Unterrichtsreihe – Kunststoffe - Chempage.de
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<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
<strong>Unterrichtsreihe</strong><br />
Unterrichtskonzept zur Polymerchemie<br />
Jahrgangsstufe: 12/13<br />
- Grundlagen <strong>–</strong> Eigenschaften von <strong>Kunststoffe</strong>n <strong>–</strong> Experimente -<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 1 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Impressum:<br />
Titel: <strong>Kunststoffe</strong><br />
Autor: Michael Müller<br />
Bildmaterial: © [2002-2005] by <strong>Chempage</strong>.<strong>de</strong><br />
bei Fragen zu <strong>de</strong>m Skript wen<strong>de</strong>n Sie sich bitte an:<br />
michael.mueller@rwth-aachen.<strong>de</strong><br />
Das Skript ist auch als Druckversion erhältlich. Die<br />
Mappe enthält alle Kopiervorlagen sowie die Folien<br />
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bestellt wer<strong>de</strong>n. Bitte geben Sie in <strong>de</strong>r Betreffzeile <strong>de</strong>n<br />
Vermerk: Skript-Bestellung: <strong>Kunststoffe</strong> und vergessen<br />
Sie nicht Ihre Adresse anzugeben.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 2 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
A. Theoretischer Teil<br />
1. Thermoplaste Seite<br />
1.0.0 Allgemeine Eigenschaften <strong>de</strong>r Thermoplasten 5<br />
1.1.0 Polyolefine<br />
1.1.1 Polyethylen (hart) 6<br />
1.1.2 Polyethylen (weich) 7<br />
1.1.3 Polypropylen 8<br />
1.2.0 Styrol-Polymerisate<br />
1.2.1 Polystyrol 9<br />
1.2.2 Polystyrol-Schaum 10<br />
1.2.3 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer 11<br />
1.3.0 Halogenhaltige Polymerisate<br />
1.3.1 Polyvinylchlorid (hart) 12<br />
1.3.2 Polyvinylchlorid (weich) 13<br />
1.3.3 Polytetrafluoroethylen 14<br />
1.4.0 weiter Thermmoplaste<br />
1.4.1 Polymethycrylat 15<br />
1.5.0 Thermische Polymere mit gemischtem Kettenbau<br />
1.5.1 Cellulosepropionat 16<br />
1.5.2 Polycarbonat 17<br />
1.5.3 Polyamid 18<br />
1.5.4 Polyethylenterephthalat 19<br />
2. Duroplaste<br />
2.0.0 Allgemeine Eigenschaften <strong>de</strong>r Duroplasten 20<br />
2.1.0 Phenoplaste<br />
2.1.1 Phenolharz 21<br />
2.2.0 Aminoplaste<br />
2.2.1 Melamin-Schichtspressstoff 22<br />
2.3.0 Ungesättigte Polyesterharze<br />
2.3.1 Polyesterharz 23<br />
3. Elastomere<br />
3.0.0 Allgemeine Eigenschaften <strong>de</strong>r Elastomere 24<br />
3.1.0 Vernetzte Polyurethane<br />
3.1.1 Polyurethane, gummielsatisch 24<br />
3.1.2 Polyurethan-Schaum feinporig (weich) 25<br />
3.1.3 Polyurethan-Schaum feinporig (hart) 26<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 3 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
4. Silikone<br />
4.1.1 Silikonkautschuk 27<br />
5. Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
5.1 Polykon<strong>de</strong>nsation 28<br />
5.2 Polymerisation 28<br />
5.3 Polyaddition 28<br />
6. Verarbeitung <strong>de</strong>r <strong>Kunststoffe</strong> 29<br />
B. Praktischer Teil<br />
1. Versuche zur Charakterisierung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
1.1 Brennbarkeit 30<br />
1.2 Dichtebestimmung 31<br />
1.3 Wärmeleitfähigkeit 31<br />
1.4 Löslichkeit 32<br />
2. Versuche zur Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
2.1 Herstellung von Acrylglas 33<br />
2.2 Radikalische Polymerisation von Styrol 34<br />
2.3 Kationische Polymerisation von Styrol 35<br />
2.4 Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid 36<br />
2.5 Polykon<strong>de</strong>nsation von Glycerin mit Borsäure 37<br />
2.6 Herstellung von weich PVC 38<br />
2.7 Funktionsweise eines Superabsorbers 39<br />
3. Recycling von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
3.1 Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester 40<br />
3.2 Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse 41<br />
3.3 Recycling von Styropor 42<br />
C. Anhang: Kopiervorlagen<br />
Grundwissen: <strong>Kunststoffe</strong> 44<br />
Grundwissen: Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n 45<br />
Arbeitsanleitungen zu <strong>de</strong>n Versuchen 46<br />
D. Anhang: Folien 58<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 4 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
A) Theoretischer Teil<br />
In diesem Teil <strong>de</strong>s Skriptes sollen die theoretischen Grundlagen, sowie wichtige<br />
physikalische und chemische Eigenschaften verschiedner Polymere behan<strong>de</strong>lt<br />
wer<strong>de</strong>n. Der theoretische Teil glie<strong>de</strong>rt sich in 6 Kapitel.<br />
Die ersten vier Kapitel behan<strong>de</strong>ln die verschie<strong>de</strong>nen Polymerklassen:<br />
� Thermoplasten<br />
� Duroplasten<br />
� Elastomeren<br />
� natürliche Polymere<br />
Das 5. Kapitel beschäftigt sich mit <strong>de</strong>r Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n und beschreibt<br />
die Reaktionsmechanismen:<br />
� Polykon<strong>de</strong>nsation<br />
� Polymerisation<br />
� Polyaddition<br />
Im letzten Kapitel <strong>de</strong>s theoretischen Teils geht es um die Weiterverarbeitung <strong>de</strong>r<br />
<strong>Kunststoffe</strong> und ihre Einsatzmöglichkeiten.<br />
1. Thermoplasten<br />
1.0.0 Allgemeine Eigenschaften <strong>de</strong>r Thermoplasten<br />
ausgenutzt.<br />
Thermoplaste sind lange fa<strong>de</strong>nförmige und unverzweigte<br />
sowie vernetzte Polymere. Sie lassen sich durch Erwärmen<br />
leicht formbar machen. Die unterschiedlich langen Polymer-<br />
Stränge wer<strong>de</strong>n von physikalischen Wechselwirkungen wie<br />
die Van-<strong>de</strong>r-Waals-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen<br />
zusammen gehalten. Geraten die Moleküle beim Erhitzen in<br />
Schwingung, so können die oben beschriebene<br />
Wechselwirkung aufgehoben wer<strong>de</strong>n und <strong>de</strong>r Kunststoff wird<br />
formbar. Diese beson<strong>de</strong>ren Eigenschaften <strong>de</strong>r Thermoplaste<br />
wer<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>r technischen Verarbeitung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 5 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.1.0 Polyolefine<br />
1.1.1 Polyethylen (hart)<br />
Abkürzung: PE HD: Polyethylene High Density<br />
Dichte 0,94-0,96 g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Polyethylen HD ist ein weicher, durchscheinen<strong>de</strong>r Kunststoff. Mit <strong>de</strong>m<br />
Fingernagel lassen sich Kerben in <strong>de</strong>n Kunststoff kratzen. Der Kunststoff<br />
fühlt sich wachsartig an und ist bis zu Temperaturen von 90ºC belastbar.<br />
Polyethylen lässt sich bei Raumtemperatur in keinem Lösungsmittel lösen.<br />
Außer<strong>de</strong>m ist <strong>de</strong>r Kunststoff gegenüber von Säuren sowie Laugen<br />
beständig. Durch Erhitzen kann <strong>de</strong>r Kunststoff in Form gebracht wer<strong>de</strong>n<br />
und kann verschweißt wer<strong>de</strong>n.<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 6 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
H<br />
Polyethylen<br />
Das Polymer besteht aus langen unverzweigten Ketten. Die hohe Dichte<br />
<strong>de</strong>s Kunststoffs resultiert aus <strong>de</strong>n vielen kristallinen Bereichen im Polymer.<br />
Brennprobe: Bei <strong>de</strong>r Brennprobe zeigt sich eine helle Flamme mit blauem Kern. Der<br />
Kunststoff tropft brennend ab und brennt auch nach <strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r<br />
Zündquelle weiter. Nach <strong>de</strong>m Erlöschen ist ein parafinartiger Geruch<br />
wahrzunehmen.<br />
Verarbeitungsverfahren: Der Kunststoff eignet sich zum Extrudieren von Profilen und Rohren sowie<br />
zum Herstellen von Blas-Folien. Meist wird <strong>de</strong>r Kunststoff zum Spritzgießen<br />
von Werkstücken verwen<strong>de</strong>t. Außer<strong>de</strong>m wird das Polyethylen HD zum<br />
beschichten von Verpackungspapieren und -kartons verwen<strong>de</strong>t.<br />
Anwendungen: Aus <strong>de</strong>m Kunststoff wer<strong>de</strong>n Flaschen für Reinigungsmittel gefertigt sowie<br />
höherwertige Massenware für Haushalt und Technik. Außer<strong>de</strong>m wer<strong>de</strong>n<br />
Flaschenkästen, Lagertanks, Kanister sowie Folien und Rohre aus <strong>de</strong>m<br />
Kunststoff gefertigt.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.1.2 Polyethylen (weich)<br />
Abkürzung: PE LD: Polyethylene Low Density<br />
Dichte 0,91-0,94g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Polyethylen LD ist ein durchscheinen<strong>de</strong>r, leicht ritzbarer Kunststoff mit<br />
wachsartigem Griff. Er ist bei Temperaturen von bis zu 70ºC belastbar.<br />
Polyethylen lässt sich bei Raumtemperatur in keinem Lösungsmittel lösen.<br />
Außer<strong>de</strong>m ist <strong>de</strong>r Kunststoff gegenüber von Säuren sowie Laugen<br />
beständig. Durch Erhitzen kann <strong>de</strong>r Kunststoff in Form gebracht wer<strong>de</strong>n<br />
und kann verschweißt wer<strong>de</strong>n.<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 7 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
H<br />
Polyethylen<br />
Das Polymer besteht aus langen unverzweigten Ketten. Die relativ niedrige<br />
Dichte <strong>de</strong>s Kunststoffs resultiert aus <strong>de</strong>n wenigen kristallinen Bereichen im<br />
Polymer.<br />
Brennprobe: Bei <strong>de</strong>r Brennprobe zeigt sich eine helle Flamme mit blauem Kern. Der<br />
Kunststoff tropft brennend ab und brennt auch nach <strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r<br />
Zündquelle weiter. Nach <strong>de</strong>m Erlöschen ist ein parafinartiger Geruch<br />
wahrzunehmen.<br />
Verarbeitungsverfahren: Der Kunststoff eignet sich zum Extrudieren von Profilen und Rohren sowie<br />
zum Herstellen von Blas-Folien. Meist wird <strong>de</strong>r Kunststoff zum Spritzgießen<br />
von Werkstücken verwen<strong>de</strong>t. Außer<strong>de</strong>m wird das Polyethylen HD zum<br />
beschichten von Verpackungspapieren und -kartons verwen<strong>de</strong>t.<br />
Anwendungen: Aus <strong>de</strong>m Kunststoff wer<strong>de</strong>n vorallem Massenwaren wie Eimer, Schüsseln,<br />
Elektroteile sowie Folien für Bau und Landwirtschaft hergestellt. Die<br />
Kunststoff Tragetaschen in <strong>de</strong>n Geschäften sind meist aus Polyethylen<br />
hergestellt wor<strong>de</strong>n.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.1.3 Polypropylen<br />
Abkürzung: PP: Polypropylene<br />
Dichte 0,90-0,91g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Als dünne Verpackungsfolie ist Polypropylen durchscheinend. Der<br />
Kunststoff ist steifer als Polyethylene und lässt sich mit <strong>de</strong>m Fingernagel<br />
nicht einritzen. Der Kunststoff ist bis zu Temperaturen von 100ºC belastbar.<br />
Polyethylen lässt sich bei Raumtemperatur in keinem Lösungsmittel lösen.<br />
Außer<strong>de</strong>m ist <strong>de</strong>r Kunststoff gegenüber von Säuren sowie Laugen<br />
beständig. Durch Erhitzen kann <strong>de</strong>r Kunststoff in Form gebracht wer<strong>de</strong>n<br />
und kann verschweißt wer<strong>de</strong>n<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 8 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
CH 3 n<br />
Polypropylen<br />
Das Polymer besteht aus langen unverzweigten Molekülsträngen.<br />
Brennprobe: Bei <strong>de</strong>r Brennprobe zeigt sich eine helle Flamme mit blauem Kern. Der<br />
Kunststoff tropft brennend ab und brennt auch nach <strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r<br />
Zündquelle weiter. Nach <strong>de</strong>m Erlöschen ist ein parafinartiger Geruch<br />
wahrzunehmen.<br />
Verarbeitungsverfahren: Der Kunststoff eignet sich zum Extrudieren von Profilen und Rohren sowie<br />
zum Herstellen von Blas-Folien. Meist wird <strong>de</strong>r Kunststoff zum Spritzgießen<br />
von Werkstücken verwen<strong>de</strong>t. Außer<strong>de</strong>m wird das Polyethylen HD zum<br />
beschichten von Verpackungspapieren und -kartons verwen<strong>de</strong>t.<br />
Anwendungen: Viele Gebrauchsgegenstän<strong>de</strong> sowie<br />
Kofferschalen, Rohre und technische Teile mit<br />
hoher Festigkeit wer<strong>de</strong>n aus <strong>de</strong>m Kunststoff<br />
hergestellt. Außer<strong>de</strong>m wer<strong>de</strong>n die elastischen<br />
Stoßfänger an Kraftfahrzeugen aus Polypropylen<br />
gefertigt. Desweiteren bestehen<br />
Verpackungsbän<strong>de</strong>r, Säcke sowie<br />
Teppichgrundgewebe und Verpackungsfolien<br />
aus <strong>de</strong>m Kunststoff.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.2.0 Styrol-Polymerisate<br />
1.2.1 Polystyrol<br />
Abkürzung: PS: Polystyrene<br />
Dichte 1,05g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Polystyrol ist ein harter, sprö<strong>de</strong>r und leicht brechbarer Kunststoff, welcher<br />
beson<strong>de</strong>rs durch seine hoher Transparenz besticht. Beim Fallenlassen<br />
erklingt ein blechartiges Klingeln. Die Gebrauchstemperatur liegt bei 70ºC.<br />
Benzin sowie viele an<strong>de</strong>re organische Lösungsmittel lösen <strong>de</strong>n Kunststoff.<br />
Gegenüber von Säuren und Basen ist <strong>de</strong>r Kunststoff beständig. Außer<strong>de</strong>m<br />
ist es unempfindlich gegenüber von Ölen und Alkohol. Polystyrol ist klebbar<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 9 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
Polystyrol<br />
Polystyrol bil<strong>de</strong>n lange fa<strong>de</strong>nartige Polymerstränge.<br />
Brennprobe: Polystyrol verbrennt flackernd mit gelber, stark rußen<strong>de</strong>r Flamme. Nach<br />
<strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle brennt <strong>de</strong>r Kunststoff weiter und setzt einen<br />
süßlichen Geruch frei.<br />
Verarbeitungsverfahren: Polystyrol wird im Wesentlichen über ein Spritzgussverfahren verarbeitet.<br />
Seltener wird es zum Extrudieren von Profilen und Folien sowie beim<br />
Warmformen eingesetzt.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von<br />
transparenten Massenartikeln wie<br />
Messbechern, Kühlschrankboxen, Folien<br />
und Einweggeschirr benötigt.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.2.2 Polystyrol-Schaum<br />
EPS: Expon<strong>de</strong>d Polystyroleene (expandiertes<br />
Abkürzung:<br />
Polystyrol)<br />
Dichte 0.015-0,1g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
EPS ist aufgrund <strong>de</strong>r eingeschlossenen Luftbläschen undurchsichtig. Die<br />
dünnen Wän<strong>de</strong> <strong>de</strong>r Bläschen geben Druck leicht nach. Der Kunststoff ist<br />
beson<strong>de</strong>rs aufgrund seiner geringen Dichte und seinen guten Wärme<br />
isolieren<strong>de</strong>n Eigenschaften interessant.<br />
Benzin sowie viele an<strong>de</strong>re organische Lösungsmittel lösen <strong>de</strong>n Kunststoff.<br />
Gegenüber von Säuren und Basen ist <strong>de</strong>r Kunststoff beständig. Außer<strong>de</strong>m<br />
ist es unempfindlich gegenüber von Ölen und Alkohol. Polystyrol ist klebbar<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 10 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
Polystyrol<br />
Polystyrol bil<strong>de</strong>t lange fa<strong>de</strong>nartige Polymerstränge.<br />
Brennprobe: Polystyrol verbrennt flackernd mit gelber, stark rußen<strong>de</strong>r Flamme. Nach<br />
<strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle brennt <strong>de</strong>r Kunststoff weiter und setzt einen<br />
süßlichen Geruch frei.<br />
Verarbeitungsverfahren: Nach <strong>de</strong>m Vorschäumen wird <strong>de</strong>r Kunststoff durch Wasserdampf in Block-<br />
und Formteilen aufgeschäumt.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird als Baumaterial zur Wärmeisolierung eingesetzt.<br />
Desweiteren wird er zum Abfangen von Stößen in Verpackungsmaterialien<br />
verwen<strong>de</strong>t.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.2.3 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer<br />
Abkürzung: ABS: Acrylnitrile-Butadiene-Styrene<br />
Dichte 1,06-1,12g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
ABS ist ein undurchsichtiger, zäh-plastischer Kunststoff, welcher eine<br />
Gebrauchstemperatur von 75-85ºC besitzt.<br />
Benzin sowie viele an<strong>de</strong>re organische Lösungsmittel lösen <strong>de</strong>n Kunststoff.<br />
Gegenüber von Säuren und Basen ist <strong>de</strong>r Kunststoff beständig. Außer<strong>de</strong>m<br />
ist es unempfindlich gegenüber von Ölen und Alkohol.<br />
H<br />
C C<br />
H<br />
H<br />
n<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 11 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H H<br />
... ... ... C C C C ... ... C C ...<br />
Styrol<br />
Butadien<br />
H n<br />
H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
N<br />
Acrylnitril<br />
ABS ist ein langkettiges, unverzweigtes Polymer, welches aus Styrol-,<br />
Butadien- und Acrylnitril-Monomeren besteht.<br />
Brennprobe: ABS verbrennt flackernd mit gelber, stark rußen<strong>de</strong>r Flamme. Nach <strong>de</strong>m<br />
Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle brennt <strong>de</strong>r Kunststoff weiter und setzt einen<br />
süßlichen Geruch frei.<br />
Verarbeitungsverfahren: ABS wird vorwiegend im Spritzgussverfahren verarbeitet. Seltener wird es<br />
zum Extrudieren von Platten und Folien eingesetzt.<br />
Anwendungen: Aus ABS wer<strong>de</strong>n die Gehäuse von Telefonapparate, Fernsehgeräten und<br />
Radios gefertigt, sowie Kofferschalen und Schutzhelme.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.3.0 Halogenhaltige Polymerisate<br />
1.3.1 Polyvinylchlorid (hart)<br />
Abkürzung: PVC U*: Polyvenylchlori<strong>de</strong>; Nach <strong>de</strong>r neuen<br />
DIN-Norm heißt es statt PVC h jetzt PVC U<br />
(unplastinized) und PVC w jetzt PVC P<br />
(plastinzed)<br />
Dichte 1,38-1,40 g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
In reiner Form ist PVC ein klarer, durchsichtiger Kunststoff, welcher hart<br />
und in <strong>de</strong>r Kälte sprö<strong>de</strong> ist. Beim Knicken einer PVC-Folie bleibt ein weißer<br />
Streifen zurück, <strong>de</strong>r Weißbruch entsteht durch Überanspruchung <strong>de</strong>s<br />
<strong>Kunststoffe</strong>s. PVC kann bei Temperaturen von bis zu 65ºC eingesetzt<br />
wer<strong>de</strong>n.<br />
Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel lösen <strong>de</strong>n Kunststoff.<br />
Gegenüber von Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen ist PVC beständig.<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 12 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
Cl<br />
n<br />
Polyvinylchlorid<br />
Polyvinylchlorid besteht aus langen, unverzweigten Polymersträngen.<br />
Brennprobe: In <strong>de</strong>r Flamme brennt PVC mit gelber, rußen<strong>de</strong>r Flamme und erlischt nach<br />
<strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle. Beim Verbrennen wird ein stechen<strong>de</strong>r<br />
Geruch freigesetzt (HCl). Die Beilsteinprobe ist bei PVC positiv.<br />
Verarbeitungsverfahren: PVC wird zu Hartfolien kalandiert. Man verarbeitet außer<strong>de</strong>m in Spritzguss-<br />
und Extrusionsblasverfahren.<br />
Anwendungen: Aus <strong>de</strong>m Kunststoff wer<strong>de</strong>n Rohre, Profile, Dachrinnen sowie Rolla<strong>de</strong>n<br />
gefertigt. Desweiteren wird es zur Herstellung von Tafeln,<br />
Rohrverbindungsstücken, Getränkeflaschen und Kunststoffbechern<br />
verarbeitet.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.3.2 Polyvinylchlorid (weich)<br />
PVC P, Polyvinylchlori<strong>de</strong>; Nach <strong>de</strong>r neuen<br />
DIN-Norm heißt es statt PVC h jetzt PVC U<br />
Abkürzung:<br />
(unplastinized) und PVC w jetzt PVC P<br />
(plastinzed)<br />
Dichte 1,20-1,35g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
PVC P ist ein gummiartig flexibler, kratzfester Kunststoff, welcher beim<br />
scharfen Knicken keinen Weißbruch aufweist. Bei gutem Weichmacher wird<br />
das Polymer auch bei tiefen Temperaturen nicht sprö<strong>de</strong>.<br />
Aceton sowie Ester und Fleckenreinigungsmittel lösen <strong>de</strong>n Kunststoff.<br />
Gegenüber von Säuren, Basen, Alkoholen und Ölen ist PVC beständig.<br />
Außer<strong>de</strong>m ist <strong>de</strong>r Kunststoff schweißbar und klebbar.<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 13 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
Cl<br />
n<br />
Polyvinylchlorid<br />
Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülsträngen.<br />
Brennprobe: PVC P brennt mit leuchtend gelber (wegen <strong>de</strong>s Weichmachers), rußen<strong>de</strong>r<br />
Flamme. Je nach Weichmachergehalt brennt <strong>de</strong>r Kunststoff nach <strong>de</strong>m<br />
Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle weiter. Die Brandfläche verkohlt und es wird ein<br />
stechen<strong>de</strong>r Geruch freigesetzt (HCl). PVC zeigt eine positive<br />
Beilsteinprobe.<br />
Verarbeitungsverfahren: PVC P wird über Spritzguss-, Extru<strong>de</strong>r- sowie Kalandrierverfahren<br />
verarbeitet.<br />
Anwendungen: Aus <strong>de</strong>m Kunststoff wer<strong>de</strong>n Schläuche,<br />
Stecker, Schuhsohlen sowie Folien zum<br />
Beschichten von Geweben und<br />
Oberflächen gefertigt. Durch Tauchen<br />
von Textilien in PVC-Paste wer<strong>de</strong>n<br />
beispielsweise Schutzhandschuhe<br />
gefertigt. Außer<strong>de</strong>m wer<strong>de</strong>n aus <strong>de</strong>m Polymer Spielbälle, Spieltiere sowie<br />
technische Teile und Bo<strong>de</strong>nbeläge gefertigt.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.3.3 Polytetrafluoroethylen<br />
Abkürzung: PTFE: Polytetrafluoroethylene<br />
Dichte 2,14-2,20g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
PTFE ist ein milchig weißer, kaltbiegsamer Kunststoff mit wachsartigem<br />
Griff. Das Polymer wird erst bei Temperaturen unterhalb von -200ºC sprö<strong>de</strong><br />
und zersetzt sich bei 400ºC.<br />
Der Kunststoff kann nur durch Fluor und geschmolzene Alkalimetalle<br />
angegriffen wer<strong>de</strong>n. Da beim Verbrennen Flusssäure freigesetzt sollt man<br />
auf die Brennprobe möglichst verzichten. Aufgrund seiner antiadhäsiven<br />
Eigenschaften wird es für technische Anwendungen sowie für<br />
Beschichtungen von Bratpfannen eingesetzt.<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 14 von 59<br />
F<br />
F<br />
F<br />
... ...<br />
F<br />
Polytetrafluoroethylen<br />
Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülsträngen.<br />
Brennprobe: Das Polymer ist nicht brennbar. Es zeigt sich ein blaugrüner Flammensaum<br />
am Kunststoff. Der Kunststoff verkohlt jedoch nicht. Beim Erhitzen auf<br />
Rotglut wird Flusssäure freigesetzt.<br />
Verarbeitungsverfahren: Aufgrund <strong>de</strong>r unbeweglichen Schmelze muss kaltes PTFE-Pulver unter<br />
starkem Druck zu Rohlingen gepresst wer<strong>de</strong>n, welche erst nach langem<br />
Sintern (bei etwa 400ºC) ihre Festigkeit bekommen. Um Beschichtungen zu<br />
erhalten wer<strong>de</strong>n feinkörnige Emulsionen auf <strong>de</strong>m Trägermaterial gesintert.<br />
Anwendungen: Aufgrund seiner chemischen und<br />
mechanischen Resistenz kann <strong>de</strong>r<br />
Kunststoff für Beschichtungen von<br />
Oberflächen (Labormöbel),<br />
Elektroisolierungen und für schmierfreie<br />
Gleitlager eingesetzt wer<strong>de</strong>n.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.4.0 weitere Thermoplaste<br />
1.4.1 Polymethylmethacrylat<br />
Abkürzung: PMMA<br />
Dichte 1,18-1,32g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Polymethylmethacrylat ist ein klarer, hochglänzen<strong>de</strong>r Kunststoff, <strong>de</strong>r sehr<br />
hart und sprö<strong>de</strong> ist. Die Gebrauchstemperatur liegt zwischen 90 und 100ºC.<br />
Nur wenige polare Lösemittel greifen das Acrylglas an. es ist gegenüber<br />
von Fetten und schwachen Laugen resistent.<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 15 von 59<br />
H<br />
H<br />
CH 3<br />
... ...<br />
C O<br />
O<br />
CH 3<br />
Polymethylmethacrylat<br />
Das Polymer besteht aus unverzweigten Molekülketten.<br />
Brennprobe: Der Kunststoff mit leuchten<strong>de</strong>r und knistern<strong>de</strong>r Flamme. Das Polymer<br />
brennt auch nach <strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle weiter, wobei ein<br />
fruchtiger Geruch freigesetzt wird.<br />
Verarbeitungsverfahren: Gießen <strong>de</strong>s Monomers zwischen hochglanzpolierten Werkzeugen, dann<br />
Polymerisation. Außer<strong>de</strong>m wird es über Spritzguss- und Extru<strong>de</strong>rverfahren<br />
verarbeitet. Das PMMA lässt sich durch Warmformen in Form bringen.<br />
Anwendungen: Aus <strong>de</strong>m Kunststoff wer<strong>de</strong>n Lampenschalen,<br />
Ba<strong>de</strong>wannen, Flugzeug- und<br />
Fahrzeugverglasungen gefertigt. Außer<strong>de</strong>m<br />
wird es als schusssicheres Glas an<br />
Bankschaltern und als Linsen sowie<br />
Rücklichter eingesetzt.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.5.0 Thermische Polymere mit gemischtem Kettenbau<br />
1.5.1 Cellulosepropionat<br />
Abkürzung: CP: Cellulosepropionate<br />
Dichte 1,19-1,23g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Cellulosepropionat ist ein glasklarer, harter und sehr zäher Kunststoff. Die<br />
Gebrauchtemperatur liegt zwischen 60 und 115ºC.<br />
Der Kunststoff ist nur in wenigen Lösungsmitteln löslich. Er ist beständig<br />
gegenüber von Fetten, wasser sowie Benzin. In Säuren und Laugen löst<br />
sich <strong>de</strong>r Kunststoff auf.<br />
H<br />
H<br />
CH<br />
H<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 16 von 59<br />
H<br />
C<br />
C<br />
C<br />
O R<br />
O<br />
... ...<br />
O<br />
R<br />
C<br />
O<br />
HC O<br />
R n<br />
R = -CO-CH2CH3 Cellulosepropionat<br />
Brennprobe: Das Polymer verbrennt mit dunkelgelber, sprühen<strong>de</strong>r Flamme und brennt<br />
auch außerhalb <strong>de</strong>r Zündquelle weiter. Beim Verbrennen riecht es nach<br />
verbranntem Papier.<br />
Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen und Extrudieren.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Fertigung von<br />
Brillengestellen, Kugelschreiberhülsen,<br />
Kämmen, Schraubendrehergriffen und<br />
Spielzeug eingesetzt.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.5.2 Polycarbonat<br />
Abkürzun<br />
PC: Polycarbonate<br />
g:<br />
Dichte 1,20-1,24g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Polycarbonat ist ein transparenter, äußerst schlagfester Kunststoff. Die<br />
Benrauchstemperatur liegt zwischen -140 und + 135ºC.<br />
Polycarbonat ist gegenüber von Öl, Benzin und verdünnter Säure<br />
beständig. Es ist jedoch anfällig gegenüber von starken Säuren und<br />
Laugen sowie heißem Wasser. Chlorierte Kohlenwasserstoffe können <strong>de</strong>n<br />
Kunststoff lösen.<br />
O C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 17 von 59<br />
CH 3<br />
... ...<br />
CH 3<br />
Polycarbonat<br />
O C<br />
Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülketten.<br />
Brennprobe: Polycarbonat verbrennt mit leuchtend, rußen<strong>de</strong>r Flamme und erlischt<br />
außerhalb <strong>de</strong>r Zündquelle. Es bil<strong>de</strong>n sich Blasen und <strong>de</strong>r verkohlte<br />
Kunststoff riecht nach Phenol.<br />
Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen, Extrudieren.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zu Herstellung von<br />
schussfesten Verglasungen, Blinker,<br />
Rückleuchten und Sicherheits- sowie<br />
Schutzhelmen gebraucht.<br />
O<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.5.3 Polyamid<br />
Abkürzung: PA: Polyami<strong>de</strong><br />
Dichte 1,04-1,15g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Polyamid ist ein milchig-weißer, zäh-elastischer Kunststoff, <strong>de</strong>ssen<br />
Gebrauchstemperatur bei 80-100ºC liegt.<br />
Polyamid ist in Ameisensäure löslich und beständig gegenüber Öl, Benzin,<br />
Ester und Ketone. Der Kunststoff ist gegenüber von Säuren unbeständig.<br />
H<br />
N<br />
O<br />
... ...<br />
z = 5 PA 6<br />
z = 10 PA 11<br />
z = 11 PA 12<br />
(CH ) C 2 z<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 18 von 59<br />
n<br />
H<br />
N<br />
H O<br />
(CH2 ) 6 N (CH2 ) C<br />
z<br />
... ...<br />
Polyami<strong>de</strong><br />
z = 4 PA6.6<br />
z = 8 PA 6.10<br />
Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Molekülketten.<br />
Brennprobe: Polyamid brennt mit bläulicher Flamme mit gelben Rand. Der Kunststoff<br />
zieht Fä<strong>de</strong>n und brennt nach <strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle weiter.<br />
Verarbeitungsverfahren<br />
Spritzgießen, Extrudieren, Sintern.<br />
:<br />
Anwendungen: Polyamid dient zur Herstellung von Zahnrä<strong>de</strong>rn, Laufrollen, Propellern,<br />
Benzinleitungen, Textilien sowie chirurgischen Nahtmaterial.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.5.4 Polyethylenterephthalat<br />
Abkürzung: PET: Polyethylenterephthalat<br />
Dichte 1,33-1,37g/cm³ (amorph-teilkristallin)<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
In kristallinem Zustand ist PET weiß und sehr hart, im amorphen Zustand<br />
hingegen transparent mit geringer Härte. Gebrauchstemperatur liegt bei<br />
100ºC.<br />
PET ist gegenüber von Ölen, Fetten und Treibstoffen beständig. es ist<br />
jedoch unbeständig gegenüber von heißem Wasser, Hydrolyse,<br />
konzentrierten Laugen und Säuren. Der Kunststoff ist klebbar und<br />
schweißbar.<br />
O<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 19 von 59<br />
O<br />
... ...<br />
O<br />
(CH 2 ) 2 O<br />
Polyethylenterephthalat<br />
Das Polymer besteht aus langen, unverzweigten Strängen.<br />
Brennprobe: PET ist nur schwer entflammbar. Es brennt mit gelb-oranger, knistern<strong>de</strong>r<br />
Flamme. Dabei wird Ruß gebil<strong>de</strong>t sowie ein aromatischer Geruch<br />
freigesetzt.<br />
Verarbeitungsverfahren: Spritzgießen, Extrudieren, Spritzblasen und Warmformen.<br />
Anwendungen: Aus <strong>de</strong>m Kunststoff wer<strong>de</strong>n Zahnrä<strong>de</strong>r,<br />
Gehäuse, Pumpen sowie<br />
Getränkeflaschen hergestellt.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2. Duroplasten<br />
2.0.0 Allgemeine Eigenschaften <strong>de</strong>r Duroplaste<br />
Bei Duroplasten sind die Monomere netzartig mit<br />
einan<strong>de</strong>r Verknüpft. Im Gegensatz zu <strong>de</strong>n<br />
Thermoplasten liegen hier nicht nur physikalische<br />
Wechselwirkungen <strong>de</strong>r einzelnen Polymerstränge vor,<br />
son<strong>de</strong>rn es bestehen reale Atombindungen zwischen<br />
<strong>de</strong>n verschie<strong>de</strong>nen Strängen <strong>de</strong>s Makromoleküls. Es<br />
bil<strong>de</strong>t sicht somit eine Netzstruktur. Da die<br />
Atombindungen nicht so leicht durch Hitze zu Spalten<br />
sind wie die Wechselwirkungen bei Thermoplasten, sind<br />
Duroplasten auch bei höheren Temperaturen in ihrer<br />
Struktur unverän<strong>de</strong>rt und formstabil. Bei sehr hohen<br />
Temperaturen zerreißt das Netz, das heißt die<br />
Atombindungen wer<strong>de</strong>n gespalten und <strong>de</strong>r Kunststoff zersetzt sich in kleiner<br />
Moleküle, welche dann mit <strong>de</strong>m Luftsauerstoff reagieren. Der Kunststoff verkohlt also<br />
bei hohen Temperaturen und seine ursprüngliche Struktur ist nicht wie<strong>de</strong>r herstellbar.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 20 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.1.0 Phenoplaste<br />
2.1.1 Phenolharz<br />
Abkürzung: PF<br />
Dichte 1,40g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Der Kunststoff ist nur in dunklen Farben herzustallen. Die<br />
Gebrauchstemperatur von Phenolharzen liegt zwischen 100 und 160ºC.<br />
Phenolharz ist gegenüber von Säuren, Laugen, Ölen, Benzin und<br />
chlorierten Kohlenwasserstoffen beständig. Der Kunststoff ist jedoch gegen<br />
starke Säuren und Laugen empfindlich.<br />
HO HO<br />
R<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 21 von 59<br />
R<br />
R = -CH 2 -Ph<br />
C<br />
H 2<br />
R<br />
Phenolharz<br />
Polymer bil<strong>de</strong>n vernetzte Strukturen.<br />
Brennprobe: PF brennt mit heller, rußen<strong>de</strong>r Flamme und erlischt nach <strong>de</strong>m Entfernen<br />
<strong>de</strong>r Zündquelle. Beim Verbrennen wird ein Phenolgeruch freigesetzt.<br />
Verarbeitungsverfahren: Phenolharze wer<strong>de</strong>n vorallem durch Pressen und Spritzgießen verarbeitet.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von<br />
hitzebeständigen und elektroisolierten Griffen<br />
für Töpfe und Bügeleisen verwen<strong>de</strong>t.<br />
Außer<strong>de</strong>m verwen<strong>de</strong>t man es zum Herstellen<br />
von Aschenbechern, Knöpfen und Hartpapier.<br />
R
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.2.0 Aminoplaste<br />
2.2.1 Melamin-Schichtpressstoff<br />
Abkürzung: PF und MF<br />
Dichte 1,40g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Der Kunststoff ist hart und undurchsichtig. Beim Fallenlassen "scheppert"<br />
es.<br />
MF ist schon gegenüber von schwachen Säuren und Laugen empfindlich.<br />
Gegenüber von Ölen, Benzin und chlorierten Kohlenwasserstoffen ist es<br />
beständig.<br />
HOCH 2<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 22 von 59<br />
HN<br />
N<br />
NH<br />
N<br />
N<br />
CH 2 OH<br />
NH<br />
CH 2 OH<br />
Trimethylolmelamin (unvernetzte Zwischenstufe)<br />
Das Polymer bil<strong>de</strong>t Netzstrukturen aus.<br />
Brennprobe: Das Polymer ist schwer entflammbar und verbrennt mit leicht gelber<br />
Flamme unter Verkohlen <strong>de</strong>r Kanten und freisetzen eines fischartigen<br />
Geruches.<br />
Verarbeitungsverfahren: Harzgetränkte Papierbahnen wer<strong>de</strong>n in beheizten Etagenpressen zwischen<br />
Pressblechen gepresst.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Verzierung von Oberflächen (von Tischen und<br />
Möbelstücken) verwen<strong>de</strong>t.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.3.0 Polyesterharze<br />
2.3.1 Polyesterharz<br />
Abkürzung: UP<br />
Dichte 2,00g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
Abbildung:<br />
Der Kunststoff ist hart und undurchsichtig. Beim Fallenlassen "scheppert"<br />
es. Die Gebrauchstemperatur <strong>de</strong>s Kunststoffs liegt bei 90ºC.<br />
chemische Eigenschaften Polyesterharze sind gegenüber von schwachen Säuren und Basen<br />
resistent. Außer<strong>de</strong>m sind Sie beständig gegen Benzin und Öl. Sie lösen<br />
sich allerdings in starken Säuren und Laugen sowie in Estern, Ketonen<br />
und chlorierten Kohlenwasserstoffen.<br />
C<br />
H 2<br />
(CH2 ) O C<br />
m<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 23 von 59<br />
O<br />
... ...<br />
...<br />
O<br />
C<br />
H C H C<br />
unvernetzter Polyesterstrang<br />
HC<br />
CH 2<br />
O O<br />
O R O C C<br />
H<br />
CH C<br />
HC<br />
HC<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
O R O<br />
mit Styrol vernetztes UP-Harz<br />
Polyesterharze bil<strong>de</strong>n lange, unverzweigte Polymere, welche jedoch<br />
auch vernetzt wer<strong>de</strong>n können (siehe vernetztes Harz mit Styrol).<br />
Brennprobe: Polyesterharze verbrennen mit leuchtend gelber, rußen<strong>de</strong>r Flamme,<br />
wobei sie verkohlen. Außerhalb <strong>de</strong>r Zündquelle brennen sie weiter und<br />
setzten einen Styrol-Geruch frei.<br />
Verarbeitungsverfahren: Pressen und Spritzgießen.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von<br />
hitzebeständigen und elektroisolierten Griffen für<br />
Töpfe und Bügeleisen verwen<strong>de</strong>t. Außer<strong>de</strong>m<br />
verwen<strong>de</strong>t man es zum Herstellen von<br />
Apparategehäuse und Autoelektrik.<br />
n<br />
...
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
3. Elastomere<br />
3.0.0 Allgemeine Eigenschaften <strong>de</strong>r Elastomere<br />
Elastomere sind <strong>Kunststoffe</strong>, die sich bei mechanischer Belastung<br />
wie Gummi verhalten. Sie lassen sich bei Raumtemperatur durch<br />
Druck o<strong>de</strong>r Zug verformen und kehren aufgrund ihrer hohen<br />
Elastizität in ihre vorherige Struktur zurück. Die Polymerstränge<br />
eines Elastomers sind wie Duroplasten mit realen Atombindungen<br />
verknüpft. Jedoch ist die Netzstruktur <strong>de</strong>r Elastomere<br />
weitmaschiger. Erwärmt man Elastomere im gespannten Zustand,<br />
so stellt man fest, dass sich <strong>de</strong>r Kunststoff zusammen zieht. Der<br />
Grund dafür liegt in <strong>de</strong>r stärkeren Schwingung <strong>de</strong>r Netzfä<strong>de</strong>n bei hohen<br />
Temperaturen. Die Netzknoten rücken dabei näher aneinan<strong>de</strong>r. Bei sehr starkem<br />
Erhitzen verhalten sich Elastomere ähnlich wie Duroplasten.<br />
3.1.0 Vernetzte Polyurethane<br />
3.1.1 Polyurethan (gummielastisch)<br />
Abkürzung: PUR<br />
Dichte 1,26g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Das Polymer ist je nach Vernetzung gelb bis dunkelbraun, gummielsatisch<br />
und kratzfest. Man kann <strong>de</strong>n Kunststoff nur dunkel, <strong>de</strong>ckend einfärben. Die<br />
Gebrauchstemperatur liegt bei 80-100ºC.<br />
Polyurethane sind beständig gegenüber von Benzin, Öl, schwachen<br />
Säuren sowie Laugen. In starken Laugen und Säuren sowie in heißem<br />
Wasser lassen sich die Polyurethane lösen.<br />
lineare Polyester o<strong>de</strong>r lineare Polyether<br />
+ Diisocyanat wie beispielsweise:<br />
CH 3<br />
NCO<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 24 von 59<br />
NCO<br />
Toluylen-2,4diisocyanat<br />
NCO<br />
NCO<br />
Naphthalen-1,5diisocyanat<br />
Sie bil<strong>de</strong>n vernetze Strukturen aus.<br />
Brennprobe: Beim Verbrennen von Polyurethanen zeigt sich eine leuchten<strong>de</strong> Flamme<br />
und es wird ein stechen<strong>de</strong>r, unangenehmer Geruch freigesetzt.<br />
Verarbeitungsverfahren: Die Urethan-Komponentengemische wer<strong>de</strong>n gegossen.<br />
Anwendungen: Man verwen<strong>de</strong>t Polyurethane zur Herstellung von fe<strong>de</strong>rn<strong>de</strong>n<br />
Maschinenteilen, Faltenbelägen, Sportplätzen und Skistiefeln.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
3.1.2 Polyurethan-Schaum (feinporig, weich)<br />
Abkürzung: PUR<br />
Dichte 0,015-0,06g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Der Kunststoff ist weich und fe<strong>de</strong>rnd. Die Gebrauchstemperatur liegt bei<br />
80-100ºC.<br />
Polyurethane sind beständig gegenüber von Benzin, Öl, schwachen<br />
Säuren sowie Laugen. In starken Laugen und Säuren sowie in heißem<br />
Wasser lassen sich die Polyurethane lösen.<br />
lineare Polyester o<strong>de</strong>r lineare Polyether<br />
+ Diisocyanat wie beispielsweise:<br />
CH 3<br />
NCO<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 25 von 59<br />
NCO<br />
Toluylen-2,4diisocyanat<br />
NCO<br />
NCO<br />
Naphthalen-1,5diisocyanat<br />
Sie bil<strong>de</strong>n vernetze Strukturen aus.<br />
Brennprobe: Beim Verbrennen von Polyurethanen zeigt sich eine leuchten<strong>de</strong> Flamme<br />
und es wird ein stechen<strong>de</strong>r, unangenehmer Geruch freigesetzt.<br />
Verarbeitungsverfahren: Die Urethan-Komponentengemische wer<strong>de</strong>n gegossen.<br />
Anwendungen: Weiche Polyurethan-Schäume wer<strong>de</strong>n zum Herstellen von Matratzen,<br />
Polster, Kopfstützen und Schuhsohlen verwen<strong>de</strong>t.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
3.1.3 Polyurethan-Schaum (feinporig, hart)<br />
Abkürzung: PUR<br />
Dichte 0,03-0,08g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Der Kunststoff besitzt in etwa die Härte von Holz und lässt sich leicht<br />
brechen. Die Gebrauchstemperatur liegt bei 80-100ºC.<br />
Polyurethane sind beständig gegenüber von Benzin, Öl, schwachen<br />
Säuren sowie Laugen. In starken Laugen und Säuren sowie in heißem<br />
Wasser lassen sich die Polyurethane lösen.<br />
lineare Polyester o<strong>de</strong>r lineare Polyether<br />
+ Diisocyanat wie beispielsweise:<br />
CH 3<br />
NCO<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 26 von 59<br />
NCO<br />
Toluylen-2,4diisocyanat<br />
NCO<br />
NCO<br />
Naphthalen-1,5diisocyanat<br />
Sie bil<strong>de</strong>n vernetze Strukturen aus.<br />
Brennprobe: Beim Verbrennen von Polyurethanen zeigt sich eine leuchten<strong>de</strong> Flamme<br />
und es wird ein stechen<strong>de</strong>r, unangenehmer Geruch freigesetzt.<br />
Verarbeitungsverfahren: Die Urethan-Komponentengemische wer<strong>de</strong>n gegossen.<br />
Anwendungen: Der Kunststoff wird zur Herstellung von Dämmaterial, Fensterrahmen, Ski<br />
und Tischtennisschlägern verwen<strong>de</strong>t.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
4. Silikone<br />
4.1.1 Silokonkautschuk<br />
Abkürzung: VMQ<br />
Dichte 1,65-1,75g/cm³<br />
.<br />
physikalische<br />
Eigenschaften:<br />
chemische<br />
Eigenschaften<br />
Abbildung:<br />
Kautschuk ist in verschie<strong>de</strong>nen Konsitenzen herstellbar (von zähflüssig bis<br />
hin zu festen und sehr harten Werkteilen). Der Kautschuk zeigt in einem<br />
sehr großen Temperaturbereich ekastische Eigenschaften (-60 bis<br />
+200ºC).<br />
Durch entsprechen<strong>de</strong> Rezepturgestaltungen können die physikalischen<br />
sowie die chemischen Eigenschaften stark variiert wer<strong>de</strong>n. Man so<br />
Silikonkautschuk elektrisch leitend o<strong>de</strong>r resisitent gegenüber bestimmter<br />
Chemikalien machen. Ersetzt man die Reste <strong>de</strong>s Moleküls durch<br />
Fluorgruppen, so erhält man ein Polymer, welches gegenüber von<br />
chlorierten Kohlenwasserstoffen beständig ist. Durch Anhängen von<br />
Phenylgruppen wird <strong>de</strong>r Kunststoff beständiger bei tiefen Temperaturen.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 27 von 59<br />
R<br />
Si<br />
R<br />
R<br />
... ...<br />
R<br />
O Si O Si O<br />
R<br />
R<br />
R = organische Reste wie -CH3 Siliconkautschuk<br />
Das Polymer ist strahlenartig vernetzt.<br />
Brennprobe: Silikonkautschuk ist schwer entflammbar. Beim verbrennen entstehen<br />
keinerlei toxische Gase und weiße Kieselsäure bleibt als Rückstand übrig.<br />
Verarbeitungsverfahren: Kautschuk wird über Extrusion, Spritzgießen, Kalandieren sowie<br />
Pressvulkanisation verarbeitet.<br />
Anwendungen: Kautschuk eignet sich beson<strong>de</strong>rs zur Herstellung von Dichtungsringen,<br />
Schläuchen, elektrischen Isolierungen und als Abformmaterial im<br />
Mo<strong>de</strong>llbau.<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
5. Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
5.1 Polykon<strong>de</strong>nsation<br />
Die Grundlage für Polykon<strong>de</strong>nsate sind Monomere mit min<strong>de</strong>stens zwei funktionelle<br />
Gruppen. Für die Polykon<strong>de</strong>nsation eigenen sich beson<strong>de</strong>rs Hydroxyl-, Carboxyl-<br />
und Aminogruppen. Zunächst erfogt eine Verknüpfung zu Dimeren, welche sich dann<br />
schließlich zum Polymer verknüpfen. Bei je<strong>de</strong>m Reaktionsschritt spalten sich ein<br />
kleines Molekül ab (z.B.: Wasser).<br />
5.2 Polymerisation<br />
Grundlage für Polymerisate sind ungesättigte Monomere. Die Reaktion verläuft als<br />
Kettenreaktion, die durch Initiatoren wie Radikale o<strong>de</strong>r Ionen ausgelöst wer<strong>de</strong>n. Bei<br />
<strong>de</strong>r radikalischen Polymerisation reagiert ein Radikal mit einem Monomer, wobei ein<br />
neues Radikal entsteht, welches wie<strong>de</strong>rum mit einem Monomer reagieren kann, so<br />
dass sich ein Polymer bil<strong>de</strong>t.<br />
5.3 Polyaddition<br />
Polyaddukte entstehen durch eine Additionsreaktion <strong>de</strong>r Endgruppen <strong>de</strong>r Monomere.<br />
Das setzt voraus, dass die Endgruppe eine Doppelbindung besitz, welche mit einem<br />
bifunktionellen Monomer reagieren kann. Bei dieser Reaktion wer<strong>de</strong>n jedoch nicht<br />
wie bei <strong>de</strong>r Polykon<strong>de</strong>nsation kleiner Moleküle abgespalten.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 28 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
6. Verarbeitung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Urformverfahren<br />
In <strong>de</strong>r technischen Verarbeitung von <strong>Kunststoffe</strong>n spricht man von Formmassen. Dies sind granulat-,<br />
pulverförmige, o<strong>de</strong>r flüssige, verarbeitungsfertige <strong>Kunststoffe</strong>. Anschließend wird diese formlose<br />
Masse durch Umformverfahren in die gewünschte Position gebracht.<br />
Härtbare Formmassen (Duroplasten) wer<strong>de</strong>n zunächst im unvernetzten Zustand in Pressformen<br />
geführt. Unter Wärmezufuhr härtet <strong>de</strong>r Kunststoff aus. Man unterschei<strong>de</strong>t beim presseverfahren<br />
zwischen verschie<strong>de</strong>nen Formen: Formpressen, Spritzpressen und Schichtpressen. Ein neueres<br />
Verfahren ist das Spritzgießverfahren.<br />
Flüssige Duroplaste wer<strong>de</strong>n auch in Formen ohne Druck gefüllt. Die Aushärtung erfolgt dabei auf<br />
chemischem Wege.<br />
Thermoplastische Formmassen wer<strong>de</strong>n über das Spritzgieß-, Extrusions- und Extrusionblasverfahren<br />
verarbeitet. Die feste Formmasse wird in einer so genannten Plastifiziereinheit (Zylin<strong>de</strong>r mit<br />
rotieren<strong>de</strong>n Schnecken) unter Wärmezufuhr in <strong>de</strong>n thermoplastischen Zustandsbereich überführt. Die<br />
Formgebung erfolge dann auf verschie<strong>de</strong>ne Weisen:<br />
Spritzgießen: Die plastische Masse wird durch eine Düse in ein geschlossenes zweiteiliges<br />
Werkzeug gespritzt. Durch Abkühlen im Werkzeug entsteht das Formteil<br />
Extrudieren: Der Thermoplast wird durch eine formgeben<strong>de</strong> Düse (Rohr, Profil, Tafel) in eine<br />
Kalibriervorrichtung und anschließend in ein Kühlbad geför<strong>de</strong>rt. Es entsteht ein formstabiles Extrudat.<br />
Extrusionsblasen: Mit Hilfe eines Extru<strong>de</strong>rs wird ein Rohr geformt, welches anschließend in ein<br />
zweiteiliges Werkzeug geführt wird. Dort wird das Rohr abgeschnitten und aufgeblasen. In <strong>de</strong>m<br />
gekühlten Werkzeug entsteht dann <strong>de</strong>r stabile Hohlkörper.<br />
Umformverfahren.<br />
Schon geformte Thermoplasten können durch erwärmen in eine an<strong>de</strong>re Form gebracht wer<strong>de</strong>n. Je<br />
nach<strong>de</strong>m wie das umzuformen<strong>de</strong> Material beansprucht wird spricht man von:<br />
Biegeformen - Abkanten, Biegen<br />
Druckumformen - Prägen<br />
Zugumformen - Streckziehen<br />
Zug-Druck-Umformen - Tiefzeihen<br />
Problematisch ist das Umformen von amorphen Thermoplasten. Beim Umformen (beson<strong>de</strong>rs auch<br />
beim Streckziehen) treten Molekülorientierungen auf, d.h. die mechanischen Eigenschaften erhalten<br />
eine Richtungsabhängigkeit.<br />
Fügeverfahren - Schweißen<br />
Das Verbin<strong>de</strong>n von thermoplastischen Polymeren wird als Kunststoffschweißen bezeichnet. Dabei<br />
wird unter Anwendung von Wärme o<strong>de</strong>r Kraft im thermoplastischen Zustandsbereich geschweißt. Es<br />
kann mit und ohne Zusatzstoffe geschweißt wer<strong>de</strong>n. Man unterschei<strong>de</strong>t je nach Art <strong>de</strong>r Erwärmung<br />
verschie<strong>de</strong>ne Schweißverfahren:<br />
- Warmgasschweißen (Tafeln und Rohre)<br />
- Heitzelementschweißen (Rohre für Wasserleizungen)<br />
- Hochfrequenzschweißen (für PVC weich-Folien und beschichteten Geweben)<br />
- Ultraschallschweißen (Formteile in <strong>de</strong>r Serienfertigung)<br />
Fügeverfahren - Kleben<br />
Klebstoffe sind nichtmetallische Substanzen, welche Körper durch Oberflächenhaftung (Adhäsion)<br />
und innerer Festigkeit (Kohäsion) verbin<strong>de</strong>n können. Die Eignung eines Klebers zum verbin<strong>de</strong>n von<br />
<strong>Kunststoffe</strong>n ist abhängig von <strong>de</strong>n Löslichkeitseigenschaften eines <strong>Kunststoffe</strong>s. Man unterschei<strong>de</strong>t<br />
beim Kleben zwischen Adhäsions- und Diffusionsklebung.<br />
Adhäsionsklebung: Hier spielen nur die Adhäsionskräfte zwischen Fügeteil und Klebstoff eine Rolle.<br />
Die im Klebstoff enthaltenen Lösemittel greifen <strong>de</strong>n Kunststoff beim Kleben nicht an. Mit<br />
Adhäsionsklebung lassen sich viele <strong>Kunststoffe</strong> miteinan<strong>de</strong>r verbin<strong>de</strong>n (PE, PP, PTFE und SI jedoch nicht).<br />
Diffusionsklebung: Bei <strong>de</strong>r Fügeklebung diffundieren Lösemittel sowie an<strong>de</strong>re Bestandteile <strong>de</strong>s<br />
Klebers in <strong>de</strong>n Kunststoff ein. Man unterschei<strong>de</strong>t verschie<strong>de</strong>ne Kunststoffkleber. Der Unterschied liegt<br />
darin, wie die Kleber abbin<strong>de</strong>n (physikalisch durch Verdunsten, Abkühlen o<strong>de</strong>r chemische durch eine<br />
Reaktion.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 29 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
B. Praktischer Teil<br />
In diesem Teil <strong>de</strong>s Unterrichtsskriptes wer<strong>de</strong>n Versuche beschrieben, welche<br />
theoretisches Wissen festigen sollen und zum Verständnis <strong>de</strong>r Polymerchemie<br />
beitragen sollen.<br />
Die Versuche sind in 3 Kategorien eingeteilt. Im ersten Kapitel geht es um die<br />
charakteristischen Eigenschaften von <strong>Kunststoffe</strong>n und ihre Unterscheidung<br />
aufgrund von physikalischen o<strong>de</strong>r chemischen Merkmalen.<br />
Im zweiten Kapitel bekommen die Schüler die Möglichkeit selbst Polymere<br />
herzustellen. Dies soll zum Verständnis <strong>de</strong>r Synthesemechnismen beitragen.<br />
Das dritte Kapitel behan<strong>de</strong>lt ein aktuelles Thema <strong>de</strong>r Kunststoffchemie <strong>–</strong> Recycling<br />
von <strong>Kunststoffe</strong>n. Da <strong>Kunststoffe</strong> aus Erdöl gewonnen wer<strong>de</strong>n und die weltweiten<br />
Vorkommen an Erdöl stetig schrumpfen ist es wichtig Recyclingverfahren zu<br />
entwickeln um aus Kunststoffmüll wie<strong>de</strong>r hochwertige und nützliche Produkte zu<br />
fertigen.<br />
1. Versuche zur Charakterisierung von<br />
<strong>Kunststoffe</strong>n<br />
1.1 Brennbarkeit<br />
Brennbarkeit von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Bunsenbrenner<br />
Tiegelzange<br />
brandfest Unterlage<br />
Schutzbrille<br />
Durchführung:<br />
Polyethylen<br />
Polyvinylchlorid<br />
eventuell weitere <strong>Kunststoffe</strong><br />
Der Kunststoffstreifenstreifen wird mit Hilfe <strong>de</strong>r Tiegelzange in die<br />
leuchten<strong>de</strong> Bunsenbrennerflamme gehalten. Durch vorsichtiges<br />
Fächeln wird <strong>de</strong>r Geruch festegestellt.<br />
Beobachtung:<br />
Polyethylen entzün<strong>de</strong>t sich in <strong>de</strong>r Bunsenbrennerflamme und beginnt zu tropfen.<br />
Auch nach <strong>de</strong>m Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle brennt <strong>de</strong>r Kunststoff weiter. Es ist ein<br />
parafinartiger Geruch wahrzunehmen.<br />
In <strong>de</strong>r Flamme brennt PVC mit gelber, rußen<strong>de</strong>r Flamme und erlischt nach <strong>de</strong>m<br />
Entfernen <strong>de</strong>r Zündquelle. Beim Verbrennen wird ein stechen<strong>de</strong>r Geruch freigesetzt<br />
(HCl). Die Beilsteinprobe ist bei PVC positiv.<br />
Entsorgung:<br />
Der Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 30 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.2 Dichtebestimmung<br />
Dichtebestimmung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Polyethylen<br />
Polystyrol<br />
Becherglas (500ml)<br />
Polyvinylchlorid<br />
Phenoplast<br />
Polyester<br />
Polymethylmethaycrylat<br />
Spülmittel, Kochsalz<br />
Durchführung:<br />
Das Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Anschließend wer<strong>de</strong>n einige<br />
Tropfen Spülmittel zugegeben. Die Kunststoffstreifen wer<strong>de</strong>n nun in das Wasser<br />
gegeben.<br />
In einem an<strong>de</strong>ren Becherglas wer<strong>de</strong>n die Kunststoffstreifen in das Wasser gegeben.<br />
Nun wird vorsichtig Kochsalz zugegeben. Nach und nach tauchen die<br />
Kunststoffstreifen auf. Die Reihenfolge ist zu notieren.<br />
Beobachtung:<br />
Im ersten Versuch schwimmt nur Polyethylen (Dichte 0,92g/cm³)<br />
Im zweiten Versuch schwimmt wie<strong>de</strong>rum Polyethylen. Durch Zugabe <strong>de</strong>s Kochsalzes<br />
wird die Dichte <strong>de</strong>r Lösung erhöht. Es steigen dann auch Polystyrol (Dichte<br />
1,05g/cm³), Polymethylmethacrylat (Dichte 1,18g/cm³), Polyvinylchlorid (Dichte<br />
1,38g/cm³) und Phenoplast (Dichte 1,40g/cm³) auf. Polyester taucht aufgrund seiner<br />
hohen Dichte nicht auf (Dichte 2,00g/cm³).<br />
Entsorgung:<br />
Der Kunststoff kann für weitere Versuche weiter verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n.<br />
1.3 Wärmeleitfähigkeit<br />
Wärmeleitfähigkeit von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Metallbecher<br />
heißes Wasser.<br />
Kunststoffbecher<br />
Uhr, Thermometer<br />
Durchführung:<br />
Das etwa 70°C heiße Wasser wird in einen Metall- und in einen Kunststoffbecher<br />
gefüllt. Die Temperatur in <strong>de</strong>n Bechern wird je<strong>de</strong> Minute erfasst. Nach 15min wird <strong>de</strong>r<br />
Versuch abgebrochen. Mit erhaltenen Messwerten wer<strong>de</strong>n<br />
Temperaturverlaufskurven in Abhängigkeit von <strong>de</strong>r Zeit erstellt.<br />
Beobachtung:<br />
Das Wasser im Kunststoffbecher kühlt langsamer ab als das Wasser im<br />
Metallbecher.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 31 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
1.4 Löslichkeit<br />
Löslichkeit von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Bechergläser (100ml)<br />
Streifen verschie<strong>de</strong>ner <strong>Kunststoffe</strong><br />
Lösungsmittel: Aceton, Benzin, Etanol,<br />
Wasser, Essigsäureethylester.<br />
Durchführung:<br />
Schutzbrille<br />
Die <strong>Kunststoffe</strong> wer<strong>de</strong>n für 10min in ein mit <strong>de</strong>m jeweiligen<br />
Lösungsmittel gefülltes Becherglas gegeben. Anschließend wird<br />
<strong>de</strong>r Kunststoffstreifen herausgenommen und abgetrocknet. Die<br />
Oberfläche <strong>de</strong>s Kunststoffs wird untersucht.<br />
Beobachtung:<br />
Wenn ein Kunststoff in <strong>de</strong>m Lösungsmittel löslich ist wird die Oberfläche matt.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 32 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2. Versuche zur Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
2.1 Herstellung von Acrylglas<br />
Herstellung von Acrylglas<br />
Anmerkungen:<br />
Achtung: Methacrylsäuremethylester ist leicht entzündlich und sollte <strong>de</strong>shalb von offenen<br />
Zündquellen (Bunsenbrenner) ferngehalten wer<strong>de</strong>n. Da die Dämpfe <strong>de</strong>s Esters die Schleimhäute reitzt<br />
sollte <strong>de</strong>r Versuch unter einem Abzug durchgeführt wer<strong>de</strong>n.<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Reagenzglas mit Adsorptionsstopfen<br />
Stativ, Muffe, Klemme<br />
Heizplatte<br />
Becherglas mit Wasser (Wasserbad)<br />
Spatel, Uhrglas, Alufolie<br />
Waage<br />
Messzylin<strong>de</strong>r<br />
Thermometer<br />
Durchführung:<br />
(Xi, O) Härtepaste 1g<br />
(Xi, F) Methacrylsäuremethylester<br />
10ml<br />
Sudanrote ca. 1 Spatelspitze<br />
(Xi, F) etwas Aceton<br />
Zunächst füllt man 1g <strong>de</strong>r Härtepaste zusammen mit 10ml<br />
Methacrylsäuremethylester in ein Reagenzglas. Zum Anfärben <strong>de</strong>s<br />
<strong>Kunststoffe</strong>s kann man noch 1 Spatelspitze Sudanrot <strong>de</strong>m Gemisch zufügen.<br />
Da <strong>de</strong>r verwen<strong>de</strong>te leicht flüchtig ist sollte man ein Adsorptionsstopfen auf das<br />
Reagenzglas setzen (Achtung: Methacrylsäuremethylester ist schädlich für die<br />
Atemwege; <strong>de</strong>n Versuch unbedingt unter <strong>de</strong>m Abzug durchführen). Nun stellt<br />
man das Reagenzglas in ein 80- 90°C heißes Wasserbad.<br />
Nach etwa 20 Minuten ist die Lösung <strong>de</strong>utlich viskos gewor<strong>de</strong>n und kann zum<br />
Aushärten auf das Uhrglas gegeben wer<strong>de</strong>n, welches mit Alufolie bespannt ist. Falls <strong>de</strong>r Kunststoff<br />
schon im Reagenzglas Aushärten sollte, kann man diesen mit Hilfe von etwas Aceton aus <strong>de</strong>m<br />
Reagenzglas gelöst wer<strong>de</strong>n. Nun muss <strong>de</strong>r Kunststoff auf <strong>de</strong>m Uhrglas aushärten, dazu stellt man das<br />
Uhrglas auf das Becherglas (nicht in das Becherglas!!!). bei circa 90- 100°C kann <strong>de</strong>r Kunststoff nun<br />
aushärten.<br />
Damit das so entstan<strong>de</strong>ne Acrylglas vollständig aushärten kann die Heizquelle nach beliebiger Zeit<br />
ausgeschaltet wer<strong>de</strong>n. Der Kunststoff sollte anschließend 24 Stun<strong>de</strong>n an <strong>de</strong>r Luft aushärten. Danach<br />
kann die Alufolie vom Kunststoff entfernt wer<strong>de</strong>n.<br />
Beobachtung:<br />
Als Produkt erhält man ein Stück hartes und rotes Acrylglas.<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Welche physikalische Eigenschaften hat dieser Kunststoff?<br />
2. Han<strong>de</strong>lt es sich um ein Thermoplast o<strong>de</strong>r Duroplast? Begrün<strong>de</strong>!<br />
3. Zeichnen Sie einen sinnvollen Polymerausschnitt!<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 33 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.2 Radikalische Polymerisation von Styrol<br />
Radikalische Polymerisation von Styrol<br />
Anmerkungen:<br />
Styrol ist eine farblose, aromatisch riechen<strong>de</strong> Flüssigkeit, welche brennbar und leicht<br />
polarimerisierbar ist. In Wasser lässt sich <strong>de</strong>r Kohlenwasserstoff nur schlecht lösen.<br />
In <strong>de</strong>n Methanol, Ethanol sowie Aceton und Ether hingegen lässt sich Styrol gut<br />
lösen. Die Styrol-Dämpfe reizen die Augen und Schleimhäute.<br />
Polymerisation: Durch Licht-, Wärme- und Sauerstoffeinfluss lassen sich die<br />
Polymerisationsvorgänge beschleunigen. Um diese Polymerisation zu verhin<strong>de</strong>rn<br />
wer<strong>de</strong>n oft Stabilisatoren wie Cinnamol o<strong>de</strong>r Hydrochinon zugesetzt, welche sich<br />
durch Destillation entfernen lassen. Reines Polystyrol ist sehr sprö<strong>de</strong> und leicht<br />
brüchig. Man verwen<strong>de</strong>t daher oft Copolymere <strong>de</strong>s Styrols.<br />
Als Initiator für die Polymerisation wird bei diesem Versuch die Härtepaste zugesetzt,<br />
welche 50% Benzoylperoxidanteil enthält.<br />
Geräte:<br />
Reagenzglas<br />
Chemikalien:<br />
Stativ, Muffe, Klemme<br />
Heizplatte (o<strong>de</strong>r Magnetrührer mit<br />
Heizplatte), Waage<br />
(Xi, O) Härtepaste 2g<br />
Becherglas mit Wasser (als Wasserbad)<br />
Messzylin<strong>de</strong>r 10ml und 50ml, Glasstab<br />
(Xn) Styrol 10ml<br />
Thermometer, Holzklammer,<br />
Pasteurpipette<br />
Schutzbrille<br />
Durchführung:<br />
Zunächst muss man die Temperatur eines Wasserbads auf circa<br />
80°C bringen. Danach gibt man 10ml Styrol sowie 2g<br />
Härterpaste in ein Reagenzglas und stellt dieses in das<br />
Wasserbad (in das Stativ einspannen). Mit <strong>de</strong>m Rührstab sollte<br />
das Gemisch vorsichtig umgerührt wer<strong>de</strong>n. Nun muss man die<br />
Temperatur 20 Minuten lang bei 80°C halten. Anschließend setzt<br />
die Reaktion ein welche sich durch heftiges Aufwallen erkennbar<br />
macht.<br />
Beobachtung:<br />
Bei <strong>de</strong>r Reaktion entsteht ein leicht blasiger Stoff<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Zeichnen Sie einen sinnvollen Ausschnitt <strong>de</strong>s Polystyrols!<br />
2. Han<strong>de</strong>lt es sich um einen Duroplasten o<strong>de</strong>r Thermoplasten? Begrün<strong>de</strong>!<br />
3. Geben Sie die Strukturformel <strong>de</strong>s Benzoylperoxids an!<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 34 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.3 Kationische Polymerisation von Styrol<br />
Kationische Polymerisation von Styrol<br />
Anmerkungen:<br />
Eine kationische Polymerisation kann durch die Anwesenheit von Protonen initiert<br />
wer<strong>de</strong>n. Die nötigen Protonen wer<strong>de</strong>n in diesem Fall von <strong>de</strong>r Reaktion <strong>de</strong>s<br />
wasserfreien Eisen(III)-chlorids mit Wasser freigesetzt.<br />
FeCl3 + 6H2O [Fe(OH2)6] 3+ + 3 Cl - [Fe(OH2)5OH] 3+ + 3 Cl - + H +<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
2 Reagenzgläser (schwer schmelzbar)<br />
Gasbrenner<br />
Holzklammer<br />
Spatel, Messzylin<strong>de</strong>r (10ml)<br />
Schutzbrille<br />
(Xn) Styrol 2ml<br />
(Xn) Eisen-(III)-chlorid x 6 H2O<br />
(Xi, F) Aceton<br />
Durchführung: Zunächst gibt man eine Spatelspitze kristallwasserhaltiges Eisen-(III)-chlorid in ein<br />
schwer schmelzbares Reagenzglas und erhitzt. Durch das Erhitzen entweicht und<br />
verdampft das Kristallwasser, was sich durch das Beschlagen <strong>de</strong>r<br />
Reagenzglaswän<strong>de</strong> bemerkbar macht. Das kon<strong>de</strong>nsierte Wasser sollte größtenteils<br />
mit einem Papiertuch aus <strong>de</strong>r Reagenzglasmündung entfernt wer<strong>de</strong>n.<br />
Anschließend muss solange weiter erhitzt wer<strong>de</strong>n, bis sich kleine, dunkle,<br />
glänzen<strong>de</strong> Kristalle in <strong>de</strong>r Mitte <strong>de</strong>s Reagenzglases gebil<strong>de</strong>t haben.<br />
Mit einem trockenen Spatel müssen jetzt einige Kristalle in ein zweites schwer schmelzbares<br />
Reagenzglas überführt wer<strong>de</strong>n. Jetzt müssen 2ml Styrol hinzu gegeben wer<strong>de</strong>n. Das Reagenzglas<br />
wird danach verschlossen und gut geschüttelt, um eine gelbliche Lösung zu erhalten.<br />
Anschließend wird <strong>de</strong>r Stopfen wie<strong>de</strong>r abgenommen und das Reagenzglas wird mehrmals vorsichtig<br />
bei kleiner, blauen Flamme für einige Sekun<strong>de</strong>n erhitzt (Reagenzglas dabei schräg halten). Dabei<br />
sollte man das Reaktionsgemisch genau beobachten. Aufsteigen<strong>de</strong>n Blasen zeigen das Einsetzten<br />
<strong>de</strong>r Reaktion an. Die Reaktion kann unter Umstän<strong>de</strong>n sehr heftig verlaufen.<br />
Beobachtung:<br />
Nach <strong>de</strong>m Abkühlen erstarrt das Gemisch zu einem gelblichen, harzartigen Feststoff.<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für <strong>de</strong>n Ablauf <strong>de</strong>r kationischen Polymerisation von Styrol.<br />
2.4 Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid<br />
Copolymerisation von Styrol mit<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 35 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Maleinsäureanhydrid<br />
Anmerkungen:<br />
An einer Copolymerisation nehmen zwei o<strong>de</strong>r mehr Monomere teil. Je nach<br />
gewünschter Eigenschaft <strong>de</strong>s Kunstoffs wer<strong>de</strong>n die Monomere ausgewählt.<br />
Im folgen<strong>de</strong>n Versuch soll ein alternieren<strong>de</strong>r (die bei<strong>de</strong>n Monomere wechseln sich<br />
ab) Kunststoff dargestellt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aus Experimenten weiss man, dass bei <strong>de</strong>r Polymerisation von Maleinsäure mit<br />
Styrol (unabhängig von <strong>de</strong>r Konzentration) sich 50:50-Polymere bil<strong>de</strong>n. Ein<br />
Überschuss an Styrol führt dazu, dass die Kettenen<strong>de</strong>n mit Styrol besetzt sind und<br />
ein Überschuss an Maleinsäure bleibt aufgrund <strong>de</strong>r geringen Reaktivität zurück. Der<br />
Grund für die Bildung von alternieren<strong>de</strong>n Ketten ist, das zunächst jeweils ein Styrol-<br />
Molekül mit einem Maleinsäure-Molekül reagiert und <strong>de</strong>r entstan<strong>de</strong>ne Komplex<br />
radikalisch zur alternieren<strong>de</strong>n Kette verknüpft wird.<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Reagenzglas<br />
Gasbrenner<br />
Holzklammer<br />
(Xn) Styrol 2ml<br />
Spatel, Messzylin<strong>de</strong>r (10ml)<br />
Durchführung:<br />
Schutzbrille<br />
(C) Maleinsäureanhydrid 3g<br />
(Xi, F) Aceton<br />
In einem Reagenzglas wer<strong>de</strong>n 3g Maleinsäureanhydrid sowie<br />
2ml Styrol vorgelegt. Anschließend wird über kleiner<br />
Bunsenbrennerflamme bis zur Auflösung <strong>de</strong>s<br />
Maleinsäureanhydrids erhitzt. Das Gemisch wird weiter unter<br />
gutem Schütteln (und zeitweiliger Abkühlung) erhitzt.<br />
Wenn das Gemisch zähflüssig wird und sich Blasen bil<strong>de</strong>n wird<br />
<strong>de</strong>r Ansatz endgültig abgekühlt.<br />
Beobachtung:<br />
Nach <strong>de</strong>m Abkühlen erstarrt das Gemisch zu einem farblosen, harzartigen Feststoff.<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Geben Sie die Strukturfomel von Styrol sowie von Maleinsäureanhydrid<br />
(Maleinsäure ist Butendisäure) an.<br />
2. Geben Sie einen charakteristischen Ausschnitt aus <strong>de</strong>m Polymer an.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 36 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.5 Polykon<strong>de</strong>nsation von Glycerin mit Borsäure<br />
Polykon<strong>de</strong>nsation von Glycerin mit Borsäure<br />
Anmerkung:<br />
HO B OH<br />
OH<br />
H H<br />
HO C C C OH<br />
OH H<br />
Borsäure 1,2,3-Propantriol<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Spatel, Pipette<br />
Schwer schmelzbares Reagenzglas,<br />
Sie<strong>de</strong>steinchen<br />
Gasbrenner<br />
dünner Holzspan, Holzklammer<br />
Durchführung:<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 37 von 59<br />
H<br />
H<br />
Borsäure<br />
wasserfreies Glycerin, Propantriol<br />
Schutzbrille<br />
Zunächst wird das Reagenzglas 1cm hoch mit Borsäure gefüllt<br />
und zusammen mit <strong>de</strong>r gleichen Menge an Glycerin gut<br />
durchgeschüttelt. Dabei wird das Gemisch solange leicht erwärm<br />
bis sich eine klare Lösung bil<strong>de</strong>t. Dazu gibt man ein<br />
Sie<strong>de</strong>steinchen und erwärmt das Gemisch über entleuchteter<br />
Flamme. Dabei sollte das Reagenzglas waagerechte gehalten<br />
wer<strong>de</strong>n. Nach 5 Minuten wird die Flüssigkeit gelblich und zäh.<br />
Beobachtung:<br />
Aus <strong>de</strong>m gelben, zähflüssigen Produkt lassen sich nach<strong>de</strong>m Abkühlen mit Hilfe eines<br />
Holzstabes Fä<strong>de</strong>n ziehen.<br />
Entsorgung:<br />
Das Reagenzglas mit <strong>de</strong>m Kon<strong>de</strong>nsat kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt<br />
wer<strong>de</strong>n<br />
Aufgaben:<br />
1. Geben Sie die Strukturformel für Borsäure und Glycerin an.<br />
2. Aus Borsäure und Glycerin entsteht ein vernetzter Polyester. Gib einen sinnvollen<br />
Formelausschnitt <strong>de</strong>s Makromoleküls an.
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.6 Herstellung von weich PVC<br />
Herstellung von weich PVC<br />
Anmerkungen:<br />
O<br />
O<br />
O C H2<br />
O<br />
C<br />
H 2<br />
C 2 H 5<br />
C<br />
H<br />
H<br />
C<br />
C<br />
H 2<br />
C<br />
C 2 H 5<br />
H 2<br />
C<br />
H 2<br />
C<br />
H 2<br />
Dioctylphthalat<br />
C<br />
H 2<br />
C<br />
H 2<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
PVC ist im Han<strong>de</strong>l als weich und als Hart-PVC<br />
erhältlich. Hart-PVC ist chemikalienbeständig und<br />
korrosionsfest. Weich-PVC wird in Bo<strong>de</strong>nplatten und<br />
Folien eingesetzt. Der weiche Kunststoff wird<br />
gewonnen in<strong>de</strong>m man das PVC-Pulber bei<br />
Temperaturen von 150-200°C mit Weichmachern<br />
wie Dioctylterephthalat versetzt. Diese Weichmacher<br />
schieben Alkylreste zwischen die PVC-Ketten und<br />
verringern somit die Wechselwirkungen zwischen<br />
<strong>de</strong>n langen Polymerketten.<br />
1987 stellte die Stiftung Warentest fest, dass Weichmachermolekülen in <strong>de</strong>n Lebensmitteln<br />
zu fin<strong>de</strong>n sind, welche mit PVC eingepackt waren (vor allem bei fetthaltigen Lebensmitteln).<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Porzellanschale, Holzspatel<br />
Heizplatte<br />
Dreibein, Ceranplatte<br />
2 Zangen<br />
Messzylin<strong>de</strong>r (25ml), Waage, Papiertücher<br />
PVC-Pulver<br />
Dioctylphthalat (=Weichmacher)<br />
Silokonöl<br />
Schutzbrille<br />
F Aceton<br />
Durchführung:<br />
Der Versuch sollte im Abzug durchgeführt wer<strong>de</strong>n. 9g <strong>de</strong>s PVC-<br />
Pulvers und 6g <strong>de</strong>s Weichmachers wer<strong>de</strong>n in einer<br />
Porzellanschale verrührt, bis ein gleichmäßiger Brei entstan<strong>de</strong>n<br />
ist.<br />
Anschließend wird die Ceranfläche mit <strong>de</strong>m Silikonöl bestrichen<br />
und auf die Heizplatte gelegt. Die Farblose PVC-Masse wird auf<br />
die Ceranfläche gegossen und es wird bis maximal 150°C erhitzt.<br />
Die Massse sollte solange erhitzt we<strong>de</strong>n, bis sie transparent ist,<br />
anschließend entfernt man die Hitzequelle. Die Folie kann nach <strong>de</strong>m Abkühlen von<br />
<strong>de</strong>r Ceranplatte gezogen wer<strong>de</strong>n.<br />
Beobachtung:<br />
Man erhält eine le<strong>de</strong>rartige, transparente Folie.<br />
Entsorgung:<br />
Die Produkte können zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Zeigen Sie die Wirkungsweise <strong>de</strong>s Weichmachers an Hand <strong>de</strong>r Strukturformel.<br />
2. Informieren Sie sich über die Verwendung <strong>de</strong>s weich PVC.<br />
3. Inwiefern ist PVC aus Umweltaspekten ein problematischer Kunststoff?<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 38 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
2.7 Funktionsweise eines Superabsorbers<br />
Die Funktionsweise von Superabsorber<br />
Anmerkungen<br />
Superabsorber sind Natallsalze einer Polysäure. In diesem Experiment wur<strong>de</strong> das Natriumsalz <strong>de</strong>r<br />
Polyacrylsäure verwen<strong>de</strong>t. Sie sind lange vernetzte Polymere die aus einigen hun<strong>de</strong>rt Monomeren<br />
aufgebaut sind. Superabsorber sind Natallsalze einer Polysäure. In diesem Experiment wur<strong>de</strong> das<br />
Natriumsalz <strong>de</strong>r Polyacrylsäure verwen<strong>de</strong>t. Sie sind lange vernetzte Polymere die aus einigen hun<strong>de</strong>rt<br />
Monomeren aufgebaut sind.<br />
Funktionsweise: Gibt man <strong>de</strong>n Superabsorber in Wasser so löst sich sofort das Natrium-Kation von<br />
<strong>de</strong>r Polyacrylsäure. Dieser Vorgang stellt ein chemisches Gleichgewicht dar, welches in <strong>de</strong>stilliertem<br />
Wasser stark auf <strong>de</strong>r Seite <strong>de</strong>r Produkte (Polyacrylsäure-Anion und Natrium-Kation) liegt.<br />
Dadurch entsteht ein langes Polymehr mit vielen negativ gela<strong>de</strong>nen Carboxylgruppen. Da die<br />
umgebenen Wassermoleküle Dipole darstellen lagern diese sich (mit <strong>de</strong>n Wasserstoffatomen) an das<br />
Makromolekül an, <strong>de</strong>n Vorgang <strong>de</strong>s Anhaftens bezeichnet man auch als Absorbtion. Der<br />
Absorbtionsvorgang ist been<strong>de</strong>t, wenn durch sterische Grün<strong>de</strong> ein weiteres Anlagern<br />
Wassermolekülen verhin<strong>de</strong>rt wird.<br />
Im Experiment mit <strong>de</strong>r Kochsalzlösung wird das oben beschriebene Gleichgewicht in Richtung <strong>de</strong>r<br />
Edukte verschoben. Dies liegt daran, dass eine hohe Konzentration an Natrium-Kationen vorliegt,<br />
sodass diese die hohe Ladungsdichte am Polymer durch Anlagerung ausgleichen. Somit wird die<br />
Absorbtion <strong>de</strong>s Wassers verhin<strong>de</strong>rt.<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Superabsorber (2 Spatel)<br />
2 Bechergläser<br />
<strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
5%-ige Kochsalzlösung<br />
Durchführung:<br />
Es wird ein Becherglas mit 100ml <strong>de</strong>stilliertem Wasser und ein<br />
Becherglas mit 5%-iger Kochsalzlösung (100ml) vorbereitet.<br />
Danach gibt man in je<strong>de</strong>s Becherglas einen Spatel<br />
Superabsorber.<br />
Beobachtung:<br />
Nach einigen Sekun<strong>de</strong>n ist das Wasser im ersten Becherglas zu einer festen<br />
geleartigen Masse ersteift, das Wasser ist somit absorbiert wor<strong>de</strong>n. Im zweiten<br />
Becherglas (mit NaCl) hingegen ist keine Absorption <strong>de</strong>s Wassers erfolgt.<br />
Entsorgung:<br />
Die Produkte können zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Vergleichen Sie das Aufnahmevermögen für <strong>de</strong>stilliertes Wasser und<br />
Kochsalzlösung. Geben Sie eine Erklärung für die beobachtete Abweichung.<br />
2. Zeichnen Sie die Strukturformel eines Polyacrylsäure-Monomers.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 39 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
3. Recycling von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
3.1 Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester<br />
Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester<br />
Anmerkungen:<br />
Methacrylsäuremethylester ist eines <strong>de</strong>r wenigen Polyolefine, welches sich durch<br />
Zuführen von thermischer Energie in seine Monomere spalten lässt. Bereits bei einer<br />
Temperatur von 150°C setzt die Zersetzung ein, welche bei Temperaturen oberhalb<br />
von 300°C quantitativ durchgeführt wer<strong>de</strong>n kann. Durch Destillation kann <strong>de</strong>r Ester<br />
dann gereinigt wer<strong>de</strong>n. Der entstan<strong>de</strong>ne Methacrylsäuremethylester kann dann zur<br />
Herstellung von hochwertigen Kunststoffprodukten per Polymerisation eingesetzt<br />
wer<strong>de</strong>n.<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
2 Reagenzgläser<br />
Gasbrenner, Holzklammer<br />
passen<strong>de</strong>r durchbohrter Stopfen<br />
rechtwinklig gebogenes Glasrohr<br />
Becherglas mit kaltem Wasser (zur<br />
Kühlung)<br />
10g zerkleinerte<br />
Polymethacrylsäuremethylester-Reste<br />
(z.B. Kfz-Rückleuchten)<br />
Durchführung:<br />
Diesen Versuch sollte man am besten in einem Abzug durchführen.<br />
Zunächst füllt man 10g <strong>de</strong>r Kfz-Rückleuchten in ein Reagenzglas. Danach wird <strong>de</strong>r<br />
durchbohhrte Stopfen mit <strong>de</strong>m rechtwinkligen Glasrohr aufgesetzt. Nun wird das<br />
Reagenzglas langsam erhitzt. Die Gase wer<strong>de</strong>n in einem zweiten Reagenzglas<br />
aufgefangen, welches sich in einem Wasser gefüllten Becherglas steht. Wenn sich<br />
an einigen stellen blasige Schmelzen gebil<strong>de</strong>t haben erhitzt man stärker. Um eine<br />
stärkeres Schäumen zu vermei<strong>de</strong>n beginnt man mit <strong>de</strong>r Pyrolyse am oberen Teil <strong>de</strong>s<br />
Reagenzglases.<br />
Beobachtung:<br />
Es bil<strong>de</strong>t sich eine sehr stark riechen<strong>de</strong> Flüssigkeit im zweiten Reagenzglas.<br />
Entsorgung:<br />
Die für die Depolymerisation verwen<strong>de</strong>ten Reagenzgläser sollten gut verschlossen<br />
aufgehoben wer<strong>de</strong>n, um sie für diesen Versuch wie<strong>de</strong>r zu verwen<strong>de</strong>n. Der<br />
gewonnene Ester wird wie<strong>de</strong>r polymerisiert (siehe Herstellung von Acrylglas). Das<br />
dabei entstehen<strong>de</strong> Polymerisat kann mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 40 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
3.2 Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse<br />
Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Magnetrührer mit Rührfisch<br />
Heizpilz, Rundkolben (250ml)<br />
Zweihalsaufsatz, Rückflusskühler<br />
Saugflasche, Nutsche, Filterpapier<br />
Messzylin<strong>de</strong>r (100ml)<br />
Becherglas (400ml)<br />
Wasserstrahlpumpe<br />
Schere<br />
Stoffreste aus Trevira<br />
C Salzsäure (32%ig)<br />
F Ethanol 45ml<br />
C Natriumhydroxid 18g<br />
<strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
Durchführung:<br />
Zunächst muss eine Apparatur aufgebaut wer<strong>de</strong>n, in <strong>de</strong>r das Gemisch unter<br />
Rückfluss gekocht wer<strong>de</strong>n kann.<br />
Anschließend wer<strong>de</strong>n 18g Natriuhydroxid gelöst in 90ml Wasser und 45ml Ethanol im<br />
Rundkolben vorgelegt. Unter Rühren wird bis zum Sie<strong>de</strong>n erhitzt und 3g zerkleinerter<br />
Stoffrest (Trevira). Die Zugabe <strong>de</strong>s Stoffes kann durch <strong>de</strong>n zweiten Ansatz <strong>de</strong>r<br />
Zweihalsaufsatzes geschehen.<br />
Nach 20min wer<strong>de</strong>n weitere 3g <strong>de</strong>s Stoffes zugesetzt. Der Vorgang wird insgesamt<br />
5mal durchgeführt.<br />
Nach <strong>de</strong>r letzten Zugabe wird <strong>de</strong>r Ansatz für 30min gekocht und anschließend in ein<br />
Becherglas überführt. Es wird nun soviel Wasser hinzu gegeben bis sich das<br />
Natriumsalz <strong>de</strong>r Terephthalatsäure gera<strong>de</strong> wie<strong>de</strong>r auflöst.<br />
Mit konzentrierter Salzsäure wird <strong>de</strong>r Ansatz nun vorsichtig angesäuert. Beim<br />
Ansäuern fällt die Terephthalatsäure als farbloser Feststoff aus. Der Feststoff wird<br />
nun abfiltriert.<br />
Beobachtung:<br />
Beim Ansäuern fällt ein farbloser Feststoff aus.<br />
Entsorgung:<br />
Die Lösungen wer<strong>de</strong>n neutralisiert und über das Waschbecken entsorgt. Die<br />
benutzten Geräte sind mit <strong>de</strong>stilliertem Wasser zu reinigen.<br />
Aufgaben:<br />
1. Formulieren Sie einen Polymerausschnitt.<br />
2. Geben Sie die Strukturformeln <strong>de</strong>r Monomere an.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 41 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
3.3 Recycling von Styropor<br />
Recycling von Styropor<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Gasbrenner<br />
Dreibein mit Drahtnetz<br />
großes Becherglas (800ml)<br />
Styropor<br />
Tee-Ei aus Metall<br />
Korkstopfen<br />
Stativmaterial<br />
Sie<strong>de</strong>steinchen<br />
Durchführung:<br />
Das Styropor wird zerkleinert. Anschließend wer<strong>de</strong>n die Styropor Bruchstücke in das<br />
Tee-Ei gefüllt (sodass sich das Tee-Ei gera<strong>de</strong> noch unter leichtem Druck schließen<br />
lässt). Der Korkstopfen wird nun so am Griff <strong>de</strong>s Tee-Eis angebracht, dass es nicht<br />
bei Erwärmung nachgibt.<br />
Das Becherglas wird zu einem Drittel mit Wasser gefüllt und zum Sie<strong>de</strong>n<br />
(Sie<strong>de</strong>steinchen) erhitzt. Mit Hilfe eines Stativs wird das Tee-Ei nun so im Becherglas<br />
befestigt, dass es über <strong>de</strong>r Wasseroberfläche <strong>de</strong>m heißen Wasserdampf ausgesetzt<br />
ist.<br />
Nach 5 Minuten wird das Tee-Ei entfernt und abgekühlt.<br />
Beobachtung:<br />
Man erhält eine Styroporkugel <strong>de</strong>ren Oberfläche nicht ganz glatt ist. Je feiner die<br />
mechanische Zerkleinerung <strong>de</strong>s Styropors erfolgt, umso glatter wird dir Kugel.<br />
Entsorgung:<br />
Die Produkte können zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 42 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
C. Anhang: Kopiervorlagen<br />
Grundwissen<br />
Grundwissen: <strong>Kunststoffe</strong><br />
Grundwissen: Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Arbeitsanleitungen<br />
1. Versuche zur Charakterisierung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
1.1 Brennbarkeit<br />
1.2 Dichtebestimmung<br />
1.3 Wärmeleitfähigkeit<br />
1.4 Löslichkeit<br />
2. Versuche zur Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
2.1 Herstellung von Acrylglas<br />
2.2 Radikalische Polymerisation von Styrol<br />
2.3 Kationische Polymerisation von Styrol<br />
2.4 Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäureanhydrid<br />
2.5 Polykon<strong>de</strong>nsation von Glycerin mit Borsäure<br />
2.6 Herstellung von weich PVC<br />
2.7 Funktionsweise eines Superabsorbers<br />
3. Recycling von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
3.1 Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester<br />
3.2 Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse<br />
3.3 Recycling von Styropor<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 43 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Grundwissen: <strong>Kunststoffe</strong><br />
<strong>Kunststoffe</strong> sind Makromoleküle, welche durch Verknüpfung von vielen kleineren Moleküle entstan<strong>de</strong>n<br />
sind. Die einzelnen Bausteine eines <strong>Kunststoffe</strong>s nennt man Monomere, entsprechend bezeichnend<br />
man ein ketten- o<strong>de</strong>r netzförmige Verknüpfung <strong>de</strong>r Monomere als Polymere.<br />
<strong>Kunststoffe</strong> sind aufgrund ihrer vielfältigen Eigenschaften in nahezu allen Bereichen <strong>de</strong>s täglichen<br />
Lebens zu fin<strong>de</strong>n. So besteht beispielsweise ein Großteil <strong>de</strong>r Innenverkleidung im Automobil aus<br />
Kunststoff o<strong>de</strong>r Gerbrauchgegenstän<strong>de</strong> wie Zahnbürste, Schwamm und Besen bestehen aus<br />
Kunststoff.<br />
<strong>Kunststoffe</strong> lassen sich aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer chemischen Struktur in<br />
drei Klassen einteilen.<br />
Thermoplaste: Thermoplaste sind lange fa<strong>de</strong>nförmige und<br />
unverzweigte sowie vernetzte Polymere. Sie lassen sich durch<br />
Erwärmen leicht formbar machen. Die unterschiedlich langen<br />
Polymer-Stränge wer<strong>de</strong>n von physikalischen Wechselwirkungen wie<br />
die Van-<strong>de</strong>r-Waal-Kräfte und Wasserstoffbrückenbindungen<br />
zusammen gehalten. Geraten die Moleküle beim Erhitzen in<br />
Schwingung, so können die oben beschriebenen Wechselwirkungen<br />
aufgehoben wer<strong>de</strong>n und <strong>de</strong>r Kunststoff wird formbar. Diese<br />
beson<strong>de</strong>ren Eigenschaften <strong>de</strong>r Thermoplaste wer<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>r<br />
technischen Verarbeitung von <strong>Kunststoffe</strong>n ausgenutzt.<br />
Duroplast: Bei Duroplasten sind die Monomere netzartig mit<br />
einan<strong>de</strong>r Verknüpft. Im Gegensatz zu <strong>de</strong>n Thermoplasten liegen<br />
hier nicht nur physikalische Wechselwirkungen <strong>de</strong>r einzelnen<br />
Polymerstränge vor, son<strong>de</strong>rn es bestehen reale Atombindungen<br />
zwischen <strong>de</strong>n verschie<strong>de</strong>nen Strängen <strong>de</strong>s Makromoleküls. Es<br />
bil<strong>de</strong>t sicht somit eine Netzstruktur. Da die Atombindungen nicht<br />
so leicht durch Hitze zu Spalten sind wie die Wechselwirkungen<br />
bei Thermoplasten, sind Duroplasten auch bei höheren<br />
Temperaturen in ihrer Struktur unverän<strong>de</strong>rt und formstabil. Bei<br />
sehr hohen Temperaturen zerreißt das Netz, das heißt die<br />
Atombindungen wer<strong>de</strong>n gespalten und <strong>de</strong>r Kunststoff zersetzt<br />
sich in kleinere Moleküle, welche dann mit <strong>de</strong>m Luftsauerstoff<br />
reagieren. Der Kunststoff verkohlt also bei hohen Temperaturen<br />
und seine ursprüngliche Struktur ist nicht wie<strong>de</strong>r herstellbar.<br />
Elastomere: Elastomere sind <strong>Kunststoffe</strong>, die sich bei mechanischer<br />
Belastung wie Gummi verhalten. Sie lassen sich bei Raumtemperatur<br />
durch Druck o<strong>de</strong>r Zug verformen und kehren aufgrund ihrer hohen<br />
Elastizität in ihre vorherige Struktur zurück. Die Polymerstränge eines<br />
Elastomers sind wie Duroplasten mit realen Atombindungen verknüpft.<br />
Jedoch ist die Netzstruktur <strong>de</strong>r Elastomere weitmaschiger. Erwärmt<br />
man Elastomere im gespannten Zustand, so stellt man fest, dass sich<br />
<strong>de</strong>r Kunststoff zusammen zieht. Der Grund dafür liegt in <strong>de</strong>r stärkeren<br />
Schwingung <strong>de</strong>r Netzfä<strong>de</strong>n bei hohen Temperaturen. Die Netzknoten<br />
rücken dabei näher aneinan<strong>de</strong>r. Bei sehr starkem Erhitzen verhalten<br />
sich Elastomere ähnlich wie Duroplasten.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 44 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Grundwissen: Herstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
<strong>Kunststoffe</strong> sind Polymere die durch die Verknüpfung vieler kleiner Monomere<br />
entstehen. Die Monomere bestimmen aufgrund ihres Aufbaus und chemischen<br />
Eigenschaften die Gesamteigenschaft <strong>de</strong>s späteren Makromoleküls. Die Synthese<br />
von <strong>Kunststoffe</strong>n kann auf drei verschie<strong>de</strong>ne weisen erfolge:<br />
Polykon<strong>de</strong>nsation: Die Grundlage für Polykon<strong>de</strong>nsate sind Monomere mit<br />
min<strong>de</strong>stens zwei funktionelle Gruppen. Für die Polykon<strong>de</strong>nsation eigenen sich<br />
beson<strong>de</strong>rs Hydroxyl-, Carboxyl- und Aminogruppen. Zunächst erfogt eine<br />
Verknüpfung zu Dimeren, welche sich dann schließlich zum Polymer verknüpfen. Bei<br />
je<strong>de</strong>m Reaktionsschritt spalten sich ein kleines Molekül ab (z.B.: Wasser).<br />
Polymerisation: Grundlage für Polymerisate sind ungesättigte Monomere. Die<br />
Reaktion verläuft als Kettenreaktion, die durch Initiatoren wie Radikale o<strong>de</strong>r Ionen<br />
ausgelöst wer<strong>de</strong>n. Bei <strong>de</strong>r radikalischen Polymerisation reagiert ein Radikal mit<br />
einem Monomer, wobei ein neues Radikal entsteht, welches wie<strong>de</strong>rum mit einem<br />
Monomer reagieren kann, so dass sich ein Polymer bil<strong>de</strong>t.<br />
Polyaddition: Polyaddukte entstehen durch eine Additionsreaktion <strong>de</strong>r Endgruppen<br />
<strong>de</strong>r Monomere. Das setzt voraus, dass die Endgruppe eine Doppelbindung besitz,<br />
welche mit einem bifunktionellen Monomer reagieren kann. Bei dieser Reaktion<br />
wer<strong>de</strong>n jedoch nicht wie bei <strong>de</strong>r Polykon<strong>de</strong>nsation kleiner Moleküle abgespalten.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 45 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Brennbarkeit von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Bunsenbrenner<br />
Tiegelzange<br />
brandfest Unterlage<br />
Schutzbrille<br />
Polyethylen<br />
Polyvinylchlorid<br />
eventuell weitere <strong>Kunststoffe</strong><br />
Durchführung:<br />
Der Kunststoffstreifenstreifen wird mit Hilfe <strong>de</strong>r Tiegelzange in die<br />
leuchten<strong>de</strong> Bunsenbrennerflamme gehalten. Durch vorsichtiges<br />
Fächeln wird <strong>de</strong>r Geruch festegestellt.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Der Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n<br />
Dichtebestimmung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Becherglas (500ml)<br />
Polyethylen<br />
Polystyrol<br />
Polyvinylchlorid<br />
Phenoplast<br />
Polyester<br />
Polymethylmethaycrylat<br />
Spülmittel, Kochsalz<br />
Durchführung:<br />
Das Becherglas wird zur Hälfte mit Wasser gefüllt. Anschließend wer<strong>de</strong>n einige Tropfen Spülmittel<br />
zugegeben. Die Kunststoffstreifen wer<strong>de</strong>n nun in das Wasser gegeben.<br />
In einem an<strong>de</strong>ren Becherglas wer<strong>de</strong>n die Kunststoffstreifen in das Wasser gegeben. Nun wird<br />
vorsichtig Kochsalz zugegeben. Nach und nach tauchen die Kunststoffstreifen auf. Die Reihenfolge ist<br />
zu notieren.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Der Kunststoff kann für weitere Versuche weiter verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 46 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Wärmeleitfähigkeit von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Metallbecher<br />
heißes Wasser.<br />
Kunststoffbecher<br />
Uhr, Thermometer<br />
Durchführung:<br />
Das etwa 70°C heiße Wasser wird in einen Metall- und in einen Kunststoffbecher<br />
gefüllt. Die Temperatur in <strong>de</strong>n Bechern wird je<strong>de</strong> Minute erfasst. Nach 15min wird <strong>de</strong>r<br />
Versuch abgebrochen. Mit erhaltenen Messwerten wer<strong>de</strong>n<br />
Temperaturverlaufskurven in Abhängigkeit von <strong>de</strong>r Zeit erstellt.<br />
Beobachtung:<br />
Löslichkeit von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Bechergläser (100ml)<br />
Streifen verschie<strong>de</strong>ner <strong>Kunststoffe</strong><br />
Lösungsmittel: Aceton, Benzin, Etanol,<br />
Wasser, Essigsäureethylester.<br />
Durchführung:<br />
Beobachtung:<br />
Schutzbrille<br />
Die <strong>Kunststoffe</strong> wer<strong>de</strong>n für 10min in ein mit <strong>de</strong>m jeweiligen<br />
Lösungsmittel gefülltes Becherglas gegeben. Anschließend wird<br />
<strong>de</strong>r Kunststoffstreifen herausgenommen und abgetrocknet. Die<br />
Oberfläche <strong>de</strong>s Kunststoffs wird untersucht.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 47 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Herstellung von Acrylglas<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Reagenzglas mit Adsorptionsstopfen<br />
Stativ, Muffe, Klemme<br />
Heizplatte<br />
Becherglas mit Wasser (Wasserbad)<br />
Spatel, Uhrglas, Alufolie<br />
Waage<br />
Messzylin<strong>de</strong>r<br />
Thermometer<br />
(Xi, O) Härtepaste 1g<br />
(Xi, F) Methacrylsäuremethylester<br />
10ml<br />
Sudanrote ca. 1 Spatelspitze<br />
(Xi, F) etwas Aceton<br />
Durchführung:<br />
Zunächst füllt man 1g <strong>de</strong>r Härtepaste zusammen mit 10ml<br />
Methacrylsäuremethylester in ein Reagenzglas. Zum Anfärben<br />
<strong>de</strong>s <strong>Kunststoffe</strong>s kann man noch 1 Spatelspitze Sudanrot <strong>de</strong>m<br />
Gemisch zufügen. Da <strong>de</strong>r verwen<strong>de</strong>te leicht flüchtig ist sollte<br />
man ein Adsorptionsstopfen auf das Reagenzglas setzen<br />
(Achtung: Methacrylsäuremethylester ist schädlich für die<br />
Atemwege; <strong>de</strong>n Versuch unbedingt unter <strong>de</strong>m Abzug<br />
durchführen). Nun stellt man das Reagenzglas in ein 80- 90°C<br />
heißes Wasserbad.<br />
Nach etwa 20 Minuten ist die Lösung <strong>de</strong>utlich viskos gewor<strong>de</strong>n und kann zum<br />
Aushärten auf das Uhrglas gegeben wer<strong>de</strong>n, welches mit Alufolie bespannt ist. Falls<br />
<strong>de</strong>r Kunststoff schon im Reagenzglas Aushärten sollte, kann man diesen mit Hilfe<br />
von etwas Aceton aus <strong>de</strong>m Reagenzglas gelöst wer<strong>de</strong>n. Nun muss <strong>de</strong>r Kunststoff auf<br />
<strong>de</strong>m Uhrglas aushärten, dazu stellt man das Uhrglas auf das Becherglas (nicht in das<br />
Becherglas!!!). bei circa 90- 100°C kann <strong>de</strong>r Kunststoff nun aushärten.<br />
Damit das so entstan<strong>de</strong>ne Acrylglas vollständig aushärten kann die Heizquelle nach<br />
beliebiger Zeit ausgeschaltet wer<strong>de</strong>n. Der Kunststoff sollte anschließend 24 Stun<strong>de</strong>n<br />
an <strong>de</strong>r Luft aushärten. Danach kann die Alufolie vom Kunststoff entfernt wer<strong>de</strong>n.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Welche physikalische Eigenschaften hat dieser Kunststoff?<br />
2. Han<strong>de</strong>lt es sich um ein Thermoplast o<strong>de</strong>r Duroplast? Begrün<strong>de</strong>!<br />
3. Zeichnen Sie einen sinnvollen Polymerausschnitt!<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 48 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Radikalische Polymerisation von Styrol<br />
Geräte:<br />
Reagenzglas<br />
Chemikalien:<br />
Stativ, Muffe, Klemme<br />
Heizplatte (o<strong>de</strong>r Magnetrührer mit<br />
Heizplatte), Waage<br />
(Xi, O) Härtepaste 2g<br />
Becherglas mit Wasser (als Wasserbad)<br />
Messzylin<strong>de</strong>r 10ml und 50ml, Glasstab<br />
(Xn) Styrol 10ml<br />
Thermometer, Holzklammer,<br />
Pasteurpipette<br />
Schutzbrille<br />
Durchführung:<br />
Beobachtung:<br />
Zunächst muss man die Temperatur eines Wasserbads auf circa<br />
80°C bringen. Danach gibt man 10ml Styrol sowie 2g<br />
Härterpaste in ein Reagenzglas und stellt dieses in das<br />
Wasserbad (in das Stativ einspannen). Mit <strong>de</strong>m Rührstab sollte<br />
das Gemisch vorsichtig umgerührt wer<strong>de</strong>n. Nun muss man die<br />
Temperatur 20 Minuten lang bei 80°C halten. Anschließend setzt<br />
die Reaktion ein welche sich durch heftiges Aufwallen erkennbar<br />
macht.<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Zeichnen Sie einen sinnvollen Ausschnitt <strong>de</strong>s Polystyrols!<br />
2. Han<strong>de</strong>lt es sich um einen Duroplasten o<strong>de</strong>r Thermoplasten? Begrün<strong>de</strong>!<br />
3. Geben Sie die Strukturformel <strong>de</strong>s Benzoylperoxids an!<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 49 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Kationische Polymerisation von Styrol<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
2 Reagenzgläser (schwer schmelzbar)<br />
Gasbrenner<br />
Holzklammer<br />
(Xn) Styrol 2ml<br />
Spatel, Messzylin<strong>de</strong>r (10ml)<br />
Schutzbrille<br />
(Xn) Eisen-(III)-chlorid x 6 H2O<br />
(Xi, F) Aceton<br />
Durchführung:<br />
Zunächst gibt man eine Spatelspitze<br />
kristallwasserhaltiges Eisen-(III)-chlorid in ein schwer<br />
schmelzbares Reagenzglas und erhitzt. Durch das<br />
Erhitzen entweicht und verdampft das Kristallwasser, was<br />
sich durch das Beschlagen <strong>de</strong>r Reagenzglaswän<strong>de</strong><br />
bemerkbar macht. Das kon<strong>de</strong>nsierte Wasser sollte<br />
größtenteils mit einem Papiertuch aus <strong>de</strong>r<br />
Reagenzglasmündung entfernt wer<strong>de</strong>n. Anschließend<br />
muss solange weiter erhitzt wer<strong>de</strong>n, bis sich kleine,<br />
dunkle, glänzen<strong>de</strong> Kristalle in <strong>de</strong>r Mitte <strong>de</strong>s<br />
Reagenzglases gebil<strong>de</strong>t haben.<br />
Mit einem trockenen Spatel müssen jetzt einige Kristalle in ein zweites schwer<br />
schmelzbares Reagenzglas überführt wer<strong>de</strong>n. Jetzt müssen 2ml Styrol hinzu<br />
gegeben wer<strong>de</strong>n. Das Reagenzglas wird danach verschlossen und gut geschüttelt,<br />
um eine gelbliche Lösung zu erhalten.<br />
Anschließend wird <strong>de</strong>r Stopfen wie<strong>de</strong>r abgenommen und das Reagenzglas wird<br />
mehrmals vorsichtig bei kleiner, blauen Flamme für einige Sekun<strong>de</strong>n erhitzt<br />
(Reagenzglas dabei schräg halten). Dabei sollte man das Reaktionsgemisch genau<br />
beobachten. Aufsteigen<strong>de</strong>n Blasen zeigen das Einsetzten <strong>de</strong>r Reaktion an. Die<br />
Reaktion kann unter Umstän<strong>de</strong>n sehr heftig verlaufen.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für <strong>de</strong>n Ablauf <strong>de</strong>r kationischen<br />
Polymerisation von Styrol.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 50 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Copolymerisation von Styrol mit<br />
Maleinsäureanhydrid<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Reagenzglas<br />
Gasbrenner<br />
Holzklammer<br />
(Xn) Styrol 2ml<br />
Spatel, Messzylin<strong>de</strong>r (10ml)<br />
Durchführung:<br />
Beobachtung:<br />
Schutzbrille<br />
(C) Maleinsäureanhydrid 3g<br />
(Xi, F) Aceton<br />
In einem Reagenzglas wer<strong>de</strong>n 3g Maleinsäureanhydrid sowie<br />
2ml Styrol vorgelegt. Anschließend wird über kleiner<br />
Bunsenbrennerflamme bis zur Auflösung <strong>de</strong>s<br />
Maleinsäureanhydrids erhitzt. Das Gemisch wird weiter unter<br />
gutem Schütteln (und zeitweiliger Abkühlung) erhitzt.<br />
Wenn das Gemisch zähflüssig wird und sich Blasen bil<strong>de</strong>n wird<br />
<strong>de</strong>r Ansatz endgültig abgekühlt.<br />
Entsorgung:<br />
Der hergestellte Kunststoff kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Geben Sie die Strukturfomel von Styrol sowie von Maleinsäureanhydrid<br />
(Maleinsäure ist Butendisäure) an.<br />
2. Geben Sie einen charakteristischen Ausschnitt aus <strong>de</strong>m Polymer an.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 51 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Polykon<strong>de</strong>nsation von Glycerin mit Borsäure<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Spatel, Pipette<br />
Schwer schmelzbares Reagenzglas,<br />
Sie<strong>de</strong>steinchen<br />
Gasbrenner<br />
dünner Holzspan, Holzklammer<br />
Durchführung:<br />
Beobachtung:<br />
(C) Borsäure<br />
wasserfreies Glycerin, Propantriol<br />
Schutzbrille<br />
Zunächst wird das Reagenzglas 1cm hoch mit Borsäure gefüllt<br />
und zusammen mit <strong>de</strong>r gleichen Menge an Glycerin gut<br />
durchgeschüttelt. Dabei wird das Gemisch solange leicht erwärm<br />
bis sich eine klare Lösung bil<strong>de</strong>t. Dazu gibt man ein<br />
Sie<strong>de</strong>steinchen und erwärmt das Gemisch über entleuchteter<br />
Flamme. Dabei sollte das Reagenzglas waagerechte gehalten<br />
wer<strong>de</strong>n. Nach 5 Minuten wird die Flüssigkeit gelblich und zäh.<br />
Entsorgung:<br />
Das Reagenzglas mit <strong>de</strong>m Kon<strong>de</strong>nsat kann zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt<br />
wer<strong>de</strong>n<br />
Aufgaben:<br />
1. Geben Sie die Strukturformel für Borsäure und Glycerin an.<br />
2. Aus Borsäure und Glycerin entsteht ein vernetzter Polyester. Gib einen sinnvollen<br />
Formelausschnitt <strong>de</strong>s Makromoleküls an.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 52 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Herstellung von weich PVC<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Porzellanschale, Holzspatel<br />
Heizplatte<br />
Dreibein, Ceranplatte<br />
2 Zangen<br />
Messzylin<strong>de</strong>r (25ml), Waage, Papiertücher<br />
PVC-Pulver<br />
Dioctylphthalat (=Weichmacher)<br />
Silokonöl<br />
Schutzbrille<br />
F Aceton<br />
Durchführung:<br />
Der Versuch sollte im Abzug durchgeführt wer<strong>de</strong>n. 9g <strong>de</strong>s PVC-<br />
Pulvers und 6g <strong>de</strong>s Weichmachers wer<strong>de</strong>n in einer<br />
Porzellanschale verrührt, bis ein gleichmäßiger Brei entstan<strong>de</strong>n<br />
ist.<br />
Anschließend wird die Ceranfläche mit <strong>de</strong>m Silikonöl bestrichen<br />
und auf die Heizplatte gelegt. Die Farblose PVC-Masse wird auf<br />
die Ceranfläche gegossen und es wird bis maximal 150°C erhitzt.<br />
Die Massse sollte solange erhitzt we<strong>de</strong>n, bis sie transparent ist,<br />
anschließend entfernt man die Hitzequelle. Die Folie kann nach <strong>de</strong>m Abkühlen von<br />
<strong>de</strong>r Ceranplatte gezogen wer<strong>de</strong>n.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Die Produkte können zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Zeigen Sie die Wirkungsweise <strong>de</strong>s Weichmachers an Hand <strong>de</strong>r Strukturformel.<br />
2. Informieren Sie sich über die Verwendung <strong>de</strong>s weich PVC.<br />
3. Inwiefern ist PVC aus Umweltaspekten ein problematischer Kunststoff?<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 53 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Die Funktionsweise von Superabsorber<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Superabsorber (2 Spatel)<br />
2 Bechergläser<br />
<strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
5%-ige Kochsalzlösung<br />
Durchführung:<br />
Beobachtung:<br />
Es wird ein Becherglas mit 100ml <strong>de</strong>stilliertem Wasser und ein<br />
Becherglas mit 5%-iger Kochsalzlösung (100ml) vorbereitet.<br />
Danach gibt man in je<strong>de</strong>s Becherglas einen Spatel<br />
Superabsorber.<br />
Entsorgung:<br />
Die Produkte können zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Aufgaben:<br />
1. Vergleichen Sie das Aufnahmevermögen für <strong>de</strong>stilliertes Wasser und<br />
Kochsalzlösung. Geben Sie eine Erklärung für die beobachtete Abweichung.<br />
2. Zeichnen Sie die Strukturformel eines Polyacrylsäure-Monomers.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 54 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Rückgewinnung von Methacrylsäuremethylester<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
2 Reagenzgläser<br />
Gasbrenner, Holzklammer<br />
passen<strong>de</strong>r durchbohrter Stopfen<br />
rechtwinklig gebogenes Glasrohr<br />
Becherglas mit kaltem Wasser (zur<br />
Kühlung)<br />
10g zerkleinerte<br />
Polymethacrylsäuremethylester-Reste<br />
(z.B. Kfz-Rückleuchten)<br />
Durchführung:<br />
Diesen Versuch sollte man am besten in einem Abzug durchführen.<br />
Zunächst füllt man 10g <strong>de</strong>r Kfz-Rückleuchten in ein Reagenzglas. Danach wird <strong>de</strong>r<br />
durchbohrte Stopfen mit <strong>de</strong>m rechtwinkligen Glasrohr aufgesetzt. Nun wird das<br />
Reagenzglas langsam erhitzt. Die Gase wer<strong>de</strong>n in einem zweiten Reagenzglas<br />
aufgefangen, welches sich in einem Wasser gefüllten Becherglas steht. Wenn sich<br />
an einigen stellen blasige Schmelzen gebil<strong>de</strong>t haben erhitzt man stärker. Um eine<br />
stärkeres Schäumen zu vermei<strong>de</strong>n beginnt man mit <strong>de</strong>r Pyrolyse am oberen Teil <strong>de</strong>s<br />
Reagenzglases.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Die für die Depolymerisation verwen<strong>de</strong>ten Reagenzgläser sollten gut verschlossen<br />
aufgehoben wer<strong>de</strong>n, um sie für diesen Versuch wie<strong>de</strong>r zu verwen<strong>de</strong>n. Der<br />
gewonnene Ester wird wie<strong>de</strong>r polymerisiert (siehe Herstellung von Acrylglas). Das<br />
dabei entstehen<strong>de</strong> Polymerisat kann mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 55 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Recycling eines Polyesters durch Hydrolyse<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Magnetrührer mit Rührfisch<br />
Heizpilz, Rundkolben (250ml)<br />
Zweihalsaufsatz, Rückflusskühler<br />
Saugflasche, Nutsche, Filterpapier<br />
Messzylin<strong>de</strong>r (100ml)<br />
Becherglas (400ml)<br />
Wasserstrahlpumpe<br />
Schere<br />
Stoffreste aus Trevira<br />
C Salzsäure (32%ig)<br />
F Ethanol 45ml<br />
C Natriumhydroxid 18g<br />
<strong>de</strong>stilliertes Wasser<br />
Durchführung:<br />
Zunächst muss eine Apparatur aufgebaut wer<strong>de</strong>n, in <strong>de</strong>r das Gemisch unter<br />
Rückfluss gekocht wer<strong>de</strong>n kann.<br />
Anschließend wer<strong>de</strong>n 18g Natriuhydroxid gelöst in 90ml Wasser und 45ml Ethanol im<br />
Rundkolben vorgelegt. Unter Rühren wird bis zum Sie<strong>de</strong>n erhitzt und 3g zerkleinerter<br />
Stoffrest (Trevira). Die Zugabe <strong>de</strong>s Stoffes kann durch <strong>de</strong>n zweiten Ansatz <strong>de</strong>r<br />
Zweihalsaufsatzes geschehen.<br />
Nach 20min wer<strong>de</strong>n weitere 3g <strong>de</strong>s Stoffes zugesetzt. Der Vorgang wird insgesamt<br />
5mal durchgeführt.<br />
Nach <strong>de</strong>r letzten Zugabe wird <strong>de</strong>r Ansatz für 30min gekocht und anschließend in ein<br />
Becherglas überführt. Es wird nun soviel Wasser hinzu gegeben bis sich das<br />
Natriumsalz <strong>de</strong>r Terephthalatsäure gera<strong>de</strong> wie<strong>de</strong>r auflöst.<br />
Mit konzentrierter Salzsäure wird <strong>de</strong>r Ansatz nun vorsichtig angesäuert. Beim<br />
Ansäuern fällt die Terephthalatsäure als farbloser Feststoff aus. Der Feststoff wird<br />
nun abfiltriert.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Die Lösungen wer<strong>de</strong>n neutralisiert und über das Waschbecken entsorgt. Die<br />
benutzten Geräte sind mit <strong>de</strong>stilliertem Wasser zu reinigen.<br />
Aufgaben:<br />
1. Formulieren Sie einen Polymerausschnitt.<br />
2. Geben Sie die Strukturformeln <strong>de</strong>r Monomere an.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 56 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Recycling von Styropor<br />
Geräte: Chemikalien:<br />
Gasbrenner<br />
Dreibein mit Drahtnetz<br />
großes Becherglas (800ml)<br />
Styropor<br />
Tee-Ei aus Metall<br />
Korkstopfen<br />
Stativmaterial<br />
Sie<strong>de</strong>steinchen<br />
Durchführung:<br />
Das Styropor wird zerkleinert. Anschließend wer<strong>de</strong>n die Styropor Bruchstücke in das<br />
Tee-Ei gefüllt (sodass sich das Tee-Ei gera<strong>de</strong> noch unter leichtem Druck schließen<br />
lässt). Der Korkstopfen wird nun so am Griff <strong>de</strong>s Tee-Eis angebracht, dass es nicht<br />
bei Erwärmung nachgibt.<br />
Das Becherglas wird zu einem Drittel mit Wasser gefüllt und zum Sie<strong>de</strong>n<br />
(Sie<strong>de</strong>steinchen) erhitzt. Mit Hilfe eines Stativs wird das Tee-Ei nun so im Becherglas<br />
befestigt, dass es über <strong>de</strong>r Wasseroberfläche <strong>de</strong>m heißen Wasserdampf ausgesetzt<br />
ist.<br />
Nach 5 Minuten wird das Tee-Ei entfernt und abgekühlt.<br />
Beobachtung:<br />
Entsorgung:<br />
Die Produkte können zusammen mit <strong>de</strong>m Hausmüll entsorgt wer<strong>de</strong>n.<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 57 von 59
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Folie charakteristische Polymerausschnitte einiger<br />
<strong>Kunststoffe</strong> (1/2)<br />
Kunststoff Strukturformel<br />
Polyethylen<br />
Polypropylen<br />
Polystyrol<br />
Polyvinylchlorid<br />
Polytetrafluoroethylen<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 58 von 59<br />
H<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
H<br />
H<br />
C C<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
H<br />
C C<br />
H<br />
n<br />
CH 3 n<br />
H<br />
... ...<br />
H<br />
C C<br />
H<br />
H<br />
... ...<br />
F<br />
Cl<br />
C C<br />
F<br />
F<br />
... ...<br />
F<br />
n<br />
n<br />
n
<strong>Unterrichtsreihe</strong> <strong>–</strong> <strong>Kunststoffe</strong><br />
Folie charakteristische Polymerausschnitte einiger<br />
<strong>Kunststoffe</strong> (2/2)<br />
Kunststoff Strukturformel<br />
Polymethylmethacrylat<br />
Cellulosepropionat<br />
O C<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
C C<br />
Quelle: www.chempage.<strong>de</strong> Seite 59 von 59<br />
H<br />
H<br />
CH 3<br />
... ...<br />
H<br />
H<br />
C<br />
C<br />
H<br />
CH<br />
H<br />
C<br />
O<br />
R<br />
O R<br />
O<br />
C<br />
O<br />
C O<br />
O<br />
CH 3<br />
... ...<br />
HC O<br />
n<br />
R n<br />
R = -CO-CH 2 CH 3<br />
... ...<br />
Polycarbonat<br />
O C<br />
O<br />
n
Darstellung von <strong>Kunststoffe</strong>n<br />
Polykon<strong>de</strong>nsation<br />
HO C<br />
H2<br />
C<br />
H 2<br />
+<br />
Polymerisation<br />
O<br />
OH HO C<br />
O<br />
(CH 2 ) C<br />
R + H C CH R C CH<br />
2<br />
+<br />
H2<br />
Polyaddition<br />
CH 3<br />
CH 3<br />
O C N<br />
N C O HO C<br />
+<br />
H2<br />
OH O C H2<br />
C<br />
H 2<br />
C<br />
H 2<br />
CH<br />
CH 3<br />
OH C<br />
O<br />
N<br />
H<br />
C<br />
H 2<br />
O<br />
O C<br />
R C H2<br />
O<br />
(CH 2 ) C<br />
H<br />
C CH2<br />
CH 3<br />
O<br />
CH<br />
CH 3<br />
N C O C<br />
H2<br />
O<br />
C<br />
H 2<br />
O