Kunststo Kunststo ffeffe

Kunststo Kunststo

ffe ffe

Referent: Stefan Burgemeister

Datum: Donnerstag, 10.07.2003

16

– 17

Uhr

"Physik ist, wenn es nicht

gelingt; Chemie ist, wenn es

kracht und stinkt"

Gliederung

 Ein feuriger Beginn

Celluloid (Demo 1)

 Grundlegende Kunststoffsynthesen und Strukturen

Bakelit – der 1. vollsynthetische Kunststof (Versuch 1, Demo 2)

Vom Polystyrol zum Styropor (Versuch 2a und 2b) Der Universalkunststof Polyurethan (Versuch 3) Verbrauch und Verwendung von Kunststofen

 Additive in Kunststoffen (Versuch 4)

 Kunststoffmüll

Recycling einer PET-Flasche (Versuch 5)

Reduktion von Metalloxiden mit PE (Versuch 6)

Ein feuriger Beginn

 „Kunststofe sind makromolekulare organische Werkstofe, die durch

Umwandlung von Naturprodukten oder aus niedermolekularen Stofen

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 O

H H

O

OH H

O

Grundlegende Synthesen und Strukturen

 1907: Bakelit, der erste vollsynthetischen

Kunststoff (Versuch 1)

Reaktionsmechanismus: eine

Polykondensation^{OH O O O O}

OH OH OH OH OH

+ H₂O

H₂O

- H₂O -^OH

”

”

”

”

”

OH

- H₂O

O C H

H

O

OH

” _O

OH H₂C



O O O

OH OH

OH C H

H

O

OH

H O

OH H

OH

OH

OH

OH

OH

OH OH

OH CH₂OH

OH

OH

HO OH O CH₂

+ n H₂O + ^”

” ”

OH

OH

OH

OH OH

OH

HO OH OH OH

OH OH

 Bakelit – Beispiel eines Duroplasten Struktur

 Vernetzungsgrad

Eigenschaften

chemisch und thermisch sehr widerstandsfähig

N N HO₃S

OH

O

HO OH

OH

OH H

N

HO₃S N

 Verwendung als Ionenaustauscher (Demonstration 2)

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

+ +

NH₂ HO₃S

OH

OH

OH

OH

HO OH

Cl^-

- HCl

+ 4 H₂O

N N HO₃S

OH

OH

HO OH

OH

OH

 Vom Polystyrol zum Styropor (Versuch 2)

Reaktionsmechanismus: eine radikalische

Polymerisation

1. Bildung der Startradikale _O

O

O O

O

O

 2 

Dibenzoylperox id



Phenylradi kal

C C H H

H

2. Kettenstart

3. Kettenwachstum

 + 

+ 

 ^{C C}

H

H

H

C C H

H

H

C C H H

H

C C H H

H

C C H

H H

C H

C C H

H

H

C C H C

C 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 C R

H

H

C C H

H H

 + 

n

n m

m

A

B

C H C R

H

H

C C H

H H



n

+ R ^C

H C C

H H C

H R

H

H

R

n

C

C H C C

H H C

H R

H

H



n

2

C H C C

H H C

H R

H

H

H C

H C C

H C

H R

H

+ H

Disprop.

n n

 Polystyrol – Beispiel eines Thermoplasten

Struktur

^ Polymerisationsgrad

amorph teilkrista

llin

Eigenschaften

Erweichen beim Erwärmen

Erhöhung der Kristallinität bewirkt

 eine Zunahme der Dichte und der Festigkeit  eine Abnahme des Verformungsvermögens und der Transparenz

Mit 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 Polyaddition

Funktion des Aktivators

N N

C

O C

O

O O

H H

Diphenylmethan-4, 4- diisocyanat

Ethylengly kol

⁺  ^- ⁺  ^-

N H O R OH

Triethylam in

Reaktion des Dialkohols mit Diisocyanat

N H O R OH

O C N R' N C O

O 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

C O

H N

R'

N C O

R' N C O ^{R' N C}

H

O

OH

R NH₂

+ H₂O + CO₂

R' N C O R O

C

O N

R'

N C O H

 Polyurethan – Beispiel eines Elastomers Struktur

 Vernetzungsgrad

Eigenschaften

Bei Raumtemperatur gummielastisch

Mit zunehmendem Vernetzungsgrad erhöht sich die Festigkeit und

Wärmeformbeständigkeit

Zwischenbilanz

 Kunststoffklassen Duroplaste:

stark vernetzt

chemisch und thermisch widerstandsfähig

Thermoplaste:

unvernetzt

plastisch, in der Wärme verformbar

Elastomere:

schwach vernetzt gummielastisch

 Reaktionsmechanismen

Verbrauch und Verwendung von Kunststoffen

 Weltverbrauch an Kunststoffen 2002 (Gesamtbedarf 210 Mio. t)

 Verwendung von Kunststoffen

Additive in Kunststoffen (Versuch 4)

Weichmacher Farbmittel

Flammschutzmittel Füllstoffe Gleit- und Trennmittel

Schlagzähmodifikatoren Stabilisatoren Treibmittel

 PVC-Additive

Produktgruppen Füllstoffe Weichmacher Stabilisatoren Pigmente

Fensterprofile 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 O_2(g)  2 CO_2(g) + HCl_(g) + H₂O

n

Produkt PVC-Gehalt Füllstoff-Gehalt Weichmacher-Gehalt

PVC-Schlauch 66 % - 30 %

PVC-Rohr 89 % 7 % -

H H

H H H

H H H H

H H

H H

Cl Cl

H Cl

H

Cl H

H Cl

H H

H H H

H H H H

H H

H H

Cl Cl

H Cl

H

Cl H

H Cl

 Funktionsweise von

Weichmachern

 Funktionsweise von Weichmachern

+ - + -

+ -

+ - - + - +

- +

- + - +

- + + - + -

+ - - +

O P O O O

CH₃ CH₃

CH₃

+ - + -

+ -

+ - - +

- +

- +

- + - +

- + + - + - - +

- +

 Funktionsweise von

Weichmachern

Trikresylphos phat

Kunststoffmüll

 Recycling einer PET-Flasche (Versuch 5)

C O

O

C O O

C C H

H H

H

O C O

C O O

C C H H

H H OH

+ ^OH 

+

C O

O

C C

C H

H H

H O C

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) C

O O

C C

C H

H H

H

O O O

+ H

HO

+ n OH

n

y x

O C C O C C

H

H H

H

O

O O C

O

Ethylenglyko l

”

C C

O O

O O

” ”

Na^ Na^

di-

Natriumterephthal at

 Reduktion von Metalloxiden mit PE (Versuch 6)

Cracken von PE: ^„C2H₄“_(s) 2 C_(s) + 2 H_2(g)

Reduktion von Eisen(III)-oxid:

^Fe2O_3(s) + 3 H_2(g)  2 Fe_(s) + 3 H₂O_(g)

C C H

H H

H

n

 Cracken

PE:

-2 +1 0 0

0

0

+3 +1

Schlussbetrachtung

 Bedeutung von Kunststoffen: Tendenz steigend

 Kunststoffe: ein Thema für die Schule