Kunststoffe im Abi

Kunststoffe bestehen aus vielen Monomeren. Zusammen bilden sie große Makromoleküle (Polymere). Das Wichtigste bei Kunststoffen ist die

• Struktur (Thermoplast, Duroplast, Elastomer)
• Synthese (Kettenwachstumspolymerisation, Polykondensation, Polyaddition)

Struktur der Polymere

Thermoplasten

Die einfachsten Polymere sind die Thermoplasten. Hier hast du nur lange Ketten, an denen nichts dran hängt.

Die Ketten können dann untereinander intermolekulare (inter, da zwischen den Ketten) Wechselwirkungen ausüben.

Die wichtigsten Wechselwirkungen sind die:

• Van-der-Waals-Wechselwirkungen
• Wasserstoffbrücken-Bindungen

Da diese Wechselwirkungen nicht so stark sind, können sie durch ein Erhitzen aufgebrochen werden. Das heißt einfach nur, wenn du das Polymer warm machst, schmilzt es vor sich hin und kann in eine neue Form gebracht werden.

Du musst aber beachten, dass Thermoplasten normalerweise keinen Schmelzpunkt, sondern einen Schmelzbereich haben. Das kommt daher, dass die Ketten unterschiedlich lang sind.

Duroplast

Bei einem Duroplasten handelt es sich um viele einzelne Polymerketten, die wiederum durch andere Ketten miteinander verknüpft sind.

Das heißt, du hast einen hohen Vernetzungsgrad.

Dadurch, dass hier so viele Ketten miteinander verbunden sind, hast du ein einziges großes Molekül (z.B. einen Föhn).

Durch die hohe Vernetzung sind Duroplasten außerdem besonders starr und können nicht wieder eingeschmolzen werden.

Elastomer

Bei einem Elastomer hast du Polymerketten, die nicht so stark vernetzt sind. Das heißt, dass du eigentlich ein weitmaschiges Netz hast.

Der Vorteil hier ist, dass du die Maschen etwas auseinander ziehen kannst, wodurch das Elastomer gestreckt werden kann. Sobald man das Elastomer wieder loslässt, erhält es wieder seine Grundform.

Auf einer molekularen Sicht, wird das Polymer durch intramolekulare Wechselwirkungen (intra, da wir ein Molekül haben) also Wasserstoffbrückenbindungen oder Van-der-Vaals-Wechselwirkungen geknäult.

Indem du das Polymer auseinander ziehst, werden also die intramolekularen Wechselwirkungen aufgebrochen und das Polymer verlängert sich. Wenn du dann das Polymer loslässt, bilden sich neue intramolekulare Wechselwirkungen aus. Dadurch verknäult sich das Polymer wieder.

Synthese von Polymeren

Kettenwachstumspolymerisation

Hier werden die

• radikalische Polymerisation
• anionische Polymerisation
• kationische Polymerisation

zusammengefasst.

Stellvertretend wird die radikalische Polymerisation vorgestellt. Jedoch können anstatt von Radikalen genauso auch Anionen oder Kationen vorliegen.

Die würden dann genauso polymerisieren wie die Radikale.

Die Reaktion läuft in mehreren Schritten ab:

• Zerfallsreaktion (Entstehung von Radikalen)
• Wachstumsreaktion (Bildung von Polymerketten)
• Abbruchreaktion (Reaktion von 2 Radikalen)

Zerfallsreaktion

Bei der Zerfallsreaktion (auch Startreaktion) werden Radikale gebildet.

Das passiert normalerweise, indem du einen Initiator (In) in zwei Radikale (\text{R}\cdot$\text{R}\cdot$) zerfallen lässt.

\text{In} \xrightarrow{} 2 \text{ R} \cdot$\text{In} \xrightarrow{} 2 \text{ R} \cdot$

Anschließend reagiert das Radikal mit einem Monomer.

Dadurch geht der Initiator eine Bindung ein und am Monomer ensteht ein Radikal.

\text{R} \cdot + \text{M} \xrightarrow{} \text{R} – \text{M} \cdot$\text{R} \cdot + \text{M} \xrightarrow{} \text{R} – \text{M} \cdot$

Wachstumsreaktion

Anschließend wiederholt sich die Reaktion mit weiteren Monomeren n Mal. Dadurch wird eine Kette mit einer Länge von n Monomeren gebildet.

\text{R} – \text{M} \cdot + \text{n} \ \text{M} \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} \cdot$\text{R} – \text{M} \cdot + \text{n} \ \text{M} \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} \cdot$

Abbruchreaktion

Zum Schluss wird die Reaktion abgebrochen. Hier gibt es 3 Möglichkeiten:

• Rekombination (Bildung von einer Kette aus zwei Kettenradikalen)
• Disproportionierung (Übertragung von einem H zwischen zwei Kettenradikalen)
• Reaktion mit Initiatorradikal (Kettenradikal und Initiator)

Rekombination

Hier reagieren 2 Polymerketten mit einem Radikal zu einer langen Kette.

\text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} \cdot + \cdot \text{M} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{R} \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} – \text{M} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{R}$\text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} \cdot + \cdot \text{M} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{R} \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} – \text{M} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{R}$

Disproportionierung

Hier reagieren ebenfalls zwei Polymerketten. Wobei ein Wasserstoffatom auf eine Kette übertragen wird.

Dadurch entsteht bei der einen Kette eine Doppelbindung. Bei der anderen Kette lagert sich das Wasserstoffatom dort an, wo vorher das Radikal war.

\text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} – \text{M} \cdot + \text{R} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{M} \cdot \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} = \text{M} + \text{M} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{R}$\text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} – \text{M} \cdot + \text{R} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{M} \cdot \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} = \text{M} + \text{M} – [\text{M}]_{\text{m}} – \text{R}$

Reaktion mit dem Initiator

Bei der letzten Reaktion hat man die Reaktion von einem Initiator-Radikal mit einem Kettenradikal.

\text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} \cdot + \cdot \text{R} \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} – \text{R}$\text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} \cdot + \cdot \text{R} \xrightarrow{} \text{R} – [\text{M}]_{\text{n}} – \text{M} – \text{R}$

Polykondensation

Bei der Polykondensation hat man zwei verschiedene Monomere, die zusammen ein Kondensat (normalerweise Wasser oder Chlorwasserstoff) abspalten.

Dadurch gehen die Monomere eine Bindung ein.

Da jedes Monomer die funktionelle Gruppe für die Bindung zweimal besitzt, kann sich dadurch eine Polymerkette bilden.

Zum Beispiel reagieren bei dem Polymer Nylon 6,6 die Monomere 1,6-Hexandiamin und 1,6-Hexancarbonsäure miteinander, indem sie Wasser abspalten.

Polyaddition

Bei der Polyaddition hast du ein Monomer mit einer Doppelbindung und ein anderes Monomer als Elektrophil, was die Doppelbindung angreift.

Das beste Beispiel hierfür ist die Herstellung von Polyurethanen mithilfe der Polyaddition von einem Isocyanat (-N=C=O) als Monomer und einem anderen Monomer als Alkohol.