wird die Flüssigkeit gelblich und zäh.

Beobachtung: Entsorgung: Das Reagenzglas mit dem Kondensat kann zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden Aufgaben: 1. Geben Sie die Strukturformel für Borsäure und Glycerin an. 2. Aus Borsäure und Glycerin entsteht ein vernetzter Polyester. Gib einen sinnvollen Formelausschnitt des Makromoleküls an.



Herstellung von weich PVC Geräte: Chemikalien:

Porzellanschale, Holzspatel Heizplatte Dreibein, Ceranplatte 2 Zangen

Messzylinder (25ml), Waage, Papiertücher

PVC-Pulver Dioctylphthalat (=Weichmacher) Silokonöl

F Aceton Schutzbrille

Durchführung:

Der Versuch sollte im Abzug durchgeführt werden. 9g des PVC-Pulvers und 6g des Weichmachers werden in einer Porzellanschale verrührt, bis ein gleichmäßiger Brei entstanden ist. Anschließend wird die Ceranfläche mit dem Silikonöl bestrichen und auf die Heizplatte gelegt. Die Farblose PVC-Masse wird auf die Ceranfläche gegossen und es wird bis maximal 150°C erhitzt. Die Massse sollte solange erhitzt weden, bis sie transparent ist,

anschließend entfernt man die Hitzequelle. Die Folie kann nach dem Abkühlen von der Ceranplatte gezogen werden. Beobachtung: Entsorgung: Die Produkte können zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Zeigen Sie die Wirkungsweise des Weichmachers an Hand der Strukturformel. 2. Informieren Sie sich über die Verwendung des weich PVC. 3. Inwiefern ist PVC aus Umweltaspekten ein problematischer Kunststoff?



Die Funktionsweise von Superabsorber Geräte: Chemikalien:

2 Bechergläser Superabsorber (2 Spatel) destilliertes Wasser 5%-ige Kochsalzlösung

Durchführung:

Es wird ein Becherglas mit 100ml destilliertem Wasser und ein Becherglas mit 5%-iger Kochsalzlösung (100ml) vorbereitet. Danach gibt man in jedes Becherglas einen Spatel Superabsorber.

Beobachtung: Entsorgung: Die Produkte können zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden. Aufgaben: 1. Vergleichen Sie das Aufnahmevermögen für destilliertes Wasser und Kochsalzlösung. Geben Sie eine Erklärung für die beobachtete Abweichung. 2. Zeichnen Sie die Strukturformel eines Polyacrylsäure-Monomers.



Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester Geräte: Chemikalien: 2 Reagenzgläser Gasbrenner, Holzklammer passender durchbohrter Stopfen rechtwinklig gebogenes Glasrohr Becherglas mit kaltem Wasser (zur Kühlung)

10g zerkleinerte Polymethacrylsäuremethylester-Reste (z.B. Kfz-Rückleuchten)

Durchführung: Diesen Versuch sollte man am besten in einem Abzug durchführen.

Zunächst füllt man 10g der Kfz-Rückleuchten in ein Reagenzglas. Danach wird der durchbohrte Stopfen mit dem rechtwinkligen Glasrohr aufgesetzt. Nun wird das Reagenzglas langsam erhitzt. Die Gase werden in einem zweiten Reagenzglas aufgefangen, welches sich in einem Wasser gefüllten Becherglas steht. Wenn sich an einigen stellen blasige Schmelzen gebildet haben erhitzt man stärker. Um eine stärkeres Schäumen zu vermeiden beginnt man mit der Pyrolyse am oberen Teil des Reagenzglases. Beobachtung: Entsorgung: Die für die Depolymerisation verwendeten Reagenzgläser sollten gut verschlossen aufgehoben werden, um sie für diesen Versuch wieder zu verwenden. Der gewonnene Ester wird wieder polymerisiert (siehe Herstellung von Acrylglas). Das dabei entstehende Polymerisat kann mit dem Hausmüll entsorgt werden.



Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse Geräte: Chemikalien:

Magnetrührer mit Rührfisch Heizpilz, Rundkolben (250ml) Zweihalsaufsatz, Rückflusskühler Saugflasche, Nutsche, Filterpapier Messzylinder (100ml) Becherglas (400ml) Wasserstrahlpumpe Schere Stoffreste aus Trevira

C Salzsäure (32%ig)

F Ethanol 45ml

C Natriumhydroxid 18g destilliertes Wasser

Durchführung: Zunächst muss eine Apparatur aufgebaut werden, in der das Gemisch unter Rückfluss gekocht werden kann. Anschließend werden 18g Natriuhydroxid gelöst in 90ml Wasser und 45ml Ethanol im Rundkolben vorgelegt. Unter Rühren wird bis zum Sieden erhitzt und 3g zerkleinerter Stoffrest (Trevira). Die Zugabe des Stoffes kann durch den zweiten Ansatz der Zweihalsaufsatzes geschehen. Nach 20min werden weitere 3g des Stoffes zugesetzt. Der Vorgang wird insgesamt 5mal durchgeführt. Nach der letzten Zugabe wird der Ansatz für 30min gekocht und anschließend in ein Becherglas überführt. Es wird nun soviel Wasser hinzu gegeben bis sich das Natriumsalz der Terephthalatsäure gerade wieder auflöst. Mit konzentrierter Salzsäure wird der Ansatz nun vorsichtig angesäuert. Beim Ansäuern fällt die Terephthalatsäure als farbloser Feststoff aus. Der Feststoff wird nun abfiltriert. Beobachtung: Entsorgung: Die Lösungen werden neutralisiert und über das Waschbecken entsorgt. Die benutzten Geräte sind mit destilliertem Wasser zu reinigen. Aufgaben: 1. Formulieren Sie einen Polymerausschnitt. 2. Geben Sie die Strukturformeln der Monomere an.



Recycling von Styropor Geräte: Chemikalien: Gasbrenner Dreibein mit Drahtnetz großes Becherglas (800ml) Tee-Ei aus Metall Korkstopfen Stativmaterial Siedesteinchen

Styropor

Durchführung: Das Styropor wird zerkleinert. Anschließend werden die Styropor Bruchstücke in das Tee-Ei gefüllt (sodass sich das Tee-Ei gerade noch unter leichtem Druck schließen lässt). Der Korkstopfen wird nun so am Griff des Tee-Eis angebracht, dass es nicht bei Erwärmung nachgibt. Das Becherglas wird zu einem Drittel mit Wasser gefüllt und zum Sieden (Siedesteinchen) erhitzt. Mit Hilfe eines Stativs wird das Tee-Ei nun so im Becherglas befestigt, dass es über der Wasseroberfläche dem heißen Wasserdampf ausgesetzt ist. Nach 5 Minuten wird das Tee-Ei entfernt und abgekühlt. Beobachtung: Entsorgung: Die Produkte können zusammen mit dem Hausmüll entsorgt werden.



Folie charakteristische Polymerausschnitte einiger Kunststoffe (1/2)

Kunststoff Strukturformel Polyethylen

C CH

H

H

Hn

... ...

Polypropylen

C CH

H

H

CH3 n

... ...

Polystyrol

C CH

H

H

n

... ...

Polyvinylchlorid

C CH

H

H

Cln

... ...

Polytetrafluoroethylen

C CF

F

F

Fn

... ...



Folie charakteristische Polymerausschnitte einiger Kunststoffe (2/2)

Kunststoff Strukturformel Polymethylmethacrylat

C C

H

H

CH3

C O

O

CH3 n

... ...

Cellulosepropionat

CH

C

C

O

CH O

C

CHH

O R

H

H

O

R

O

R n

... ...

R = -CO-CH2CH3

O C

CH3

CH3

O C

On

... ...

Polycarbonat

Darstellung von Kunststoffen Polykondensation

OH CH2

CH2

OH OH C

O

(CH2) C

O

OH O CH2

CH2

O C

O

(CH2) C

O

O+

Polymerisation

R CH2 CH

CH3

R CH2

CH

CH3

CH2 CH

CH3

R CH2

CH

CH2

CH

CH3CH3

+ +

Polyaddition

N C ONCO OH CH2

CH2

OH C

O

N

H

N C O CH2

CH2

O

O+

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Unterrichtsreihe - · PDF fileUnterrichtsreihe – Kunststoffe Quelle: Seite 3 von 59 A. Theoretischer Teil 1. Thermoplaste Seite 1.0.0 Allgemeine