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-66123 Saarbrücken Tel: +49(0)681-302-2749 Fax: +49(0)681-302-2029 e-mail: anspeich@mx.uni-saarland.de http://www.uni-saarland.de/fak8/speicher click: Lehre 1
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
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
Anwendungen: Verpackungen Textilindustrie Haushaltsartikel Unterhaltungstechnik Automobilbau Baustoffe Medizintechnik. Kunststoffe sind allgegenwärtig! 4
2. Kunststoffe aus Erdöl!? Petrochemie Grundstoffindustrie Organische Chemie 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
Kunststoffe = Polymere! wie herstellen? Homopolymere Grundstoffe: Monomere Polymerisation Polymere Variation durch Wahl der Monomere oder Mischung verschiedener Monomere: Copolymere Modifizierung: Kettenlänge Verzweigung Vernetzung 8
3. Kunststoffe (Polymere) durch Polyaddition: Ethylen Polyethylen (PE) 10
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
Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (1) Schäume: Styropor : Schäumung mit Gasen; früher FCKW, heute: Pentan u.a. Styrodur : Hartschaum 12
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
Kunststoffe als Giftquelle?? Weichmacher: 14
(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
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
Sekundenkleber : Monomer: Cyanacrylat Initiierung der Polymerisation durch Luftfeuchte 19
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
Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (6) Copolymere für besondere technische Anforderungen: schlagfest thermisch beständig hervorragende Oberflächenbeschaffenheit 21
Kunststoffe - Modifikation der Eigenschaften: (7) Besondere technische Anforderungen: Superabsorber Aufsaugen von Wasser bis 1 Liter pro Gramm gelartige Konsistenz trocken druckstabil 22
Die Nylontüte ist aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP)!! Was aber ist Nylon?? 24
4. Kunststoffe (Polymere) durch Polykondensation: Veresterung: Polyester durch Polykondensation: 26
Polyester durch Polykondensation: Polyethylenterephthalat (PET) Kunststoffe als Müll?? 27
Polyester: Polylactide Biologischer Abbau: Wochen 28
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
Versuch: Nylonseil Polyamid 6.10 30
Kunststoffe : Die Natur als Vorbild! Seide ist ein natürliches Protein und ebenfalls ein Polyamid!!! aus Aminocarbonsäuren 33
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
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
Lösungen?? Erschließung neuer Rohstoffe neue Verfahren zur Rohstoffveredelung Nachwachsende Rohstoffe Recycling, verantwortungsbewusster Umgang Getreide / Zucker Pflanzenöle Fragen? 37
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
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
Thermoplaste Duroplaste nicht verzweigt, nicht vernetzt, amorph nicht vernetzt, teilkristallin Elastomere vernetzt, nicht kristallin schwach vernetzt, verknäuelt, teilkristallin 42
Polyester: Polycarbonate = Diester der Kohlensäure 44
Polyamid 6: Perlon (IG Farben Berlin 1938) 45
aromatische Polyamide: Polyaramide Kevlar (DuPont); Vectra (Hoechst Celanese) 46
Weitere Polymere durch Polyaddition: Polyurethane (PU) 47
Polymere durch Polyaddition: Polyharnstoffe Beschichtungen, z.b. Laminat, Möbelplatten 50
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