Prof. Dr. Andreas Speicher

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1 BSc Plus MINT: Ringvorlesung Forschung in Natur- und Ingenieurwissenschaften Die Chemie der Kunststoffe Prof. Dr. Andreas Speicher Universität des Saarlandes Organische Chemie Universität des Saarlandes Campus Saarbrücken Universität, Gebäude C4 2 D Saarbrücken Tel: +49(0) Fax: +49(0) anspeich@mx.uni-saarland.de click: Lehre 1

2 Die Chemie der Kunststoffe 1. Was sind Kunststoffe? 2. Kunststoffe aus Erdöl!? 3. Kunststoffe als Polymere durch Polyaddition Vinylpolymere Modifikation der Eigenschaften 4. Kunststoffe durch Polykondensation 5. Die Zukunft der Kunststoffe 6. Physikalische Eigenschaften von Kunststoffen 7. Weitere Typen von Kunststoffen 2

3 1. Was sind Kunststoffe? Kunststoffe: künstlich ( chemisch ) hergestellt Plastik leicht formbar elastisch empfindlich Verpackungen Abfall Umweltverschmutzung grüner Punkt billig natürliche Materialien: Gestein, Mineralstoffe, Metall, Holz Baumwolle, Seide, Jute, Sisal. 3

4 Anwendungen: Verpackungen Textilindustrie Haushaltsartikel Unterhaltungstechnik Automobilbau Baustoffe Medizintechnik. Kunststoffe sind allgegenwärtig! 4

5 2. Kunststoffe aus Erdöl!? Petrochemie Grundstoffindustrie Organische Chemie 6

6 Die einfachsten Kunststoffe: Kohlenwasserstoffe; Alkane: C n H 2n+2 gasförmig Brenngase flüssig Lösemittel, Treibstoffe allgemein: Polymer ggf. als Kunststoff geeignet fest, wachsartig 7

7 Kunststoffe = Polymere! wie herstellen? Homopolymere Grundstoffe: Monomere Polymerisation Polymere Variation durch Wahl der Monomere oder Mischung verschiedener Monomere: Copolymere Modifizierung: Kettenlänge Verzweigung Vernetzung 8

8 3. Kunststoffe (Polymere) durch Polyaddition: Ethylen Polyethylen (PE) 10

9 Variation des Monomers: neue Eigenschaften Vinylrest Vinylpolymere R = Monomer Name Kürzel Recycling Bsp. Verwendung z. B. H Eth(yl)en Polyethylen PE Folien, Tüten, Verpackungen, Rohre.. CH 3 Prop(yl)en Polypropylen PP dto, Fasern, Ph Styrol Polystyrol PS Styropor Styrodur Cl Vinylchlorid Polyvinylchlorid PVC Gehäuse, Spritzgusserzeugnisse, Verpackungen, Isolierung/Dämmung hart: Rohre, Platten weich: Folien, Kunstleder, Isoliermaterial CN Acrylnitril Polyacrylnitril PAN Fasern OAc Vinylacetat Polyvinylacetat PVAC wässrige Anstrichfarben Klebstoffe 11

10 Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (1) Schäume: Styropor : Schäumung mit Gasen; früher FCKW, heute: Pentan u.a. Styrodur : Hartschaum 12

11 Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (2) Zusatz von Weichmachern, z. B. zu Polyvinylchlorid (PVC): Weichmacher: zähflüssige organische Substanzen Gleitmittel zwischen den Polymerketten Weich-PVC 12-60% Verpackung, Kunstleder, Schläuche, Kabel, Kinderspielzeug, Hart-PVC: 0-12% Abflussrohre, Fenster, Rollladen, Kabelrohre Fußbodenbeläge, 13

12 Kunststoffe als Giftquelle?? Weichmacher: 14

13 (3) Transparenz Prof. Dr. Andreas Speicher Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: PMMA, Plexiglas transparent witterungsbeständig oberflächenhart Münchner Olympiadach 33 cm Fenster (Monterrey Bay Aquarium in Kalifornien) 15

14 Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (4) Klebstoffe: Prinzipien: Copolymere Vermischen der Komponenten kurze Ketten lange Polymerketten Polymerketten Vernetzung Realisierung: Einkomponenten: Härtung an der Luft oder mit Feuchtigkeit Zweikomponenten: 1. Monomere, 2. Starterlösung 18

15 Sekundenkleber : Monomer: Cyanacrylat Initiierung der Polymerisation durch Luftfeuchte 19

16 Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (5) Besondere technische Anforderungen: Tetrafluorethylen Polytetrafluorethylen: Teflon nicht brennbar, nicht benetzbar, wenig Reibung hochkristallin, hochfest Pulverbeschichtung temperatur-, witterungs-, chemikalienbeständig Dichtungen, Schläuche verstreckbar (Hochleistungsfasern) Funktionsbekleidung 20

17 Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (6) Copolymere für besondere technische Anforderungen: schlagfest thermisch beständig hervorragende Oberflächenbeschaffenheit 21

18 Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (7) Besondere technische Anforderungen: Superabsorber Aufsaugen von Wasser bis 1 Liter pro Gramm gelartige Konsistenz trocken druckstabil 22

19 Die Nylontüte ist aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP)!! Was aber ist Nylon?? 24

20 4. Kunststoffe (Polymere) durch Polykondensation: Veresterung: Polyester durch Polykondensation: 26

21 Polyester durch Polykondensation: Polyethylenterephthalat (PET) Kunststoffe als Müll?? 27

22 Polyester: Polylactide Biologischer Abbau: Wochen 28

23 Polyamide durch Polykondensation: Polyamid 6.6: Nylon DuPont 1935 Nylon-Boom in USA: Im Mai 1940 wurden innerhalb von vier Tagen vier Millionen Paar verkauft! 29

24 Versuch: Nylonseil Polyamid

25 Kunststoffe : Die Natur als Vorbild! Seide ist ein natürliches Protein und ebenfalls ein Polyamid!!! aus Aminocarbonsäuren 33

26 5. Die Zukunft der Kunststoffe: Der Bedarf wird weiter steigen!! verbesserte Kunststoffe für bekannte Anwendungen Hochleistungskunststoffe Verbundwerkstoffe elektrisch leitfähige Polymere organische Leuchtdioden (OLEDs) Sandwich-Platten System Innenseite Aussenseite Stahl Platten Polyurethan - Kern 35

27 Kunststoffe + noch gut verfügbar und billig leicht leicht zu verarbeiten enorm vielseitig neue Entwicklungen und Anwendungen Recycling möglich Verschwendung von knappen Rohstoffen Müllberge Umweltverschmutzung Gifte in Kunststoffen: Weichmacher, Reste von Monomeren Mikroverschmutzung z.b. der Weltmeere 36

28 Lösungen?? Erschließung neuer Rohstoffe neue Verfahren zur Rohstoffveredelung Nachwachsende Rohstoffe Recycling, verantwortungsbewusster Umgang Getreide / Zucker Pflanzenöle Fragen? 37

29 6. Physikalische Eigenschaften von Kunststoffen Eigenschaft Einheit Glastemperatur C Schmelztemperatur C Dauerstandtemperatur C Zugmodul N/mm 2 (MPa) Zugfestigkeit N/mm 2 (MPa) Reißdehnung % Kerbschlagzähigkeit kj/m 2 Dielektrischer Verlust 10-3 Durchschlagfestigkeit kv/mm Wasserabsorption % Permeation von Gasen Thermoplaste und Duroplaste Elastomere 40

30 Physikalische Eigenschaften von Kunststoffen Zugfestigkeit Durchschlagfestigkeit Temperaturverhalten Wasserabsorption Gasdurchlässigkeit Duroplaste Elastomere spröde spröde Gebrauchsbereich glasartig spröde Gebrauchsbereich gummielastisch Glastemperatur Thermoplaste Glastemperatur Gebrauchsbereich Erweichungsbereich Schmelze, zähflüssig Wasser Kristall (Eis) Flüssigkeit Dampf Zersetzung Zersetzung Zersetzung Temperatur 41

31 Thermoplaste Duroplaste nicht verzweigt, nicht vernetzt, amorph nicht vernetzt, teilkristallin Elastomere vernetzt, nicht kristallin schwach vernetzt, verknäuelt, teilkristallin 42

32 Polyester: Polycarbonate = Diester der Kohlensäure 44

33 Polyamid 6: Perlon (IG Farben Berlin 1938) 45

34 aromatische Polyamide: Polyaramide Kevlar (DuPont); Vectra (Hoechst Celanese) 46

35 Weitere Polymere durch Polyaddition: Polyurethane (PU) 47

36 Polymere durch Polyaddition: Polyharnstoffe Beschichtungen, z.b. Laminat, Möbelplatten 50

37 Silicone Silikonöle Silikonfette Silikonkleber, Fugenfüller Silikonlacke Silikonelastomere Vorteile: Breiter Temperaturbereich -100 bis +180 C hoch elastisch, kein Weichmacher nötig sehr gute Witterungs- und UV-Beständigkeit 51