Polymere in Industrie & Technik

Polymere in Industrie & Technik

Experimentalvortrag

von Tobias Gerhardt

am 16.06.2010

Inhalt

1. Einleitung

2. Erstes industriell produziertes Polymer

• Versuch 1

3. Industrieübergreifende Polymere

• Demonstration 1

4. Verpackungs- und Lebensmittelindustrie

• Versuch 2 & 3

5. Medizintechnik

• Versuch 4

6. Elektrotechnik

• Demonstration 2

7. Bauindustrie

• Demonstration 3 & Versuch 5

Polymere

• Ketten von konstitutiven Einheiten, welche durch

kovalente, ionische oder Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft sind

• diese Grundbausteine entstehen aus den Monomeren

• Polypropylen:

Monomer Grundbaustein (Propen) (konstitutive Einheit)

C

H₂ CH₃

CH₃

n

Klassifizierung

• Molekulare Struktur:

–

Thermoplaste

• lineare oder verzweigte Polymere

–

Elastomere

• weitmaschig vernetzte Polymere

–

Duroplaste

•

Klassifizierung der Polymere

• Herkunft:

– anorganische Makromoleküle, z.B. Polyphosphate oder Silikone

– organische Makromoleküle

• natürliche Polymere (Biopolymere), z.B. Stärke, Cellulose, DNA

• chemisch modifizierte Polymere, z.B. Cellulosetrinitrat (Schießbaumwolle), Zelluloid

• synthetische Polymere, z.B. Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC)

Vorbereitung für Versuch 5

• Temperaturmessung in den Bechergläsern

• aufbewahren in den Dosen

Erster industriell produzierter Kunststoff

• Anfang des 20. Jahrhunderts:

Versuche zur Herstellung elektrischer Isolatoren durch die Phenol-Formaldehyd-Kondensationsreaktion

• Schellack: natürliches Harz aus den Ausscheidungen der Lackschildlaus war sehr teuer

• Kautschuk brannte bei hohen Strombelastungen durch

• Baekeland gelang bei Experimenten mit Phenol und Formaldehyd die Herstellung eines harten Kunstharzes (1905 - 1907)

Erster industriell produzierter Kunststoff

• elektrisch nicht-leitend und beständig gegen Säure und Hitzeeinwirkung

• Hitze-Druck-Patent (1907) zur Produktion von Bakelit

• selbstentwickelter Bakelizer ermöglichte ihm die Temperaturführung unter

Überdruck

Versuch 1 - Bakelit

• Deprotonierung des Resorcins und S_E-Ar mit Formaldehyd

• Anlagerung eines zweiten Resorcinmoleküls

OH

OH

- H₂O + OH^-

O

OH H O^-

O^-

OH O^- OH

OH

O

H H

O^-

OH

OH O^- O

OH OH - OH^- H

O

OH CH₂

O^-

OH

Versuch 1 - Bakelit

O

O

O O

O O

O

H

H

H H

H

H H

H

O^- OH

OH OH

O OH

OH OH

CH₂

O

H H

- OH^-

Bakelit

• der hohe Vernetzungsgrad bedingt die Widerstandsfähigkeit dieses Duroplasten

• früher: Isolatoren für Hochspannungsleitungen, Aschenbecher, ...

• heute: mechanische und thermische Belastbarkeit, Brandresistenz, chemische Beständigkeit  Schleifscheiben, elektrische Isolatoren, flammenhemmende Bindemittel in Schaumstoffen

Abb. 6: Fernsprech- apparat W48

Abb. 5: Schaltersystem aus Bakelit

Plexiglas

Polymethylmethacrylat (PMMA)

• amorpher, thermoplastischer Kunststoff

• glasklar, witterungsbeständig, hart, leicht

• 1928 von Otto Röhm patentiert und seit 1933 industriell produziert

• sehr gute optische Eigenschaften führen zur Verwendung als Lupen, Prismen und Linsen (bereits 1933)

• beständig gegen die meisten Chemikalien

• brennbar, wobei ein süßlicher fruchtiger Geruch entsteht

Demonstration 1 - PMMA

Polymethylmethacrylat

• industrielle Herstellung nur durch radikalische Polymerisation von Methylmethacrylat

• Bildung des Startradikals durch Erwärmen

O O

O O

O

2 O 2 + ^C

O

O

2



Polymethylmethacrylat

•

Kettenstart

•

Fortpflanzung

C

H₂ CH₃ O O

CH₃

+

C

CH₃ O O

CH₃

C O O

CH₃

C

H₃ H₃C H₃C O O

CH₃

O O CH₃

O O CH₃

CH₃ C

CH₃ O O

CH₃

+

C

H₂ CH₃ O O

CH₃

Polymethylmethacrylat

• Abbruchreaktionen

–

Rekombinationen

–

Disproportionierung

R¹ C

CH₃ O O

CH₃

R² C C H₃

O O

CH₃

+

O CH₃

C H₃

O CH₃

CH₃ O O

R¹ R²

C O O

CH₃

O O CH₃

C

O O

CH₃

O O

CH₃

O O CH₃

O O CH₃

O O

CH₃

O O

CH₃

+

Polymethylmethacrylat

• Änderung der Eigenschaften durch Einbau anderer Grundbausteine (  Copolymere)

– mit < 10 Massenprozent Butylacrylat ergibt sich schlagfestes PMMA

• auch reines PMMA besitzt bereits eine sechsmal höhere Schlagzähigkeit als Glas bei einem

deutlich geringeren Gewicht

C H₂

O CH₃

O

Industrieübergreifendes Polymer

• Copolymerisate von PMMA sind relativ teuer und werden nur dort eingesetzt, wo die

Qualität entscheidend ist

– Verglasung von Flugzeugen, Aquarienschaufenster

• homopolymeres PMMA: Brillengläser, Autoleuchten, Rohre in der Getränkeindustrie

Abb. 7: Schaufenster Monterrey Bay Aquarium

Verpackungs- und Lebensmittelindustrie

• Polymethylmethacrylat (PMMA): Rohre

• Polyethylentherephthalat (PET): Getränkeflaschen

• Polytetrafluorethylen (PTFE):

Pfannenbeschichtungen (Teflon)

• Polystyrol (PS): Joghurtbecher und

Verpackungsmaterial (Styropor)

Versuch 2 - Styropor aus Joghurtbechern

• Gleiches löst sich in gleichem: Polystyrol und Essigsäureethylester sind unpolar

• in Pentan erfolgt Agglomeration

• Pentan dringt in die Zwischenräume ein und umgibt die Polymerketten vollständig

C

H₃ O O

CH₃

H H H H

Versuch 2 - Styropor aus Joghurtbechern

• Erhitzen des Agglomerats führt zur Verdampfung von Pentan (Sdp.: 36 °C) und Aufblähung des Polystyrols

• 1839 von Eduard Simon als unvorhergesehenes

Polymerisationsprodukt von Styrol (aus dem Storax- Baum) entdeckt

• Erst 1931 von I.G. Farben großtechnisch produziert

Polystyrol

•

Radikalische Polymerisation von Styrol

CH

+

C H₂

+

C H₂

CH CH

H H H H

Polystyrol

• Statischer Mischer

Abb. 8: Statischer Mischer

Polystyrol

• harter, glasklarer und spröder Kunststoff

• problemlose Verarbeitung (Thermoformen) und günstiger Preis:

– Elektro- und Automobiltechnik, Haushalts- und

Spielzeugartikel, (Lebensmittel-) Verpackungen, etc.

Abb. 9: Polystyrol- granulat

Biopolymere in der Industrie

• z.B. Stärke, DNA, Naturkautschuk

• Stärke: Homoglykan mit zwei Strukturformen

– Amylose (20-30 %), Helix – Amylopektin (70-80 %),

stark verzweigte Struktur

Abb. 10: Amylose (links)

Versuch 3 - Essbares Einweggeschirr

• Stärke und Mehl wirken als Superabsorber und Verdickungsmittel, d.h. sie nehmen

Wasser auf und binden es in ihren Strukturen

 Erhöhung der Viskosität

• beim Erhitzen siedet das Wasser und die

Masse quillt auf, wird gelartig und erstarrt

beim Abkühlen

Versuch 3 - Essbares Einweggeschirr

• die Blasen entstehen durch die thermische Zersetzung von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO

):

2 NaHCO

 Na

CO

+ CO

 + H

O

Essbares Einweggeschirr

• Einweggeschirr aus Stärke ist biologisch abbaubar und schont somit die Umwelt mehr als Kunststoff- oder

Pappteller etc.

• Entsorgung durch Verbrennung, Kompostierung, Biovergasung, evtl. Tierfutter

• es kann auch verzehrt

werden, besitzt aber häufig keinen Eigengeschmack

Medizintechnik

• Forschung begann gegen Ende des zweiten Weltkriegs aufgrund geringer Antireaktionen auf Kriegswunden mit Kunststoffsplittern

• biostabile Prothesen/Implantate

– Kunststoffzähne, die mit zahnfleischfarbenem Kunststoff verbunden sind

• chirurgisches Nahtmaterial & Klebstoffe für Wunden

– leicht aufzutragen und versiegelt innerhalb von Sekunden ohne Anästhesie

Versuch 4 - Drug delivery system

• Aspirin wird aus dem Haupt- wirkstoff (Acetylsalicylsäure) und Zusatzstoffen zu

Tabletten gepresst

• polare Verbindung  wasserlöslich durch

Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen

O CH₃ O

OH O

Drug delivery system

• Acetylsalicylsäure kann Magengeschwüre und schwere Magenblutungen verursachen, die im schlimmsten Fall den Tode herbeiführen

• Trägermaterialien für Pharmaka gesucht, die den Wirkstoff nur an bestimmten Zielorten freisetzen  magensaftresistente Überzüge

• Hydrogele als pH-responsive Aktuatoren, d.h. zur pH- abhängigen Steuerung von Flüssen durch Mikrokanäle

Drug delivery system

• Polymere mit Carboxygruppen  pH-abhängiges Löseverhalten

– sie gehen bei pH > 6 in die lösliche Salzform über

• z.B. superabsorbierende Polymere der Acrylsäure

O OH

C H₂

Drug delivery system

•

Deprotonierung der Polyacrylsäure

•

Modelldarstellung

O OH

n

+ ^NaOH _{- H}

2O

O^- O

n

Na⁺

Abb. 12: Gestreckte Polyacrylsäure Abb. 13: Geknäulte

Drug delivery system

• vernetzte Polyacrylsäure knäult sich nicht zusammen und kann bis 1000 g Wasser

pro Gramm Polymer aufnehmen

• Aspirin protect kontrahiert im Magen (saures Milieu) und quillt erst im Darm auf (basisches Milieu)

• die Polymerschicht wird dann durchlässig für den Wirkstoff, bleibt aber selbst als Schicht stabil

C H₂

O

O O

O

CH₂ Ethylenglycoldiacrylat

Elektrotechnik

• Polymere Werkstoffe wurden früher nur als Isolatoren genutzt, z.B. Bakelit

• heute: Einsatz in Batterien/Akkumulatoren, Solarzellen

• Vorteile gegenüber den metallischen Leitern und Halbleitern:

preiswertere Herstellung, geringes Gewicht, bessere Formungsmöglichkeiten, höhere Leistungsfähigkeit

• Nachteile: weder chemisch so stabil noch eine ähnliche Langlebigkeit

Elektrotechnik

Abb. 14: Leitfähigkeiten

cis-Polyacetylen

N H

N H

N H

N H

Undotiertes Polypyrrol

Demonstration 2 -Leitfähige Polymere

Polypyrrol

• Anodische Oxidation zu Pyrrolradikalen

N H

+ ^e-

N H

N H N

H

N H N

H N

H

N H

+

N H

N H N

H

N H H H

+ ^{2 H+}

Polypyrrol

• bei pH ≥ 7 entsteht durch die Deprotonierung des Stickstoffatoms eine isolierende Polypyrrolfolie

Dotiertes Polypyrrol

Cl O O

O O^-

Cl O O^-

O O

Cl O O^-

O O N

H

+

N H

N H

N H

+

N H

N H

N H

+

N

H n

Leitfähige Polymere

• Polypyrrol

– leitfähige Textilien, z.B. Socken für amerikanische Soldaten die sich bei 10-12 V aufheizen

• Polyanilin

– Überzug auf amerikanischen Stealth-Jets, die die ausgesandten Mikrowellen komplett absorbieren

• Poly(phenylenvinylen) (grün), Polythiopen (rot) und Polyfluoren (blau)

– OLEDs (Organic Light Emmitting Diodes): leuchtkräftige Displays mit geringem Stromverbrauch, hoher Leuchtkraft und

Unabhängigkeit vom Blickwinkel

Zurück zum drug delivery system

Schauen wir mal nach, wie es unserer

Aspirin protect mittlerweile ergangen ist...

Abb. 15: Aspirin protect

Bauindustrie

• Bindemittel/Dispersionpulver für Dichtmassen und Mörtel

• Rohre (PVC)

• Fenster (Plexiglas)

• Abdichtungen/Klebstoffe

• Wärmedämmung

Demonstration 3 - Polyurethanschaum

Demonstration 3 - Polyurethanschaum

•

Polyadditionsreaktion

N N

1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan

+ ^{H O R1 OH}

+ ^- N

N

O C N N C O

Diphenylmethan-diisocyanat

Demonstration 3 - Polyurethanschaum

+

N N

O

H R¹ O C O

N R² N C O H

Urethanbindung N

N

H O⁺ C

O N^- R² N C O R¹

O H

Versuch 5 - Wärmedämmung

• Temperaturmessung in den Suppendosen

• wärmeisolierende Eigenschaft aufgrund der zahlreichen Lufteinschlüsse

• Gase sind generell schlechte Wärmeleiter

• die vielen Poren im PU-Schaum verhindern ein Zirkulieren der Luft und begünstigen die

Wärmeisolierung

Schulrelevanz

• Grund- und Leistungskurse der Qualifikationsphase 4

• Wahlthema Angewandte Chemie

– Unterthema „Werkstoffe“, natürliche und synthetische Makromoleküle

• Inhalte:

– Klassifizierung – Reaktionstypen

– Großtechnische Herstellung

– Polymer mit besonderen Eigenschaften

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1-3: https://www.fh-muenster.de/fb3/downloads/werkstofftechnik/Kunststoffanwendungen/KmK_2__

Herstellung-Aufbau-Zusammensetzung-Einteilung.pdf

Abb. 4: http://www.kunststoff-schweiz.ch/assets/images/Bakelizer.jpg Abb. 5: http://www.replicata.de/bilder/produkte/431000000B.jpg

Abb. 6: http://images.manufactum.de/manufactum/grossbild/82985_1.jpg

Abb. 7: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/pmma/transparent2schu.jpg Abb. 8: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/polystyrol.

vlu/Page/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/herstellung_von_standard_ps/herstellung _von_standard_ps.vscml.html

Abb. 9: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/

aufarbeitung_standard_ps/medien/granulat.jpg

Abb. 10: http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/amylose.jpg Abb. 11: http://www.hermsen.de/shop/media/81010037.jpg

Abb. 12: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acrylsaeure/

polyelektrolyt.png

Abb. 13: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acrylsaeure/polysalz.png Abb. 14: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acetylen/leitfaehig.gif

Literaturverzeichnis

• Brandl, H.; Kabuß, S.:Herstellung eines Fluoreszenz-Solarkollektors. In: Praxis der Naturwissenschaften, 6/37, S. 24ff. 1988.

• Brückner, R.: Reaktionsmechanismen. 3. Auflage. Spektrum Verlag. 2004.

• Bruice, P: Organische Chemie. 5. aktualisierte Auflage. Pearson. 2009.

• Burgemeister, S.: Kunststoffe. Zu finden unter URL:

http://www.chids.de/dachs/expvortr/671Kunststoffe_Burgemeister.doc. Letzter Zugriff am 09.06.2010.

• Büttner, M.; Wagner, G.: Herstellung von essbarem Einweggeschirr. Zu finden als Downloadmaterial unter URL: http://www.friedrich-

verlag.de/go/?action=ShowProd&prod_uuid=ADF0893F5DF74A3FB484CBFBB28C22F4.

Letzter Zugriff am 09.06.2010.

• Flintjer, B.; Jansen, W.: Polypyrrol und Polypyrrol-Batterien. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie. 3/38, S. 7-11. 1989

• Hessisches Kultusministerium. Lehrplan Chemie für die Jahrgangsstufen G7 bis G12. 2005. Zu finden unter URL:

http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b43019a-8cc6-1811-f3ef- ef91921321b2. Letzter Zugriff am 13.06.2010.

Literaturverzeichnis

• Köhler-Krützfeldt, A.: Fortschritt durch Polymere. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie. 5/51, S. 2-5. 2002.

• Kühn, I.: Herstellung von essbarem Einweggeschirr. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 9, Heft 45, S. 55-56. 1998.

• Lechner, M.D.: Makromolekulare Chemie. 4. überarbeitete Auflage. Birkhäuser. 2009.

• Rickelt, E.: Lehrerfortbildung - Kunststoffmüll. S. 21f. Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie. 1998.

• Rickelt, E.: Polymerisation von Methacrylsäureester (Plexiglas). Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie.

• Rickelt, E.: Polyurethan auf Lignin-Basis. Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie.

• Kunststoff-Schweiz: Kunststoff - Geschichte. Zu finden unter URL: http://www.kunststoff- schweiz.ch/html/2__seite.html. Letzter zugriff am 14.06.2010.

Ende!

Vielen Dank für die

Aufmerksamkeit!