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
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
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
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
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