Kunststoffe aus Makromolekülen

Kunststoffe
aus
Makromolekülen
Dr. M. Müller
Der Autor dankt vielen Kolleginnen und Kollegen
für die hilfreiche Unterstützung
überreicht durch
BAYER AG, Leverkusen
Alle Rechte vorbehalten außer schulinterner Vervielfältigung
Aktualisierte Ausgabe 2001

Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG ...............................................................................................................................3
1.1. Allgemeine Informationen über Makromoleküle................................................................................3
1.2. Vielseitigkeit der Kunststoffanwendungen........................................................................................5
1.3. Heutige Entwicklung des Kunststoffmarktes.....................................................................................6
2. MAKROMOLEKÜL UND KUNSTSTOFF: BEGRIFFSBESTIMMUNG....................................8
3. STRUKTURPRINZIPIEN..........................................................................................................13
3.1. Primärstruktur ............................................................................................................................14
3.1.1. Copolymere ...........................................................................................................................18
3.1.2. Verzweigte/vernetzte Makromoleküle ..........................................................................................20
3.2. Sekundärstruktur und zwischenmolekulare Bindungskräfte............................................................23
3.3. Tertiärstruktur ............................................................................................................................27
4. STRUKTUR-EIGENSCHAFTS-BEZIEHUNGEN.....................................................................35
4.1. Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Duromer.................................................................................36
4.2. Beispiele......................................................................................................................................38
4.2.1. Fasern...................................................................................................................................38
4.2.2. Elastomere.............................................................................................................................40
5. POLYDISPERSITÄT DER KUNSTSTOFFE...........................................................................43
6. POLYMERSYNTHESEN WICHTIGER KUNSTSTOFFE .......................................................45
6.1. Allgemeine Hinweise.....................................................................................................................45
6.2. Polykondensation ........................................................................................................................46
6.3. Polymerisation.............................................................................................................................58
6.3.1. Definition und Beispiele...........................................................................................................58
6.3.2. Mechanismus und verfahrenstechnische Einteilung ........................................................................65
6.4. Polyaddition................................................................................................................................69
6.4.1. Polyurethane ..........................................................................................................................69
6.4.1.1. Kautschukelastisches Polyurethan (Vulkollan ® )..........................................................................74
6.4.1.2. Polyurethan-Schaumstoffe..................................................................................................78
6.4.1.3. Ingenieurkunst als Partner der Chemie..................................................................................80
6.4.2. Epoxidharze ...........................................................................................................................82
7. MODIFIZIERUNG VON KUNSTSTOFFEN..............................................................................85
2

8. NEUERE ENTWICKLUNGEN ..................................................................................................88
8.1. Polymere aus neuen Monomeren....................................................................................................88
8.1.1. Temperaturbeständige Polymere.................................................................................................88
8.1.2. Polypyrrol - ein elektrisch selbstleitendes Polymer........................................................................93
8.2. Neue Kunststoffe durch Variation der Molekülstruktur...................................................................95
8.2.1. Leiter- und Kohlenstoff-Polymere...............................................................................................95
8.2.2. Ionomere ...............................................................................................................................97
8.2.3. Polymer-Blends......................................................................................................................99
8.2.4. Flüssigkristalline Polymere..................................................................................................... 104
8.2.5. Verbundwerkstoffe................................................................................................................. 109
8.2.6. Kunststoff-Membranen für die Hämodialyse............................................................................... 115
8.3 Neue Anwendungen mit „alten“ Polymeren ................................................................................... 118
9. PHYSIKALISCHE UNTERSUCHUNGSMETHODEN.......................................................... 120
10. WIEDERVERWERTUNG VON KUNSTSTOFFEN............................................................ 122
11. VERSUCHSTEIL................................................................................................................. 128
11.2. Inhaltsverzeichnis der verwendeten Chemikalien......................................................................... 152
11.3. Gefahrensymbole und Gefahrenbezeichnungen........................................................................... 154
11.4. Hinweise auf die besonderen Gefahren (R-Sätze) ......................................................................... 154
11.5. Sicherheitsratschläge (S-Sätze) ................................................................................................... 157
12. WEITERFÜHRENDE LITERATUR ..................................................................................... 161
13. SACHREGISTER................................................................................................................. 165
3

1. Einleitung
1.1. Allgemeine Informationen über Makromoleküle
Die Vorstellungen von den Makromolekülen, die Entdeckung ihrer chemischen Baupläne und die
zunehmende Kenntnis physikalischer Eigenschaften der aus ihnen aufgebauten Materialien sind für
Wissenschaft und Technik von großer Bedeutung.
Viele bisher unbekannte Vorgänge in der lebenden Natur können heute erklärt werden. Alles Leben
ist an die makromolekulare Struktur von Stoffen gebunden; überall, wo die Natur mit ihren Produk-
ten Werkstoffeigenschaften erzielen will oder wo sie an ihre Stoffe wichtige biologische Funktionen
knüpft, baut sie vorwiegend makromolekular. Aber auch synthetische Werkstoffe ("Kunststoffe")
können aufgrund dieser Vorstellungen hergestellt, in ihren Eigenschaften erklärt und sogar
vorausgeplant werden. Ihre Anwendung ist überraschend vielseitig. Zur Übersicht wird in Tabelle 1
eine Einteilung der makromolekularen Stoffe nach Hermann Staudinger, dem Wegbereiter der
Makromolekularen Chemie (1881-1965, Nobelpreis 1953), aufgeführt. Auf Naturstoffen basierende
Polymere, wie Cellulose, Stärke, Wolle und Naturkautschuk spielen eine wichtige Rolle.
Synthetische Polymere dagegen haben technisch die bei weitem größte Bedeutung erlangt. Daher
werden im Rahmen dieses Buches auch nur solche makromolekularen Stoffe behandelt, die, auf
synthetischem Wege aufgebaut, als Werkstoffe Verwendung finden. Zum besseren Verständnis
dieser Werkstoffklasse - der sogenannten "Kunststoffe" - werden zunächst mit Hilfe der Physik der
Hochpolymeren Einblicke in den Aufbau der ihnen zugrundeliegenden Makromoleküle gegeben und
erst dann die verschiedenen Herstellungsmöglichkeiten (Synthesen) diskutiert. Die Bedeutung der
Kunststoffe wird durch eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen aus dem täglichen Leben
veranschaulicht. Eine Reihe von Versuchen trägt nicht nur zum Verständnis der Theorie bei, sondern
soll auch die kreative Lust zum Experimentieren wecken.
Es ist uns seit Jahrhunderten geläufig, dass aus Erzen Metalle werden, aus Kaolin Porzellan entsteht,
aus Sand Glas, aus tierischen Häuten Leder, aus Bäumen Tischlerholz. Aber dass aus Kohlenteer,
3

aus Erdöl oder Erdgas (Hauptquelle für Kohlenwasserstoffe), aus dem Stickstoff der Atmosphäre
(via Haber-Bosch-Verfahren), aus dem Wasser der Ozeane und Flüsse, aus dem Salz der Salzlager
(via Chlor-Alkali-Elektrolyse) feste, harte, zähe, aber auch geschmeidige und elastische Werkstoffe
hervorgehen oder auch Faserstoffe, die uns zur Bekleidung dienen, das ist das Ergebnis der
Kunststoffchemie (siehe Abb. 1).
Tabelle 1
Einteilung der makromolekularen Stoffe 1)
(nach H. Staudinger)
I. Naturstoffe
A. Kohlenwasserstoffe: Kautschuk, Guttapercha, Balata
B. Polysaccharide: Cellulose, Stärke, Glykogen, Mannane, Pektine, Polyuronsäuren,
Chitin
C. Polynucleotide (Nucleinsäuren)
D. Proteine und Enzyme
E. Lignine und Gerbst offe (Übergang von den niedermolekularen zu den makromolekularen
Stoffen)
II. Umwandlungsprodukte von Naturstoffen
A. Vulkanisierter Kautschuk (= Gummi)
B. Zellwolle
C. Celluloseether, -ester und -hydrate
D. Leder
E. Lanital ®
F. Galalith usw.
III. Synthetische Stoffe ("Kunststoffe")
Entstanden durch:
A. Polykondensation: z.B. Phenol-(Harnstoff-, Melamin-)Formaldehyd-Harze, Polyamide,
Polyester, Polycarbonate, Silikone
B. Polymerisation: z.B. Polyolefine (Polyethylen), Polyvinylchlorid, Polystyrol,
Polybutadien, Polymethacrylsäuremethylester, Polyacrylnitril
C. Polyaddition: z.B. Polyurethane, Epoxidharze
4

1) Es handelt sich hier um die historische Betrachtungsweise H. Staudingers. Heute werden nahezu alle modernen
Kunststoffe auf der Basis von Erdöl hergestellt.
Abb.1
Diesel- und Heizöle
70%
Vergaserkraftstoffe
12,5%
Vom Erdöl zum Kunststoff
Erdöl
100%
Benzine
20%
Chemie-Rohstoffe
7,5%
Kunststoffe
4%
5
Sonstige
10%
andere Chemieprodukte
96%
Polyethylen PVC Polyurethane Polypropylen Polyamide Polyester Polystyrol
1.2. Vielseitigkeit der Kunststoffanwendungen
Kunststoffe sind aus unserem Leben und unserer Umgebung nicht mehr wegzudenken. Sie sind
neuartige Werkstoffe, deren Verarbeitungsmöglichkeiten neue und überlegene Verfahren der
Formgebung ermöglichen. In der Regel ist bei den Kunststoffen nach der Formgebung keinerlei
Nachbehandlung, etwa ein Anstrich, notwendig. Andererseits lassen sich Kunststoffe mit Pigmenten
und anorganischen Füllstoffen versetzen, mit Glasfasern zu neuen Werkstoffen kombinieren oder
mit Metallen zu Sandwich-Konstruktionen oder einseitig beschichteten Formkörpern verarbeiten.
Kunststoffe gehören heute zum selbstverständlichen Rüstzeug des Konstrukteurs, des Architekten,
des Modeschöpfers und des Künstlers. Sie sind Grundstoffe, Hilfsmittel, Baustoffe und
Konstruktionselemente. Kunststoffe haben weitgehend den Ruf billiger Ersatzstoffe verloren; sie
werden anerkannt als Werkstoffe hoher Güte, die es uns gestatten, auf neuen, arbeits- und

zeitsparenden Wegen zu völlig neuen Konstruktionen und Anwendungsgebieten zu gelangen. Sie
tragen wesentlich zur Erforschung des Weltraums bei, helfen der Elektroindustrie, dem Maschinen-
und Fahrzeugbau, dienen der Chemie bei der Gestaltung und Auskleidung von Apparaturen für
moderne chemische Synthesen, erleichtern unser Leben und verschönern unseren Alltag. Moderne
Raumgestaltung, ausreichende und zweckmäßige Kleidung, aber auch wichtige Fortschritte in der
Medizin (Implantate, Dialysemembranen, Zahnersatz) und Informationstechnik (Fotoresists,
Lichtleiter, Compact-Discs) wären undenkbar ohne die Kunststoffe - diesen Werkstoffen aus der
Retorte.
1.3. Heutige Entwicklung des Kunststoffmarktes
Der stetig zunehmende Einsatz von Kunststoffen im Werkstoffbereich spiegelt sich in einer seit
Jahren steigenden Kunststoffproduktion wider. Die Massenkunststoffe Polyethylen, Polypropylen
und Polyvinylchlorid machen zusammen etwa 60 Prozent aller erzeugten Kunststoffe aus. Neue
Anwendungsgebiete und verbesserte Materialien sind in vielen Fällen das Ergebnis optimierter
Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren. Während neu entwickelte Polymerbausteine nur für
wenige, wenn auch bedeutende Spezialanwendungen eingesetzt werden, nehmen Mischungen
bekannter Polymere mit überraschenden Eigenschaftskombinationen sowie mit Fasergebilden
verstärkte Polymere einen zunehmenden Markt ein.
Diese Aufwärtsentwicklung, deren Ende noch nicht abzusehen ist, verdanken die Kunststoffe ihren
besonderen Eigenschaften, die den technischen Bedürfnissen unserer Zeit entgegenkommen. Es
werden heute Stoffe benötigt, die für zahlreiche neue Einsatzgebiete besser sein müssen als die Natur
sie zu liefern vermag.
Aufgrund ihrer enorm gesteigerten Anwendungsmöglichkeiten und der riesigen Produktionsvolumina
der Kunststoffe entstanden in den letzten Jahren für Industrie und Gesellschaft zunehmend neue
Probleme und Aufgabenstellungen. Eine dieser wichtigen Technologiefragen ist das Problem des
6

Recyclisierens von Kunststoffen, das wir wegen seiner Bedeutung für die Zukunft in Kapitel 10
dieses Buches ausführlich diskutieren.
7

2. Makromolekül und Kunststoff: Begriffsbestimmung
In der Tat ist es erstaunlich, wie vollkommen heute bereits die Eigenschaften vieler Kunststoffe sind.
Ist es doch noch gar nicht lange her, seit Hermann Staudinger im Jahre 1922 erstmals die neue
Bezeichnung "Makromoleküle" in Vorschlag brachte. Mittels polymeranaloger Umsetzungen, z.B.
Verseifung von Polyvinylacetat zu Polyvinylalkohol und anschließendem Reacetylieren zum
Polyvinylacetat (Abb. 2) sowie durch gezielten Abbau und Aufbau von Polyoxymethylenen (=
Polyformaldehyd), konnte die Existenz von Riesenmolekülen, in denen alle Atome durch
Hauptvalenzen verknüpft sind, eindeutig geklärt werden. Selbst danach hat es noch viele Jahre
gedauert, bis sich die neuen Erkenntnisse endgültig durchsetzen konnten.
Abb. 2: Umwandlung von Polyvinylacetat und Polyvinylalkohol ineinander
H3C CO O CH
H C CO O CH
3
CH 2
CH 2
H C 3 CO O
CH2 CH
H C 3 CO O
CH2 CH
Polyvinylacetat
+ OH,
-
- CH -COO
-
3
+ CH 3-COOH, - H 2O
H C 3 CO O C
H
Vinylacetat
8
CH 2
CH 2
HO CH
CH2 HO CH
CH2 HO CH
CH2 HO CH
Polyvinylakohol
Noch in den Jahren 1928 - 1930 hielten viele Forscher die Existenz derart großer Moleküle, wie sie
für den Aufbau von Kunststoffen benötigt werden, für unmöglich. Sie glaubten, die Eigenschaften
polymerer Substanzen mit Assoziaten aufgrund von Nebenvalenzkräften (s. Kapitel 3.2.) erklären
zu müssen. K.H. Meyer und H. Mark traten für einen micellaren Aufbau von Kolloidteilchen in den
Lösungen makromolekularer Stoffe ein. Erst nach 1935 hat sich die makromolekulare Auffassung
durchsetzen können. Leider ist für das Wort "Kunststoffe" bis heute noch keine allgemein anerkannte

Begriffsbestimmung gefunden worden. Die seit Jahren umstrittene Frage einer systematischen und
einheitlichen Werkstoffbezeichnung konnte noch nicht gelöst werden, und die Klassifizierung der
Kunststoffe wird noch immer nach verschiedenen Gesichtspunkten vorgenommen , so z.B.
• nach ihrer chemischen Zusammensetzung
• nach der Molekülgestalt
• nach ihrem physikalischen Verhalten
• nach den Verarbeitungsarten des Rohproduktes
• nach Bildungsreaktionen usw.
Zu den sogenannten Kunststoffen zählen auch Kunstfasern, Kunstgläser, Synthesekautschuk,
Schaumstoffe, Klebstoffe, Lackrohstoffe, viele Hilfsstoffe für die Leder-, Textil-, Papier- und
Erdölindustrie. Zählt man einmal nach, so stellt man fest, dass es nur etwa zwei Dutzend wichtige
Kunststoff-Typen, aber mehrere Tausend Handels- (also Phantasie-) Bezeichnungen bei den
Kunststoffen gibt. Hierdurch wird es schwierig, ohne Anleitung den richtigen Kunststoff für den
richtigen Anwendungszweck auszuwählen.
Die Fülle der angebotenen Materialien erscheint unüberschaubar. Um den Überblick also nicht zu
verlieren, benötigt man eine vernünftige Einteilung. Vom Fachnormenausschuss Kunststoffe im
Deutschen Normenausschuss wurde eine Begriffsbestimmung vorgeschlagen, die für die Zwecke
eines Lehrbuches so aussagekräftig ist, dass sie hier herangezogen werden soll, obwohl sie
inzwischen vielfach abgewandelt wurde:
"Kunststoffe" oder "Plaste" sind danach Materialien, die
A) in ihren wesentlichen Bestandteilen organischer Natur sind,
B) aus Makromolekülen aufgebaut sind (d.h. mindestens 10 2 Grundbausteine ent-
halten, die durch Hauptvalenzen miteinander verknüpft sind),
C) durch Synthese oder durch Umwandlung von Naturprodukten entstehen.
9

zu A): Die Kunststoffe sind in ihren wesentlichen Bestandteilen organischer Natur
Die Kunststoffe gehören somit aufgrund ihrer chemischen Konstitution in den Bereich der
organischen Chemie, die allgemein auch als die Chemie der Kohlenstoffverbindungen bezeichnet
wird. Mineralische Hochpolymere, wie z.B. Diamant, Glimmer, Graphit, Asbest oder Glas, gehören
nicht zur Klasse der Kunststoffe.
Das Element Kohlenstoff als der Grundstoff der organischen Chemie nimmt unter den Elementen
insofern eine herausragende Sonderstellung ein, als seine Atome bekanntlich durch die seltene, aber
entscheidende Fähigkeit ausgezeichnet sind, sich in vielseitiger Weise aneinander zu binden. Diese C-
C-Bindungen können sowohl in Form von Ketten (acyclische Verbindungen) als auch in Form von
Ringen (cyclische Verbindungen) auftreten. Auf der Fähigkeit zu derartigen Verknüpfungen beruht
die unübersehbare Mannigfaltigkeit der Kohlenstoff-Verbindungen (weit über eine halbe Million) und
damit auch die stoffliche Grundlage der Kunststoff-Chemie. Dies schließt natürlich nicht aus, dass
Kunststoffe, wie auch organische Moleküle im allgemeinen, Heteroatome (insbesondere O, N, S, Cl)
enthalten können.
Auf dieser Stufe der Definition bleibt jedoch die Klasse der Silikone unberücksichtigt, da diese sich
aus Si-O-Si-O-Sequenzen anstatt aus C-C-Ketten aufbauen.
Zu B): Die Kunststoffe sind aus Makromolekülen aufgebaut
In allen Kunststoffen, mögen sie äußerlich noch so verschieden sein, ist das gleiche Bauprinzip, die
gleiche Architektur im Allerkleinsten zu finden. Sie sind aus vielen kleinen Einheiten aufgebaut, um
es mit einem Fachausdruck zu sagen: makromolekular.
10

Solche Makromoleküle entstehen dadurch, dass eine Vielzahl kleiner gleichartiger oder artverwandter
Moleküle (sogenannte Monomere oder Grundbausteine) über Hauptvalenzbindungen (kovalente
Bindungen) miteinander verknüpft werden.
Derartige Makromoleküle sind fadenförmige Riesenmoleküle. Eine regelmäßige und häufige
Aufeinanderfolge der Grundbausteine ist charakteristisch für den Strukturaufbau der Kunststoffe.
Dadurch unterscheiden sie sich bereits wesentlich von den uns bisher bekannten niedermolekularen
Stoffen.
Abb. 3: Verknüpfung von Monomeren zu Polymeren
Viele kleine Moleküle großes Fadenmolekül
H 2 C CH 2 + H 2 C CH 2 + H 2 C CH 2
Wenn man eine Grenze zwischen makromolekularen und niedermolekularen Verbindungen ziehen
will - beide Gruppen sind natürlich durch einen kontinuierlichen Übergang verbunden - so kann man
die Stoffe, die ein Molekulargewicht über 10.000 haben, deren Molekül also aus etwa 1000 und mehr
Atomen aufgebaut sind, als makromolekular bezeichnen. Moleküle mit einer geringeren Anzahl sich
wiederholender Einheiten werden Oligomere genannt.
Eine obere Grenze für die Größe der Makromoleküle lässt sich bis heute nicht angeben. Die als
Kunststoffe verwendeten Polymeren haben im allgemeinen Molekulargewichte der Größenordnung
10 4 - 10 6 . Bei natürlich vorkommenden Verbindungen sind Molekulargewichte von mehreren
Millionen bekannt.
11
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2

Zu C): Kunststoffe entstehen durch Synthese oder Umwandlung von Naturprodukten
Zur Herstellung hochpolymerer Werkstoffe bieten sich der Kunststoff-Chemie aufgrund der zur
Verfügung stehenden Ausgangsprodukte zwei grundverschiedene Möglichkeiten:
- Die Umwandlung von Naturprodukten, die bereits als hochmolekulare
Verbindungen vorliegen (z.B. Cellulose, Kasein; ab 1875)
- Die verschiedenen Methoden der Synthese wie: Polykondensation (ab 1910)
12
Polymerisation (ab 1930)
Polyaddition (ab 1940)
Die umgewandelten Naturprodukte werden an dieser Stelle - um den Rahmen der Betrachtungen
nicht zu sprengen - nicht behandelt.
Eine tiefgreifende stoffliche Erweiterung, durch die die Kunststoffe ihre heutige Bedeutung auf dem
Weltmarkt erlangt haben, ist erst durch die Entwicklung der oben angeführten chemischen Synthese-
Verfahren ermöglicht worden. Diese werden im Kapitel 6 ausführlich diskutiert.

3. Strukturprinzipien
Die Feststellung, aus welchen Atomen ein Makromolekül zusammengesetzt ist, sagt noch nichts
Entscheidendes über seinen Aufbau. So gibt es z.B. eine ganze Reihe makromolekularer Stoffe, die
nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind, aber ganz verschiedene Eigenschaften haben
wie: Polyethylen, Polypropylen, Naturkautschuk, Polystyrol, Polyisobutylen, Polybutadien. Ent-
scheidend ist, wie die verschiedenen Atome miteinander verbunden sind und wie ihr Verhältnis
untereinander ist.
Die Größe der Makromoleküle bedingt Variationsmöglichkeiten ihrer Gestalt und Ordnung, wie dies
z.B. auch bei Gebäuden der Fall ist: So wie man hier aus der gleichen Anzahl von Bausteinen ganz
verschiedene Häuser errichten kann, so unterscheiden sich auch die Makromoleküle weitgehend in
ihrer Gestalt und Ordnung, aber auch durch die Art und Anordnung der an ihrem Aufbau beteiligten
Atome (= chemischer Aufbau).
Wissenschaftlich lassen sich diese Strukturprinzipien so beschreiben, dass man ein komplex
aufgebautes Polymer gedanklich zuerst auf seine elementaren Atombausteine und deren gegenseitige
chemische Verknüpfung zurückführt (Primärstruktur). Anschließend beschreibt man die räumliche
Anordnung des so definierten einzelnen Makromoleküls (Sekundärstruktur). Zuletzt ist es jedoch
von entscheidender Bedeutung zu erkennen, wie sich mehrere Makromoleküle zu mikroskopisch
oder mit bloßem Auge sichtbaren Aggregaten zusammenfinden (Tertiär- oder Aggregatstruktur), da
diese einen entscheidenden Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften eines Kunststoffes haben.
Zum Verständnis von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ist diese Systematik der Struktur-
prinzipien sehr hilfreich. Diese werden im folgenden im Detail erläutert.
13

3.1. Primärstruktur
Der chemische Aufbau der Polymeren hängt von der Art der eingesetzten Monomeren, bei
Monomergemischen von dem Verhältnis und der Verknüpfungsart (statistisch, alternierend,
sequentiell) der miteinander polymerisierenden Monomerbausteinen ab. Die chemische
Zusammensetzung gibt die relative Atomzusammensetzung wieder, wie sie in der Elementaranalyse
erfasst wird. Der Aufbau der Polymerkette wiederum kann linear sein, das Polymer kann verzweigt
(strauchartig) oder aber auch vernetzt sein. Vernetzte Polymere können prinzipiell auch in größeren
Formteilen nur aus einem einzigen riesigen Polymermolekül bestehen. Die uns aus der organischen
Chemie bekannten Strukturelemente zur exakten Wiedergabe eines Moleküls umfassen
a) Konstitution (Beschreibung der Atomsequenz)
b) Konfiguration (Beschreibung der räumlichen Anordnung ohne Berücksichtigung von
Drehungen um Einfachbindungen)
c) Konformation (Beschreibung der exakten räumlichen Anordnung unter Berücksichtigung
von Drehungen um Einfachbindungen)
Unterschiede in Konstitution, Konfiguration und Konformation führen bei niedermolekularen
Verbindungen zu unterscheidbaren Isomeren. Die Primärstruktur von Polymeren wird durch
Konstitution und Konfiguration der Kettenbausteine bestimmt. Die Konformation der
Polymerketten und ihre Beschreibung ist Gegenstand der Sekundärstruktur (s. 3.2.).
Gerade die Art der Verknüpfung der Monomeren ist für viele Eigenschaften der Kunststoffe von
Bedeutung. So können z.B. in Vinylpolymeren prinzipiell (s. Kapitel 6.3.1., Abb. 28) zwei
verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der Monomeren vorkommen, nämlich die Kopf-Schwanz-
Struktur und die Kopf-Kopf-Struktur (Abb. 4).
H H
C
C
X
H
14
n

Abb. 4: Konstitutions-Isomere: Kopf-Schwanz- bzw. Kopf-Kopf-Struktur
X X X X X
Kopf-Schwanz-Struktur
1,3-Stellung der Substituenten X
X
15
X
X
Kopf-Kopf-Struktur
1,2-Stellung der Substituenten X
Aus energetischen und sterischen Gründen ist die Kopf-Kopf-Struktur allerdings ein seltener
Ausnahmefall. Die meisten Vinylpolymere bevorzugen die Kopf-Schwanz-Anlagerung, wobei es
aber nur schwer zu beweisen ist, dass diese Regelmäßigkeit der Anordnung nicht doch in einigen
wenigen Fällen unterbrochen ist.
Bei der Polymerisation von 1,3-Dienen (z.B. Butadien) lassen sich zwei Konstitutionsisomere
unterscheiden, die durch 1,2- bzw. 1,4-Polymerisation entstanden sind. Die sich im 1,4-
Polybutadien neu bildenden Doppelbindungen können außerdem cis- und trans-konfiguriert sein.
X
X

Abb. 5: Isomere bezüglich Konstitution (1,2- bzw. 1,4-Anordnung) und Konfiguration
(trans- bzw. cis-Anordnung)
1,2-Polybutadien
Butadien
all-trans-1,4-
Polybutadien
R
R
all-trans-1,4-
Polybutadien
bzw. -isopren
16
R
R
2-Methyl-1,3-butadien
oder Isopren
R
all-cis-1,4
Polybutadien
bzw. -isopren
Die Bezeichnungen "all-trans"- bzw. "all-cis"- deuten bereits an, dass hiermit nur zwei Grenzfälle
formuliert wurden. In der Praxis lässt sich durch präparative Kniffe das Verhältnis von cis- zu trans-
konfigurierten Doppelbindungen ebenso wie das Verhältnis von 1,2- zu 1,4-Polymerisat in weiten
Bereichen wählen. Dies hat entscheidenden Einfluss auf die Materialeigenschaften. So entspricht
z.B. das all-cis-konfigurierte Polyisopren (s. Abb. 5 für R = CH3) dem Naturkautschuk mit seinen
bekannten elastischen Eigenschaften. Das all-trans-1,4-Polyisopren hingegen kommt in der Natur als
Guttapercha vor und ist kristallin und unelastisch. Im Kapitel 4.2.2. werden diese
Eigenschaftsunterschiede aus den Strukturkennzeichen näher erläutert.

An dieser Stelle muss jedoch auf eine weitere Differenzierung der Primärstruktur von
Makromolekülen bezüglich ihrer Konfiguration hingewiesen werden. Schon in den beiden
vorangegangenen Abbildungen waren Makromoleküle mit tertiären C-Atomen innerhalb einer
Vinylkette zu sehen, die vier unterschiedliche Substituenten enthielten. Diese tertiären C-Atome
sind als Asymmetriezentren (vergl. z.B. Milchsäure) zu betrachten, an denen der Substituent X in
zwei räumlich unterschiedlichen Anordnungen, R- bzw. S-Konfiguration, gebunden sein kann. Wenn
alle Substituenten einer Vinylkette die gleiche Orientierung aufweisen (also alle R- oder alle S-
Anordnung), dann nennt man das Makromolekül "isotaktisch". Wechseln beide Konfigurationen
regelmäßig ab (R-S-R-S-R-S), dann spricht man von "syndiotaktischen" Polymeren.
Die meisten radikalisch hergestellten Polymere haben keine regelmäßige sterische Anordnung der
Substituenten. R- und S-Konfiguration folgen rein zufällig aufeinander. Man nennt diese Polymere
"ataktisch" (Abb. 6).
Abb. 6: Konstitutions-Isomere des Polypropylens bezüglich Taktizität
a) isotaktische Anordnung
b) syndiotaktische Anordnung
c) ataktische Anordnung
a)
b)
c)
CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3
CH3 CH 3 CH3 CH3 CH 3 CH3 CH3 CH CH CH CH CH CH CH 3 3 3 3 3 3 3
Während sich Polymere unterschiedlicher Taktizität in gelöstem Zustand sehr ähnlich verhalten,
unterscheiden sie sich ansonsten deutlich. Während z.B. ataktisches Polypropylen ein weiches,
elastisches, gummiartiges Material ist, zeigen iso- und syndiotaktisches Polypropylen einen hohen
17

Anteil an Kristallinität, was die Verarbeitung zu Rohren, Folien oder Fäden ermöglicht.
Polypropylen z.B. ist durch Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen (Katalysator, Temperatur,
Solvens) in allen drei stereoisomeren Formen darstellbar. Man spricht hierbei von stereospezifischen
Polymerisationen.
Bis zu dieser Stelle wurde die Primärstruktur von Makromolekülen an den einfachsten Beispielen,
kettenförmigen aus nur einem Monomer aufgebauten Strukturen, erläutert (unverzweigte Homo-
polymerisate). Die Primärstruktur umfasst auch die sehr bedeutenden Aspekte, dass Makromoleküle
aus mehreren unterschiedlichen Monomeren aufgebaut sein und molekulare Verzweigungen und
Vernetzungen aufweisen können. Diesen Themen sind die beiden folgenden Abschnitte gewidmet.
3.1.1. Copolymere
Wenn zwei (oder mehrere) unterschiedliche Monomere in eine Polymerkette eingebaut werden,
entstehen sogenannte "Co- oder Mischpolymerisate". Je nach Art der Sequenz zweier in "einem"
Makromolekül enthaltenen Monomere A und B spricht man von binären
statistischen Copolymerisaten -A-A-B-A-B-B-A-B-A-A-A-
alternierenden Copolymerisaten -A-B-A-B-
und Block-Copolymerisaten oder Segment-Copolymerisaten -A-A-A-A-B-B-B-B-
Sind bei einem verzweigten Produkt die Verzweigungen aus einem anderen Monomer aufgebaut als
die Hauptkette, so spricht man von einem "Pfropfcopolymerisat".
A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A
B B
B
B B
B
B B
B
B B
B
18

Zur Begriffsabgrenzung sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass ein Kunststoff auch aus
verschiedenen Monomeren in der Art aufgebaut sein kann, dass jedes enthaltene Makromolekül für
sich ein Homopolymerisat darstellt, aber in verschiedenen Molekülen unterschiedliche Monomere
eingebaut wurden. Es handelt sich bei diesem Kunststoff dann um eine Mischung verschiedener
Polymere, die man auch Polymer-Blend oder Polymer-Legierung nennt (s. Kapitel 8.2.3.).
19

3.1.2. Verzweigte/vernetzte Makromoleküle
Für die Gestalt der Makromoleküle lassen sich ganz allgemein drei extreme Fälle denken:
1) unverzweigte, lineare (faden- oder kettenförmige) Gestalt:
2) verzweigte (strauchähnliche) Gestalt:
3) (flächennetz- oder) raumnetzförmige Gestalt:
Ausschnitt
20
höherfunktionelles Monomer
= Vernetzer
CH2-OH H C 3
CH2-OH CH -OH 2
oder
Die flächennetzförmige Gestalt ist bisher nur bei Glimmer und Graphit, jedoch noch nicht bei
nichtmineralischen hochpolymeren Werkstoffen gefunden worden.
O
H 3 C
H 2
C
oder
CH 3
C
H 2
O
O

Verzweigte Polykondensate (s. Kapitel 6.2.) entstehen in Gegenwart von Monomeren mit einer
Funktionalität größer als zwei.
Die Polymerisation (s. Kapitel 6.3.) von Alkenen führt schon bei Anwesenheit von bifunktionellen
Monomeren zu verzweigten Strukturen. Das höherfunktionelle Monomer kann also Anlass zu
Verzweigungen geben. Bei Anwesenheit vieler Verzweigungen in einem Makromolekül kann ein
polymeres Material aus nur einem einzigen Molekül bestehen, das weitgehend vernetzt ist. Diese
höherfunktionellen Monomere werden deshalb auch als Vernetzer bezeichnet. Man spricht im
allgemeinen dann von vernetzten Makromolekülen, wenn diese durch zunehmende Verzweigung in
allen Lösemitteln unlöslich geworden sind. Ein teilvernetztes Polymer hingegen besteht aus löslichen
und unlöslichen Makromolekülen.
Von der Struktur her besteht zwischen verzweigten und vernetzten Makromolekülen nur ein geringer
Unterschied, nämlich die Höhe der Vernetzungsdichte. Abbildung 7a zeigt schematisch drei
verzweigte Makromoleküle. Diese wurden durch Erhöhung der Vernetzungsdichte in vernetzte
Makromoleküle überführt, indem die Anzahl der Verknüpfungspunkte (Abb. 7b) bzw. der
Polymerisationsgrad (Abb. 7c) erhöht wurde.
Dieser strukturelle Unterschied hat jedoch einen dramatischen Einfluss auf das qualitative Verhalten
des Polymers. Das vernetzte Polymer ist in allen Lösemitteln unlöslich; in Abhängigkeit vom
Vernetzungsgrad und der Art des Lösemittels quillt das Polymer bei Lösemittelkontakt nur an (es
saugt das Lösemittel ähnlich wie ein Schwamm auf ).
Es entsteht ein sogenanntes Gel. Der Grad der Quellung nimmt mit steigendem Vernetzungsgrad ab.
Die Erscheinung der Quellung zeigen zwar alle Polymere hohen Polymerisationsgrades, jedoch
gehen unvernetzte Polymere mit der Zeit in viskose Lösungen über, während die Quellung der
vernetzten Polymere scharf begrenzt ist und eine Erhöhung der Lösemittelmenge nur zu einer
separaten Lösemittelphase führt.
21

Entstehen die Vernetzungsbindungen nicht zwischen verschiedenen wachsenden Makromolekülen
(intermolekulare Vernetzung), sondern zwischen verschiedenen Bereichen eines einzigen
Makromoleküls (intramolekulare Vernetzung), so spricht man von der Bildung von Mikrogelen.
Abb. 7: Vernetzung dreier verzweigter Makromoleküle (a) durch Erhöhung der Anzahl an
a)
Verknüpfungspunkten (b) bzw. durch Erhöhung des Polymerisationsgrades (c)
b)
c)
Bei einer Polymerisation in Lösung kann die viskose Reaktionslösung innerhalb weniger Sekunden in
ein vernetztes Gel übergehen. Dieses Phänomen erklärt sich zwangsläufig aus den obigen
Ausführungen durch die Überschreitung einer kritischen Vernetzungsdichte. Der Zustand beim
plötzlichen Überschreiten der kritischen Vernetzungsdichte wird als Gelpunkt bezeichnet.
22

3.2. Sekundärstruktur und zwischenmolekulare Bindungskräfte
Bevor die höchst interessante Sekundärstruktur der Makromoleküle näher erläutert wird, zunächst
einige hierzu notwendige Bemerkungen über die sogenannten zwischenmolekularen Bindungskräfte
(auch Nebenvalenz- oder Sekundärbindungskräfte genannt), die von entscheidendem Einfluss auf
das Verhalten der Kunststoffe sind:
Man versteht darunter die Bindungskräfte zwischen den einzelnen Molekülen. (Im Gegensatz dazu
bezeichnet man die wesentlich stärkeren Bindungen der Atome innerhalb eines Moleküls als
Hauptvalenz-, Primär- oder kovalente Bindungen).
Die Stärke der Sekundärbindungskräfte ist abhängig
- vom chemischen Aufbau, der Größe, Gestalt und Ordnung der Moleküle und
- von äußeren Einflüssen (Temperatur) und Einwirkung von Fremdmolekülen.
Niedermolekulare Substanzen mit einheitlichen Molekülen besitzen definierte Sekundärbindungs-
kräfte. Sie liegen deshalb in bestimmten Aggregatzuständen vor:
fest - flüssig - gasförmig
Beim Erwärmen werden die Sekundärbindungskräfte an festliegenden Umwandlungspunkten
(Schmelzpunkt - Siedepunkt) durch Wärmeenergie überwunden. Die Stärke der Sekundärbindungskräfte
wächst mit der Berührungsfläche der Moleküle untereinander, also mit der Molekülgröße und
dem Grad der Molekülordnung. Außerdem ist die Intensität dieser Sekundärkräfte von der Zahl
polarer Gruppen (z.B. Carbonamidgruppen) im Molekül abhängig.
Bei den makromolekularen Stoffen wird somit einerseits der Zusammenhalt der Moleküle durch ihre
Größe begünstigt, andererseits durch mangelnde Molekülordnung beeinträchtigt. Außerdem ergeben
schwankende Molekülgröße und wechselnder Ordnungsgrad Sekundärbindungskräfte sehr
23

unterschiedlicher Stärke. Deshalb treten verschiedene Kunststoffe in einer breiten Skala von
Übergangsformen zwischen dem festen und flüssigen Zustand auf.
Beim Erwärmen eines Polymers, dessen Makromoleküle immer eine Molekulargewichtsverteilung
aufweisen, werden die Sekundärbindungen auch zwischen den Makromolekülen in mehr oder
weniger breiten Temperaturbereichen überwunden, wodurch eine mehr oder weniger schnelle
Erweichung oder Verflüssigung eintritt.
Die Sekundärbindungskräfte beruhen auf verschiedenen intermolekularen Anziehungskräften. Wir
unterscheiden im wesentlichen zwischen:
A) Van-der-Waals-Kräfte (Dispersionskräfte)
Es sind dies in der Materie allgemein wirkende ungerichtete Anziehungskräfte zwischen den
Molekülen. Es handelt sich bei ihnen letzten Endes um eine elektrostatische Wirkung, die durch den
Aufbau der Atome und Moleküle aus Elektronen und positiv geladenen Kernen bedingt ist.
B) Dipol-Dipol-Wechselwirkungen
Hierunter versteht man die elektrostatische Anziehungskraft, die zwischen dem positiv geladenen
(bzw. partiell positiv geladenen) Teil eines Moleküls und einem negativen Molekülteil wirkt.
+
-
-
+
C) Wasserstoffbrücken-Bindungen
Hier liegt eine besonders wirkungsvolle Dipol-Dipol-
Anziehung vor, bei der ein Wasserstoffatom als Brücke
24
R
H O
R O H
H
R
R N R
O
R

zwischen zwei elektronegativen Atomen (insbesondere O, N oder F) fungiert, wobei es mit dem
einen Atom durch eine kovalente Bindung, mit dem anderen nur durch elektrostische Kräfte ( ... )
verbunden ist.
Mit 1 - 2 kJ/mol hat eine Wasserstoffbrücken-Bindung üblicherweise nur etwa 1/10 der Stärke einer
kovalenten Bindung, ist aber viel ausgeprägter als andere Dipol-Dipol-Anziehungen oder gar reine
van-der-Waals-Kräfte. Gerade die Wasserstoffbrücken-Bindungen sind für die Festigkeit mancher
Hochpolymere ausschlaggebend (Polyamide, Polyurethane, Polyvinylalkohol, Polynukleotide).
Der Einfluss dieser drei unterschiedlichen Sekundärbindungskräfte auf die Sekundärstruktur eines
Makromoleküls bzw. die Tertiärstruktur von Makromolekülaggregaten ist wohl am eingehendsten
bei den Polypeptiden untersucht worden. Die Größe der sperrigen Seitenketten R beeinflusst dort
die van-der-Waals-Kräfte, die polaren Peptidbindungen bewirken Dipol-Dipol-Wechselwirkungen
und die C = O ... HN - Wasserstoffbrücken sind besonders für den Aufbau von α-helicalen (Abb. 8a)
bzw. Faltblattstrukturen (Abb. 8b) verantwortlich.
Abb. 8: Helix- (a) und Faltblattstruktur (b) von Polypeptiden
a) b)
25

Zur Erinnerung: Die Sekundärstruktur beschreibt die räumliche Anordnung eines einzelnen Makro-
moleküls und wird durch die Sekundärbindungskräfte beeinflusst.
Die helicale Sekundärstruktur ist hierbei ebenso die Ausnahme wie die Anordnung des
Makromoleküls als gestreckte Kette. Bei synthetischen amorphen Makromolekülen ist das stati-
stische Knäuel die dominierende Sekundärstruktur. Kristalline oder teilkristalline Polymere ent-
halten besonders häufig gefaltete Makromolekülketten.
Abb. 9: Sekundärstrukturen verzweigter und unverzweigter Makromoleküle
a) gestreckte Kette
b) ungeordnetes Knäuel
c) gefaltete Kette
d) Helix
Wie bereits erwähnt beeinflussen die Sekundärbindungskräfte auch die Aggregation verschiedener
Makromoleküle untereinander. Die entstehenden Tertiär- (oder Aggregat-) Strukturen werden im
folgenden Kapitel erläutert.
26

3.3. Tertiärstruktur
Mit der Einführung der Tertiärstruktur wird der Übergang von der rein molekularen Ebene zu
mikroskopisch oder sogar mit bloßem Auge sichtbaren Aggregaten verschiedener Makromoleküle
beschritten. Diese Aggregate erzeugen nicht nur den sogenannten Aggregatzustand des Polymers
zwischen fest und flüssig, sondern auch sein Maß an Kristallinität (z.B. in Form eines Fadens, einer
Fransenmizelle, eines Sphärolithen oder eines lamellenartigen Einkristalls) bzw. die völlige
Unordnung des amorphen Zustandes (z.B. in Form von ineinander verflochtenen statistischen
Knäulen). Die hier erwähnten unterschiedlichen, möglichen Tertiärstrukturen sollen im folgenden
kurz erklärt werden.
Der amorphe Zustand wird in Abb. 10 a durch ein Bindfadenmodell verflochtener statistischer
Knäule symbolisiert. Die Fadenmoleküle erfüllen den Raum als äußerst dicht verknäuelter Filz. Der
einzelne Faden darin ist nicht geradlinig gestreckt, nicht starr, sondern in einem Zustand wechselnder
Knäuelung entsprechend der Drehbarkeit der C-Atome gegeneinander. Die Makromoleküle solcher
amorpher Thermoplaste (s. Kapitel 4.1.) werden bei tiefen Temperaturen durch Sekundärkräfte so
stark festgehalten, dass sie sich nicht gegeneinander bewegen können. Amorphe Kunststoffe sind
deshalb glasartig und spröde.
Abb. 10: Tertiärstrukturen
a) völlige Unordnung (amorpher
Zustand): Bindfadenmodell von
verflochtenen statistischen
Knäulen
27

) teilkristalliner Zustand:
Bindfadenmodell von Fransenmizellen
(Kristallite von 16 - 40 nm Länge)
c) und elektronenmikroskopische Aufnahme
einer Polyethylenbruchfläche, die die
geordneten Bereiche deutlich zeigt.
d) Kristalline Sphärolith-Bereiche (Durchmesser der kugelförmigen Überstrukturen bis 0,25 mm)
liegen neben amorphen Bereichen vor
28

e) Lichtmikroskopische Aufnahme
eines Sphärolithen aus isotaktischem
Polystyrol.
f) Kristalliner Zustand z.B. schematisch als lamellenförmiger Einkristall dargestellt, dessen
Zusammenlagerung über Korngrenzen hinweg in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme des
Polyethers Penton ® (Poly-3,3-di-(chlormethyl)oxacyclobutan) deutlich wird.
Fasern sind durch eine große Zugfestigkeit in
Faserrichtung gekennzeichnet. Diese hohe Zugfestigkeit
einiger Kunstfasern kann durchaus vergleichbar mit jener
des Stahls sein und resultiert aus dem molekularen
Aufbau. Lange, "fadenartige" Molekülketten liegen
nämlich streng räumlich gerichtet eine neben der anderen.
Diese Einschränkung der Anordnungsmöglichkeiten bedingt natürlich einerseits eine ungünstige En-
tropie (Maß für Unordnung) des Systems. Andererseits gestatten diese Regelmäßigkeit und der enge
Zusammenhalt der Moleküle die Ausbildung starker intermolekularer Kräfte, die sich günstig auf die
29

Enthalpie (den Wärmeinhalt) des Systems auswirken. Verwendungsmöglichkeiten von
Makromolekülen hängen entscheidend von diesem "Tauziehen" zwischen Enthalpie und Entropie
ab. In einer Faser gewinnt die Enthalpie über die Entropie aufgrund dominierender intermolekularer
Kräfte.
Die Ausrichtung der Moleküle einer Faser kann durch Verstrecken eines amorphen Kunststoffes in
der Wärme erreicht werden. Durch das Strecken werden die zwischenmolekularen Kräfte maximal
wirksam. Sind die zwischenmolekularen Kräfte sehr klein, so kann der Verband der statistisch
ungeordneten Makromoleküle nach dem Aufheben der Zugspannung wieder in seine ungeordnete
Gleichgewichtslage zurückkehren.
Wenn sich jedoch beim Strecken z.B. Wasserstoffbrücken ausbilden können, wie z.B. beim
Polyamid (Perlon ® oder Nylon ® ), dann wird die gestreckte Form fixiert, d.h. die makromolekulare
Verbindung ist weitgehend in den kristallisierten Zustand übergegangen und hat Faserstruktur
angenommen.
Versuche Nr. 1 und 2
Vor der Beschreibung weiterer Tertiärstrukturen sollen nun erst einige allgemeine Bemerkungen über
den Kristallzustand gemacht werden.
Ein Kunststoff liegt im allgemeinen nicht in völlig kristalliner Form vor. Mit einsetzender
Verfestigung des M aterials wird die Bewegungsmöglichkeit der Makromoleküle so eingeschränkt,
dass sie sich nicht mehr in einem so regelmäßigen Muster anordnen können, wie dies für die
Kristallbildung erforderlich wäre. Die Ketten verstricken sich aufgrund behinderter Rotationen um
Einfachbindungen ineinander, wodurch Feststoffe entstehen, in denen sehr kleine kristalline Gebiete
(sog. Kristallite) in amorphes Material eingebettet sind (2-Phasenmodell). Der Kristallinitätsgrad
eines Polymers beschreibt den Anteil, zu dem es aus Kristalliten aufgebaut ist.
30

Definitionsgemäß bezeichnet man einen Körper als kristallin, wenn sich seine elementaren Bausteine,
z.B. Grundmoleküle, in drei nicht in einer Ebene liegenden Raumrichtungen in regelmäßigen
Abständen wiederholen. Durch drei nicht koplanare Vektoren wird ein Raumgitter festgelegt, durch
dessen Gitterpunkte sich zahlreiche zueinander parallele Netzebenen legen lassen. Man kann einen
Körper nur dann als kristallin bezeichnen, wenn solche Netzebenen existieren.
In der Natur sind solche Kristallsysteme am meisten verbreitet, die sich auf die kubisch oder
hexagonal dichteste Kugelpackung von Elementarteilchen zurückführen lassen. Die Kompliziertheit
der Bindungskräfte und die Existenz der gerichteten Bindungen lassen bei den synthetischen
Hochpolymeren im Gegensatz zu den anorganischen Kristallen wesentlich verwickeltere Strukturen
entstehen. Es herrschen monokline, rhombische und trikline Kristallformen vor.
Bei makromolekularen Stoffen befinden sich im kristallisierten Zustand die Atome der parallel (wie
Streichhölzer in einer Schachtel) gelagerten Molekülketten abschnittsweise in kristalliner Ordnung.
Sie besetzen die Gitterpunkte eines Kristallgitters. Die Ketten liegen dabei meist in Lamellen oder
Netzebenen, die durch Nebenvalenzkräfte zusammengehalten werden.
Die Kristallbildung wird durch die Struktur der Monomereinheiten und durch die Art der
Polymerisation bzw. Polykondensation festgelegt. Sind die entstandenen Makromoleküle verknäuelt
oder verfilzt, so wird auch bei der Lösung in beliebigen Lösemitteln und beim Schmelzen die
Verknäuelung kaum verschwinden. Das Molekül "schwimmt" unter Einlagerung von Lösemitteln
und scheidet sich dann als Ganzes beim Verdunsten oder der Extraktion des Lösemittels oder beim
Abkühlen aus, wobei die ursprüngliche Gestalt nahezu erhalten bleibt.
Polyamide kristallisieren teilweise beim raschen Abkühlen zum Beispiel in einer Spritzguss-
maschine. Durch Zusatz von Keimbildnern lässt sich dieser Anteil erhöhen und die Größe der
Kristallite beeinflussen. Die Temperaturbeständigkeit der Polyamide liegt in einem hohen
Kristallinitätsgrad begründet.
31

Möchte man die Kristallite von Polymeren untersuchen, die aus der Schmelze und aus Lösung nicht
teilkristallin anfallen, so gibt es zwei Möglichkeiten: Der Aufbau der Polymere erfolgt von Anfang
an sehr langsam. Auch bei nicht vorhandener Verknäuelung muss man den Molekülen zur
Parallellagerung genügend Zeit lassen. Eine solche Umlagerung ist selbstverständlich nur dann
möglich, wenn die Platzwechselvorgänge noch nicht eingefroren sind. Der zweite, üblicherweise
leichter durchzuführende Weg beschreitet ein langes Tempern bei mittleren Temperaturen. Die
Kristallisationsgeschwindigkeit wird durch die Keimbildungsgeschwindigkeit und die Wachstums-
geschwindigkeit der so entstandenen Keime festgelegt.
Kristalline und amorphe Zustände treten im Sinne des obigen 2-Phasenmodells in sehr vielen
hochmolekularen Stoffen gemeinsam auf. Die statistische Verteilung kristalliner und amorpher
Bereiche und deren Größe hat mit der Länge der Fadenmoleküle aber nichts zu tun. Ein einzelnes
Molekül kann verschiedenen Bereichen angehören und wesentlich größer sein als ein Kristallit.
Aufgrund des 2-Phasenmodells nahm man lange Zeit an, dass es für die optimalen
Gebrauchseigenschaften der Kunststoffe wichtig sei, dass ihre kristallinen und amorphen Bereiche in
einem gut ausgewogenen Verhältnis zueinander stehen, wobei die kristallinen Bereiche allein die hohe
Festigkeit und Temperaturbeständigkeit, die amorphen die Elastizität bestimmen sollten.
Diese Vorstellung ist inzwischen grundlegend revidiert worden. Es ist häufig übersehen worden, dass
das amorphkristalline 2-Phasenmodell eine Abstraktion darstellt, die nur einen stark idealisierten
Teilaspekt der tatsächlich vorliegenden Festkörperstrukturen wiedergibt. Entsprechendes gilt für den
sog. "Kristallinitätsgrad", der zwar im Rahmen des 2-Phasenmodells klar definiert, im Hinblick auf
reale Substanzen aber häufig unklar und verschwommen ist.
Einerseits bilden teilkristalline Polymere keinen Molekularfilz mit eingestreuten Kristalliten, sondern
Kristall-Lamellen mit einer hohen Konzentration an Kettenrückfaltungen in den
Lamellenoberflächen. Andererseits sind die Kristallbereiche nicht störungsfrei. Am Beispiel des
konventionellen Polyacrylnitrils (PAN) lässt sich zeigen, dass, obwohl die betreffenden
Röntgendiagramme einige Kristallreflexe aufweisen, PAN keinesfalls teilkristallin vorliegt, sondern
32

nur sogenannte Parakristallbereiche bildet. Ähnliches wie für das PAN gilt für viele andere
Hochpolymere (z.B. Polyethylenterephthalat). Nach den älteren Vorstellungen konnten die
Kristallbereiche als physikalische Netzstellen aufgefasst werden, so dass vor allem der
"Kristallinitätsgrad" von Interesse war. Nach den neueren Vorstellungen bilden dagegen die
Grenzflächen der Kristallbereiche wegen der hohen Konzentration an Rückfaltungen eher
Schwachstellen. Statt des "Kristallinitätsgrades" gewinnt deshalb die Struktur dieser Grenzflächen
mehr und mehr an Bedeutung.
Die mechanischen Eigenschaften teilkristalliner Thermoplaste (s. Kapitel 4.1.) hängen außer vom
Kristallinitätsgrad vor allem von der Struktur der Korngrenzen zwischen den Kristallbereichen ab.
Prinzipielle Möglichkeiten für eine Optimierung der Korngrenzen sind u.a. durch eine Variation der
Polymerisationskinetik wie auch durch eine gezielte Modifizierung des Kettenbaues gegeben (s.
hierzu W. Holzmüller und K. Altenburg "Physik der Kunststoffe", Akademie-Verlag Berlin).
Doch zurück zu möglichen Formen der Tertiärstruktur. In Abbildung 10 b ist der teilkristalline
Zustand sehr anschaulich mit dem aus dem Jahre 1931 stammenden Modell einer Fransenmizelle
beschrieben. Sie weist in regelloser Anordnung kristalline Bereiche auf, in denen die Ketten gestreckt
sind und parallel liegen, und nichtkristalline Bereiche mit verknäuelten Ketten. Jedes Molekül geht
durch mehrere Bereiche hindurch. Dieses Modell kann aber nur zutreffen, wenn keine Sphärolithe
vorhanden und die Ketten nicht gefaltet sind.
Das Wachstum der Kristallite in Hochpolymeren geschieht in sehr vielen Fällen von einem Kern aus
und setzt sich radial nach außen hin fort, besonders bei geringer Keimbildungsgeschwindigkeit. Es
kommt dabei zu kugelförmig angeordneten kristallinen Bereichen, die man Sphärolithe nennt. Die
Kettenmoleküle sind in den in Abbildung 10 d dargestellten Sphärolithen tangential geordnet. Sie
bilden lamellenartige Mizellformationen, die sich mehr oder weniger symmetrisch um einen
Kristallisationskeim lagern.
33

In vielen Fällen sind die Sphärolithe aber so klein, dass sie mit der Wellenlänge des Lichtes zu
vergleichen sind. Sie geben dann Veranlassung zu einer Trübung bzw. zum Auftreten von
Opaleszenz. Manchmal sind sie ineinander gewachsen (Dendrite). Sphärolithe werden beobachtet
bei leicht kristallisierenden makromolekularen Stoffen, insbesondere bei den Polyamiden, einigen
Polyestern, bei Polyethylen usw. Ihr Einfluss auf die mechanischen und dielektrischen Eigenschaften
wird intensiv untersucht.
Neben den vorstehend geschilderten Kristallstrukturen wurden durch Untersuchungen von Keller,
Stuart et al. bei einer Reihe von makromolekularen Stoffen (z.B. Polyethylen, Poly-3,3-di-(chlor-
methyl)-oxacyclobutan = Penton ® u.a.) Faltungen der Fadenmoleküle festgestellt, wobei bei
Kettenlängen von 500 bis 2000 nm mehrere hundert Schlingen parallel liegen und "Lamellenartige
Strukturen" mit einer Dicke von ca. 12 nm entstehen (s. Abb. 10f). Diese Lamellen stellen
Einkristalle dar, die im Elektronenmikroskop sichtbar werden. Zwischen den Einkristallen bestehen
Korngrenzen. Die Kettenachsen verlaufen senkrecht zur Oberfläche der Lamellen.
34

4. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen
Aus der Primär-, Sekundär- und Aggregatstruktur lassen sich einige wichtige Regeln für den prak-
tischen Einsatz der Kunststoffe ableiten. Umgekehrt lässt das Verhalten der Kunststoffe wichtige
Rückschlüsse auf die Gestalt der ihnen zugrundeliegenden Makromoleküle zu.
Die Primärstruktur beeinflusst einige Eigenschaften polymerer Stoffe direkt, so z.B. das chemische
Grundverhalten, das geringe spezifische Gewicht, das hohe elektrische Isoliervermögen und z.T. die
Löslichkeit (s. Abb. 11 für einige Details). Auf die meisten Eigenschaften wirkt sich die Primär-
struktur jedoch nur indirekt aus, indem sie den Grad der Beweglichkeit der Polymerkette beeinflusst.
Damit wird natürlich auch die Sekundärstruktur bestimmt, die ihrerseits die Aggregatstruktur und
das physikalische, vor allem mechanische Verhalten der Stoffe festlegt.
Abb. 11: Struktureinfluss auf grundlegende Eigenschaften
Primärstruktur
intramolekulareWechselwirkungen
Kettenbeweglichkeit
Sekundärstruktur
intermolekulareWechselwirkungen
Aggregatstruktur
bestimmt
weitgehend
bestimmt
weitgehend
- chemisches Grundverhalten wie hohe Chemikalienbeständigke
- geringes spezifisches Gewicht (etwa zwischen 0,9 - 1,4 g/cm 3 ,
oder bis 2,3 g/cm 3 bei Anwesenheit schwerer Elemente)
vergl.
Aluminium:
Stahl:
Kupfer:
35
2,7 g/cm 3
7,6 g/cm 3
8,9 g/cm 3
- hohes elektrisches Isoliervermögen
- z.T. Löslichkeit / Quellbarkeit
- physikalisches Verhalten
- mechanisches Verhalten (flüssig, plastisch, weichelastisch,
hartelastisch, spröde)
- z.T. Löslichkeit / Quellung

4.1. Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Duromer
Kunststoffe mit linearen (oder verzweigten) unvernetzten Makromolekülen sind prinzipiell
plastisch verformbar
Das Fließverhalten (Viskosität) von Polymeren hängt in starkem Maße vom Molekulargewicht ab.
Polymere mit niedrigem Molekulargewicht sind häufig bei Raumtemperatur honigartig. Bestehen nur
geringe Sekundärkräfte zwischen den Molekülketten, können diese leicht aneinander abgleiten. Das
Material verändert ohne große Krafteinwirkung seine Form und verfliesst. Ferner sind derartige
Produkte in der Regel leicht löslich.
Kunststoffe höheren Molekulargewichts mit langen Ketten weisen im allgemeinen höhere Festigkeit
auf. Ursachen dieser erhöhten Festigkeit sind verstärkte Wechselwirkungen zwischen den Ketten
(van der Waals, Dipol-Dipol, H-Brücken-Bindungen), Verhakungen und Verschlaufungen der ver-
schiedenen Polymerketten untereinander und kristalline Bereiche. Die Summation dieser Einzelkräfte
und die Art der Tertiärstruktur (s. 3.3.) bewirken, dass die Ketten bei normaler Temperatur und in
vielen Fällen auch noch bei sehr hoher Temperatur aneinander festgehalten werden und nur schwer
voneinander abgleiten können. Erst bei höherer Temperatur werden die Sekundärbindungen durch die
Wärmebewegung geschwächt, und die Kettenmoleküle gleiten unter Zug oder Druck aneinander ab;
die Stoffe sind thermoplastisch.
Thermoplaste sind bei normaler Temperatur spröde oder zähelastische Kunststoffe, die sich ohne
wesentliche chemische Veränderung durch Erwärmen reversibel in den plastischen Zustand bringen
und verformen lassen. Thermoplaste sind schmelzbar und bei nicht zu hohem Molekulargewicht in
Abhängigkeit von ihrem chemischen Aufbau mehr oder weniger gut löslich. Das vielseitige Verhalten
der zahlreichen verschiedenen Stoffe bei Raumtemperatur - vom transparenten zum
undurchsichtigen, vom spröden zum zähelastischen Material - ermöglicht hinreichende Auswahl für
jeden Zweck.
36

Polymere mit räumlich vernetzten Molekülen sind nicht mehr (oder nur sehr wenig) plastisch
verformbar. Einige spezielle Polymere mit lose vernetzten Molekülketten sind gummielastisch:
Durch die Zug- oder Druckbeanspruchung können die verknäuelten Kettenteile zwischen den
Netzbrücken aneinander abgleiten und sich strecken. Im ganzen werden die Ketten aber durch die
vernetzenden Primärbindungen festgehalten (Abb. 12b). Sie können nicht aneinander vorbeifliessen.
Beim Nachlassen der äußeren Kraft nehmen die Kettenteile aufgrund von Wärmebewegung wieder
die ursprüngliche verknäuelte Lage ein (Abb. 12a). Derartige Polymere werden Elastomere genannt.
Sie sind bei tiefer Temperatur spröde und hart, bei höherer Temperatur elastisch (= gummielastisch),
nicht schmelzbar, unlöslich, aber quellbar.
Abb. 12: a) Kautschukmoleküle in der wahrscheinlichsten Lage;
b) Kautschukmoleküle im gedehnten Zustand
a) b)
Bei Kunststoffen mit räumlich eng vernetzten Molekülen sind diese durch Primärbindungen allseitig
miteinander verankert (theoretisch ein einziges großes Molekül!). Solche Kunststoffe sind - wie der
Fachmann sagt - vernetzt und werden häufig als Duromere oder Duroplaste bezeichnet.
37

Duroplaste sind bei normaler Temperatur sehr hart und spröde. Sie sind temperaturbeständig, nicht
plastisch verformbar, nicht schmelzbar, nur schwer quellbar und unlöslich. Sie entstehen durch
Vernetzung reaktionsfähiger linearer und verzweigter Makromoleküle. Man nennt einen solchen
Prozess "Härtung". Das Harz muss zur Formgebung vor der Härtung plastisch geformt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Wortschöpfung widersinnig, jedoch gängig ist. Sinngemäß
übersetzt wären Duroplaste nämlich "hartweiche Stoffe" (durus (lat.) = hart/plastikos (griech.) =
formbar). Ein sprachlich besserer Gegensatz zu Thermoplast (warm/formbar) wäre Thermodur
(bei Wärme hart); jedoch hat sich dieser Terminus nicht durchsetzen können. Hingegen wird
häufig als Synonym für Duroplast auch Duromer (meros (griech.) = Teil/also: hartes Teil)
verwandt, was jedoch sprachlich besser als Gegensatz zu Elastomer verstanden werden sollte,
unabhängig vom thermoplastischen oder duroplastischen Charakter.
Duroplastische Kunstharze sind nach dem Aushärten immer glasig-starr. Das nicht gerade günstige
mechanische Verhalten wird häufig dadurch verbessert, dass die Harze zusammen mit Harzträgern
oder Füllstoffen verarbeitet werden (z.B. Gesteinspulver, Talkum, Kieselsäure, Holzmehl, organi-
sche oder anorganische Fasern, Glasfasern und Glasgewebe). Diese wirken je nach ihrer Art, verstär-
kend wie Zuschläge und Bewehrung im Beton. Ihr Anteil am Endprodukt liegt etwa bei 40 -80%.
Man spricht bei diesen "gefüllten" Kunststoffen auch von Composites oder Verbundwerkstoffen, die
es im übrigen auch auf Basis thermoplastischer Harze gibt (s. Kapitel 8.2.5.).
4.2. Beispiele
4.2.1. Fasern
38

Zuerst soll ein Beispiel aus dem Gebiet der Fasern einen Eindruck geben, wie gut die Beziehung
zwischen Eigenschaften und Struktur eines Kunststoffes verstanden werden kann. Es wurde bereits
darauf hingewiesen, dass sich in Fasern Makromoleküle nach Verstrecken entlang der Faserrichtung
parallel ausrichten, da hiermit ein den Entropieverlust überkompensierender Enthalpiegewinn
erreicht wird.
Die entscheidenden Forderungen zum Aufbau einer Faser sind demnach:
- lineare Molekülgestalt, die die parallele Anordnung des Moleküls erlaubt
- starke intermolekulare Anziehungskräfte, die diese Parallelordnung nach Verstrecken aufrecht
erhalten und die das Aneinanderabgleiten der Moleküle verhindern.
Die häufigsten Kunstfasern sind:
A: Polyamide (Nylon ® , Perlon ® , Dorix ® ),
Polyurethane (Dorlastan ® , Spondex ® , Lycra ® , Vycra ® )
B: Polyester (Diolen ® , Trevira ® , Terylen ® , Dacron ® ), Polyacrylnitril (Orlon ® , Dralon ® ,
Acrilan ® )
C: Isotaktisches Polypropylen (Meraklon ® , Marvess ® )
Die notwendigen, starken intermolekularen Anziehungskräfte in Polyamiden und Polyurethanen
sind auf Wasserstoffbrücken-Bindungen zurückzuführen (s. Abb. 13). In Polyestern und Polyacryl-
nitril sind dies Dipol-Dipol-Anziehungskräfte durch die Carboxyl- bzw. Cyanogruppen.
Im isotaktischen Polypropylen hingegen passen die sterisch regelmäßigen Ketten so gut zusammen,
dass Van-der-Waals-Kräfte ausreichen, um die lineare Faserstruktur aufrechtzuerhalten.
Abb. 13: Wasserstoffbrücken-Bindungen in Nylon-6,6-Kristalliten
39

4.2.2. Elastomere
Ein weiteres Beispiel gut verstandener Struktur-Eigenschafts-Beziehungen stammt aus dem Gebiet
der Elastomere. Makromoleküle, die ein Elastomer aufbauen sollen, müssen ein relativ hohes
Molekulargewicht und einen gewissen nicht zu hohen Vernetzungsgrad aufweisen. Die Vernetzung
verhindert das Abgleiten der Moleküle voneinander, ohne die Flexibilität der Ketten zu sehr
einzuschränken. Natürlicher Kautschuk ist ein typisches Elastomer mit langen, flexiblen
Molekülketten, die durch gelegentliche Verzweigungsstellen und schwache intermolekulare Kräfte
(keine Dipole, keine H-Brücken) zusammengehalten werden.
Abbildung 14 a) zeigt deutlich, dass wegen der all-cis-Konfiguration des den Kautschuk aufbauenden
1,4-Polyisoprens auch die Van-der-Waals-Kräfte gering sein müssen, da eine parallele
Kettenanordnung sterisch behindert ist. Und in der Tat resultiert aus einer Erhöhung dieser Van-der-
Waals-Kräfte im entsprechenden all-trans-Isomeren (Guttapercha) ein vollständiger Verlust an
Elastizität.
Abb. 14:
O
O
H
N
H
N
O H
O
H
N
N
H
N
H
O
N
O
40
O
O
O
H
N
H
N
H
N

a)
b)
und
a) all-cis Polyisopren/Kautschuk
b) all-trans Polyisopren/Guttapercha
Bei der üblichen Schwefel-Vulkanisation des Kautschukes werden Vernetzungen durch
Schwefelbrücken zwischen allylischen Positionen verschiedener Ketten aufgebaut. Hierdurch wird
der Kautschuk härter, reißfester und weniger klebrig.
Abb. 15: Kautschuk-Vulkanisation
CH 2
CH
( S ) x
H
CH 2
+ S8 CH
( S ) x
CH
( S ) x
41
CH 2
H
(x=2-8)
x = 1 - 8
CH
S
CH 2
+ S x-1

5. Polydispersität der Kunststoffe
Die Größe der Makromoleküle wird durch das Molekulargewicht M oder den Polymerisationsgrad P
angegeben.
Der Polymerisationsgrad ist die Zahl der zu einem Makromolekül vereinigten kleinen Moleküle
(Monomere). Das Molekulargewicht ist die Summe der Atomgewichte der in einem Molekül
enthaltenen Atome. Man erhält es durch Multiplikation des Molekulargewichtes des Monomeren
M mon mit dem Polymerisationsgrad.
M = P . Mmon
Die Länge der linearen und verzweigten Makromoleküle beträgt bei Kunststoffen im allgemeinen 10 -6
bis 10 -3 mm (bei Naturstoffen bis 1 mm); die "Dicke" der Ketten beträgt ungefähr 2 - 3 x 10 -7 mm.
Staudinger hat diese Molekülform sehr anschaulich beschrieben, indem er sagte, man könnte diese
Moleküle unter dem normalen Mikroskop sehen, wenn sie nur nicht so dünn wären.
Kunststoffe sind aber keine einheitlichen Verbindungen, sondern bestehen immer aus einem Gemisch
verschieden großer Makromoleküle, zwar gleichartigen Baues, aber unterschiedlichen Molekular-
gewichtes; man sagt, sie sind polydispers.
So, wie sich ein in der Ferne gleichmäßig wogendes Kornfeld aus der Nähe betrachtet in verschieden
lange Halme auflöst, so sind auch die einzelnen Makromolekülfäden unterschiedlich lang. Man kann
deshalb bei Kunststoffen nur einen mittleren Polymerisationsgrad und ein mittleres
Molekulargewicht angeben, weshalb als übliches Symbol für Mittelwerte oben bereits die
"quergestrichenen" Größen M und P gewählt wurden.
43

Das mittlere Molekulargewicht bewegt sich bei den meisten Kunststoffen zwischen 8000 und etwa
300 000. Die Streubreite der tatsächlichen Molekulargewichte wird als Molekulargewichts-
verteilung bezeichnet.
Abb. 16: Molekulargewichtsverteilung bei makromolekularen Stoffen
Die Abbildung 16 zeigt die Verteilungskurve zweier makromolekularer Stoffe I und II. Beide Stoffe
haben das gleiche mittlere Molekulargewicht. Stoff I ist einheitlicher als II. Es ist einleuchtend, dass
sich diese beiden makromolekularen Stoffe, obwohl sie das gleiche mittlere Molekulargewicht haben,
in ihren Eigenschaften wesentlich unterscheiden müssen. Die Uneinheitlichkeit des
Molekulargewichts ist deshalb eine wichtige Kenngröße eines Polymers. Auf die physikalische
Definition dieser Größe soll an dieser Stelle verzichtet werden, da der Begriff Uneinheitlichkeit zwar
anschaulich ist, eine exakte Definition jedoch nur nach Beschreibung physikalischer Meßmethoden
der Molekulargewichtsbestimmung möglich ist. Wie sich mechanische Eigenschaften der
hochmolekularen Stoffe allein schon durch Änderung des mittleren Molekulargewichtes beeinflussen
lassen, zeigt Tabelle 2.
Häufigkeit
M
Tabelle 2
Eigenschaften von Polyethylen: Abhängigkeit vom mittleren Molekulargewicht M
mittleres Molekulargewicht 24000 28000 32000 37000 44000
I
44
II
Molekulargewicht

Zugfestigkeit (N/cm_): 1080 1280 1520 1570 1720
Kältefestigleit (Versprödungstemperatur
in °C)
6. Polymersynthesen wichtiger Kunststoffe
6.1. Allgemeine Hinweise
-30 -40 -70 -80 -100
Werden ausschließlich monofunktionelle Monomere eingesetzt, so entstehen unvernetzte Polymere,
die sich in der Regel thermoplastisch verhalten, soweit keine Vernetzung durch besondere
"Verbrückungen" auftreten (z.B. verbrückende Propfäste, starke H-Brücken). Ist mindestens eine
der Ausgangskomponenten bi- oder höherfunktionell, so entstehen vernetzte, unlösliche, unschmelzbare
Polymere. Bevor nun die drei Grundtypen der Polyreaktionen - Polykondensation,
Polymerisation und Polyaddition - erläutert werden, ist es notwendig, die Bedeutung
makromolekularer Molekülformeln einmal zusammenzustellen.
Die Polyreaktion von Styrol zu Polystyrol wird dargestellt durch die Reaktionsgleichung:
Polystyrol wird hier durch eine Struktureinheit innerhalb eckiger Klammern gekennzeichnet, die
sich n-fach aneinanderreiht. Dies besagt jedoch nichts über so wichtige Kenngrößen wie mittleres
Molekulargewicht, Molekulargewichtsverteilung und Uneinheitlichkeit. Weiterhin macht obige
Formel für Polystyrol keine Aussage über die Endgruppen, welche in Polymeren mit hohen
Molekulargewichten in so untergeordneter Anzahl vorkommen, dass sie meist keinen
wesentlichen Beitrag zu den Materialeigenschaften liefern (Dielektrische Eigenschaften polymerer
Isoliermaterialien hingegen sind ein Beispiel für eine deutliche Endgruppen-abhängigkeit!).
Wenn man weiß, dass Polystyrol z.B. in einer mit Phenyllithium gestarteten und mit Wasser
abgebrochenen anionischen Polymerisation hergestellt wurde, so lassen sich die Endgruppen wie
folgt angeben:
n
n
1.)
Li
Radikalinitiator
45
n
H

Hierbei ist jedoch Vorsicht geboten, da eine Angabe über die Endgruppen nur bei Kenntnis des
genauen Reaktionsmechanismus möglich ist!
Aber auch in einem anderen Sinn sind die Polymerformeln nicht gleichzusetzen mit den in der
organischen Chemie üblichen Konstitutionsformeln. Eine exakte Polymerformel ist nämlich schon
deshalb nicht angebbar, da jede Polyreaktion, wie jede organische Reaktion natürlich auch, von
Nebenreaktionen begleitet ist. Im Gegensatz zur niedermolekularen Chemie führen diese
Nebenreaktionen in den meisten Fällen nicht zu voneinander trennbaren Verbindungen, sondern
zu Unregelmässigkeiten innerhalb einer einzigen Polymerkette oder verschiedener Polymerketten.
Mögliche Unregelmässigkeiten können z.B. zurückzuführen sein auf gemischte 1,4und
1,2-Polymerisation, die Entstehung von cis- und trans- bzw. Kopf-Kopf- und Kopf-
Schwanz-Produkten, oder auch auf Taktizitätsunterschiede (s. Kapitel 3.1.). Häufig treten bei
radikalischen Polymerisationsprozessen Übertragungs- oder Abbruchreaktionen auf, die zu
verzweigten Polymeren führen können.
Tabelle 3 gibt einen Überblick über die wichtigsten synthetischen Kunststoffe, deren
grundlegende Syntheseverfahren in den drei folgenden Kapiteln beschrieben werden.
6.2. Polykondensation
Tabelle 3
Übersicht über die wichtigsten synthetischen Kunststoffe
Polykondensate Polymerisate Polyaddukte
Duroplaste Thermoplaste Thermoplaste Elastomere Duroplaste Thermoplaste
Phenolplaste:
Phenol-harze
Resorcin-harze
Aminoplaste:
Melamin-harze
Anilin-harze
Harnstoff-harze
Vernetzte Polyester:
Alkydharze
vernetzte ungesättigte
Polyester
Silikone
Lineare gesättigte
Polyester:
Polyethylenterephthalat
Polycarbonat
Polyamid:
Nylon
Lactam-polyamid
Polyolefine:
Polyethylen
Polypropylen
Polyvinylchlorid
Polymethylmethacrylate
Polystyrol
Polyacetal
Polyoxymethylen
Polyacrylnitril
Polybutadien
Polyisopren
Butylkautschuk
Polychloropren
46
Epoxid-harze
Vernetzte Polyurethane:
Vulkollan
Moltopren
Lineare Polyurethane
Urethan-polyamid

Bei der Polykondensation werden durch eine chemische Reaktion zwischen zwei artgleichen oder
artverschiedenen, aber reaktionsfähige Gruppen tragenden Verbindungen einfache, niedermolekulare
Reaktionsnebenprodukte wie Wasser, Alkohole, Ammoniak, Salzsäure oder ähnliche
Stoffe abgespalten.
Als ein einfaches Beispiel dient die Synthese des Polyterephthalsäureglykolesters, der unter den
Handelsnamen Diolen ® , Trevira ® , Terylen ® und Dacron ® technische Bedeutung erlangt hat
(Whinfield und Dickson, 1941). Wie Abb.17 zeigt, handelt es sich um eine Umesterung, bei der
die Alkoholkomponente Methanol des Ausgangsesters durch den zweiwertigen Alkohol
Ethylenglykol ersetzt wird. Da beide Ausgangskomponenten bifunktionell sind, entsteht ein
linearer Polyester.
Abb. 17: Polykondensation von Terephthalsäuredimethylester und Ethylenglykol zu
Polyterephthalsäureglykolester
O O
H C O
O CH 3 3
+ CH 3OH
O O
Alle Polykondensationsreaktionen sind chemische Gleichgewichtsreaktionen. Das Entfernen des
flüchtigen Nebenproduktes ist beim Kondensationsprozess demnach für einen glatten und erfolgreichen
Ablauf der Reaktion unbedingte verfahrenstechnische Notwendigkeit.
Als technisch wichtige Kunststoffgruppen, die nach einem Polykondensationsverfahren
hergestellt werden, sind u.a. zu nennen:
1) die Gruppe der Phenol-Formaldehyd-Harze (= Phenoplaste) als typische Duroplaste
2) Polyamide (Nylon ® - und Perlon ® -Typ) z.B. für Fasern
3) lineare Polyester und Polycarbonate als Thermoplaste
47
+
HO
- CH 3OH
H 2
O O C
C
H 2
O
H2 C
C
H 2
OH

4) vernetzbare Polyester als Lack- und Giessharze oder in faserverstärkter Form als
Konstruktionswerkstoff
Die technisch wichtigen und wissenschaftlich hochinteressanten Silikone gehören auch in diese
Gruppe, sollen aber, wie im Kapitel 2 aufgeführt, aus Gründen der Einteilung hier nicht weiter
behandelt werden.
Die ersten vollsynthetischen Kunststoffe überhaupt waren die klassischen Kondensationsharze
aus Phenol und Formaldehyd, auch Phenoplast oder Bakelit genannt (L.H. Baekeland, 1909). Sie
sind auch heute noch eine wichtige Stoffklasse bei den Duroplasten und zeichnen sich vor allem
durch gute Chemikalien- und Hitzebeständigkeit sowie durch einen niedrigen Preis aus.
Für bestimmte Anwendungen ist allerdings ihre gelbe bis braune Eigenfarbe störend. Diese kann
durch den Einsatz von Melamin oder Harnstoff (H 2 N-CO-NH 2 ) anstelle von Phenol vermieden
werden (die Bildung der Melamin- bzw. Harnstoff-Formaldehyd-Harze kann ähnlich wie für das
Phenol-Formaldehyd-Harz formuliert werden). Die Bildung von Phenol-Formaldehyd-Harzen
kann durch elektrophilen Angriff des Formaldehyds (saure Katalyse erhöht Elektronegativität)
auf die aktivierten o- und p-Positionen des somit trifunktionellen Phenols (bzw. Phenolats bei
basischer Katalyse) verstanden werden (Abb. 18).
N
H 2
N
NH 2
N
N
NH 2
Melamin,
Triaminotriazin, Cyanursäureamid
Die entstandene Methylolverbindung greift ihrerseits ein zweites Phenolmolekül elektrophil an
und bildet unter Wasserabspaltung die erste Diphenylmethan-Einheit. Technisch wird dieser Prozess
durch fortlaufende Kondensation nur bis zur Entstehung löslicher und schmelzbarer Oligomere
betrieben (sog. Novolake, Resol). Der Anwender führt die weitere Kondensation (Härtung)
dann bei erhöhter Temperatur in beheizten Pressen (180 - 200o C) unter Formgebung durch, so
dass ein engmaschiges Netzwerk entsteht. Oft wird vor dieser abschliessenden Härtung ein
Füllstoff zugesetzt.
48

Abb. 18: Polykondensation von Phenol und Formaldehyd zu einem Phenol-Formaldehyd-
Harz
OH
H
δ+ δ−
O
H
[H+] oder [OH-]
OH
CH 2
OH
OH
OH
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2 OH
OH
OH
CH 2
OH
OH
- H2O
CH 2
CH 2
CH 2
OH
CH 2
OH
OH
OH
49
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
OH
OH
CH 2
OH
OH
CH 2
CH 2
CH 2
H
H
δ+ δ−
O
OH
OH
CH 2
OH
OH
[ " Resol " ]
Temperatur
Als weiteres wichtiges Beispiel sei in vereinfachter Form die Herstellung eines linearen
Polyesters der Kohlensäure, eines sogenannten Polycarbonats (Makrolon ® ) genannt. Diese neue
Kunststoffgruppe wurde seit 1953 in der Bayer AG (H. Schnell) entwickelt. Aus diesem
Material werden u.a. praktisch unzerbrechliche, transparente Platten hergestellt, die zudem bis
135° C formbeständig und bis – 100° C schlagzäh sind. Abbildung 19 zeigt den Kölner
Hauptbahnhof, der 1986 mit diesen Platten neu „verglast“ wurde, da die zuvor verwendeten
Drahtglasscheiben aufgrund der Bewegungen der Stahlkonstruktion und täglicher wie
jahreszeitlicher thermischer Wechselbeanspruchungen ständig barsten.
Abb. 19: 1986 erhielt der Kölner Hauptbahnhof ein "Makrolondach" mit Glas übertreffenden
Eigenschaften (Gesamtfläche entspricht etwa zwei Fussballfeldern).
Druck

Die außergewöhnliche Eigenschaftskombination des Makrolons (gute Eigenschaften hinsichtlich
Transparenz, Schlagzähigkeit, Steifigkeit, Dimensionsstabilität, Wärmeformbarkeit,
physiologische Unbedenklichkeit, Sterilisierbarkeit) erlaubt seinen Einsatz für Haushaltsgeschirr
und medizinische Geräte ebenso wie für Compact Discs (Abb. 20).
Abb. 20: Etwa 75 % der in Europa verkauften Compact Discs bestehen aus Makrolon als
Grundmaterial
50

Doch nun zur Chemie dieses vielseitigen Kunststoffes. Makrolon ® ist ein Polycarbonat, das
durch die Kondensation von 2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)propan (=Bisphenol-A, Dian) mit
Phosgen (COCl2 ) oder einem Kohlensäureester wie Diphenylcarbonat entsteht (Abb. 21).
Abb. 21: Polykondensation von Bisphenol-A und Diphenylcarbonat zum Polycarbonat
Makrolon ®
... HO
CH 3
CH 3
Polycarbonat, das über die Schmelze verarbeitet wurde, z.B. durch Spritzguss oder Extrusion, ist
amorph und transparent. Das gleiche Material kann aus Lösung zu Folien vergossen werden, die
auch Teilkristallinität aufweisen können.
Eine weitere wichtige Gruppe von Polykondensaten sind die ungesättigten, vernetzbaren
Polyester. Die wichtigsten Komponenten für ihre Herstellung sind:
Dicarbonsäuren bzw. Anhydride: Maleinsäure, Phthalsäure, Malein- oder Phthalsäureanhydrid,
Adipinsäure, Sebacinsäure
Mehrwertige Alkohole: Ethylenglykol, Trimethylolpropan, Glycerin, 2,2-Bis-(4-hydroxy-
phenyl)propan, Pentaerythrit.
O
O
+ +
Beliebige Kombinationen der verschiedenen Säuren und Alkohole erlauben die Gewinnung vieler
verschiedenartiger Polyester. Bei der Verwendung von Alkoholen mit drei und mehr OH-
Gruppen treten Verzweigungen und schließlich Teilvernetzungen der Makromoleküle auf (Abb.
22). Hochwertige Harze erhält man durch geeignete Modifizierung, z.B. durch Einbau gesättigter,
langkettiger Carbonsäuren. Die ungesättigten Polyester, wie die Roskydal ® -(Bayer) oder Palatal ® -
(BASF)- Typen, sind meist Mischkondensate.
51
OH
CH 3
CH 3
O O
O
O O
-
n
OH
HO
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3
OH
...

Versuch Nr. 3
Die mechanischen Werte solcher Polyesterharze lassen sich durch Einarbeiten von Glasfasern
oder -matten wesentlich erhöhen. Die glasfaserverstärkten Polyester besitzen bei geringem spezifischen
Gewicht hohe Zug-, Biege-, Stoss- und Schlagfestigkeit. Je nach chemischer Zusammensetzung
lassen sich - angepasst auf die jeweilige Anwendung - hochbeständige Systeme herstellen
(wasser-, wetter-, chemikalienfest). Nach diesem Prinzip entstehen Konstruktionswerkstoffe
z.B. für den Automobilbau.
1983 wurde der "Pontiac Fiero" vorgestellt, dessen Außenhaut vollständig aus Kunststoffen
besteht (s. Abb. 23). Kotflügel, Türaußenhaut sowie Front- und Heckteil bestehen aus
glasfaserverstärktem Polyurethan (s. Kapitel 6.4.1.), dem sogenannten Bayflex ® . Motorhaube,
Dach und Kofferraumdeckel sind aus glasfaserverstärktem Polyesterharz gefertigt.
Abb. 22: Synthese eines ungesättigten Polyesters aus Maleinsäureanhydrid und Diol und seine
Vernetzung durch Bildung von Polystyrol-Propfbrücken
... HO - R - OH +
O
--- O - R - O
O
O
O
O
+ HO - R - OH ...
O - R - O ---
52
- H 2 O
Vernetzung
(schematische Darstellung
siehe bei Versuch 3.1)
+ n
--- O - R - O
O
O
ungesättigter Polyester
O - R - O ---

Abb. 23: Pontiac Fiero mit einer "Kunststoff-Außenhaut"
Nachdem schon zu Beginn dieses Kapitels ein durch Polykondensationen entstandener Polyester
beschrieben wurde, der u.a. als Fasermaterial (Diolen ® , Trevira ® ) von Bedeutung ist, sollen nun
abschließend Polyamide besprochen werden. Auch diese lassen sich zu wichtigen Fasern, wie
Nylon ® und Perlon ® , verarbeiten. (Einen weiteren Einblick in die aktuelle Faserforschung bietet
Kapitel 6.3.1. mit dem durch Polymerisation gebildeten Polyacrylnitril, der Dralon ® -Textilfaser).
Polyamide entstehen durch Polykondensation von
A) difunktionellen Aminen mit difunktionellen Carbonsäuren (s. Nylon ® )
B) difunktionellen Aminen mit difunktionellen Carbonsäure-Derivaten wie z.B.
Carbonsäurechloriden
s. Versuch Nr. 4
C) difunktionellen Molekülen, die sowohl eine Amino- als auch eine Carbonsäuregruppe tragen
(s. Perlon ® ). Dieser Syntheseweg ist vergleichbar dem Aufbau von Wolle (Polypeptid) aus
Aminosäurebausteinen.
zu A) Die klassische Nylonfaser (W.H. Carothers, 1931) entsteht durch Polykondensation von
Hexamethylendiamin mit Adipinsäure (Hexandicarbonsäure). Im
gebildeten kettenför-migen Makromolekül (s. Abb. 24) befinden sich zwischen zwei
Stickstoffatomen immer sechs Kohlenstoffatome, die entweder aus der
Hexamethylenkette des Amins oder aus der Dicarbonsäurekette stammen. Deshalb wird
dieses Polymer auch Nylon-6,6 genannt.
53

Abb. 24: Polykondensation von Hexamethylendiamin mit Adipinsäure
(Hexandicarbonsäure) zum Nylon-6,6
H 2 N
HN
NH 2
zu B) Die Polykondensation von Hexamethylendiamin mit Sebacinsäuredichlorid (Decandicarbonsäuredichlorid)
zum Nylon-6,10 wird im Versuch Nr. 4 beschrieben.
+
zu C) Perlon entsteht bei Gegenwart von Wasserspuren aus dem cyclischen Amid ε-Caprolactam
(P. Schlack, 1936). Formal ist diese Reaktion als Polykondensation der ω-
Aminocapronsäure (6-Aminohexancarbonsäure) mit sich selbst zu verstehen. Die ω-
Aminocapronsäure entsteht dabei in einem vorgelagerten Reaktionsschritt durch
Hydrolyse des ω-Caprolactams. Ausführliche Untersuchungen der Kinetik dieser
Reaktion haben jedoch gezeigt, dass dieser Mechanismus allein für die Startreaktion gilt.
Im weiteren Reaktionsverlauf tritt eine direkte Reaktion der Aminofunktion der
wachsenden Polymerkette mit dem ε-Caprolactam im Sinne einer Umamidierung auf.
Zwischen zwei Stickstoffatomen im entstehenden Makromolekül (s. Abb. 25) befinden
sich immer sechs "artgleiche Kohlenstoffatome" aus der ω-Aminocapronsäure, was den
Namen Nylon-6 für das Polycaprolactam erklärt.
H
N
54
HO
- H 2O
O
O
O
O
OH

Abb. 25: Startreaktion der Bildung des Polycaprolactams (Perlon ® , Nylon ® -6) über
Aminocapronsäure als Zwischenprodukt
+ H N 2
HN
HN
OH
O
O
H
N
55
O
Caprolactam
+ H2O
Amidhydrolyse
+ H2N O
+
OH
Die Verstreckbarkeit (s.a. Kapitel 4.2.1.) und das Verhalten, sich zu Fäden verarbeiten zu lassen,
werden demonstriert in den
Versuchen 2, 5 und 6.
- H 2 O
Polyamide werden nach drei Verfahren versponnen (s. Abb. 26):
1) Schmelzspinnen: Die Schmelze wird durch Düsen gedrückt, die entstandenen Fäden
werden im Stickstoffstrom (der Oxidationsanfälligkeit des Materials
wegen, Versuch Nr. 5) gekühlt und verstreckt.
2) Lösungsspinnen:
a) Nassspinnen: Die Polyamidlösung wird in ein Fällbad gesponnen.
b) Trockenspinnen: Die Polyamidlösung wird gegen einen warmen Luftstrom gesponnen,
wobei der Faden unter Verdampfen des Lösemittels entsteht.
HN
O
O

Abb. 26: Spinnverfahren
Polymerlösung
Spinnpumpe
Lösemittel-
Rückgewinnung
Nassspinnen
zur
Verstreckung
Fällbad
Düse
Heißluft
Trockenspinnen
Polymerlösung
Spinnpumpe
Lösemittel-
Rückgewinnung
zur
Verstreckung
56
Düse
Polymerschmelze
Rost
Spinnpumpe
zur
Verstreckung
Schmelzspinnen
Die Abbildung 27 gibt noch zwei Beispiele für das vielseitige Anwendungsspektrum von
Polyamiden auch außerhalb des Fasergebietes.
Abb. 27: Stapelstuhl und Dübel aus Polyamid (Nylon-6 oder -6,6)

6.3. Polymerisation
6.3.1. Definition und Beispiele
Bei der Polymerisation handelt es sich um eine Reaktion aktivierter Doppelbindungen, die sich
miteinander verbinden, ohne dabei Reaktionsnebenprodukte abzuspalten. Die Aktivierung der
Doppelbindungen kann auf unterschiedlichste Weise erfolgen, so z.B. durch Energiezufuhr
(Wärme, Bestrahlung, Ultraschall) oder den Einsatz stofflicher Initiatoren, die sich leicht zu
Radikalen oder reaktiven Ionen anregen lassen und so die Polymerisation starten
Technisch am bedeutendsten sind Radikalinitiatoren wie Peroxide und Azoverbindungen, jedoch
spielen neben radikalischen und ionischen Initiatoren heute auch zunehmend Metall-Komplex-
Initiatoren (wie z.B. Ziegler-Katalysatoren aus TiCl4 oder TiCl3 und Aluminiumalkylen) eine
bedeutende Rolle, da nur mit ihnen in der Regel eine ausreichende Beeinflussung der
stereochemischen Abläufe gewährleistet ist.
Das Prinzip der radikalischen Polymerisation von einfachen Olefinen (Alkenen), Dienen und
substituierten Vinylverbindungen (H 2 C=CHX) wurde bereits in den Kapiteln 2 und 3
beschrieben, um z.B. Strukturprinzipien von Makromolekülen zu erläutern. Die radikalische und
anionische Polymerisation von Styrol wurde in Kapitel 6.1. erwähnt. Die Polymerisation ist
jedoch nicht auf olefinische Monomere beschränkt. Auch Formaldehyd oder dessen Trimeres,
Trioxan, lassen sich z.B. ionisch polymerisieren.
Jedoch sind die durch radikalische Vinylpolymerisation erhaltenen Polymerisate technisch am
wichtigsten, so dass ihr Reaktionsprinzip in Abbildung 28 dargestellt ist.
58

Abb. 28: Technisch bedeutende Polymerisate durch radikalische Polymerisation
Monomer
H
59
Polymerisat (Handelsname)
H
H
X
X X X
X
- H Eth(yl)en Polyeth(yl)en (Hostalen R ,......)
Styrol Polystyrol
- Cl Vinylchlorid Polyvinylchlorid (PVC)
- CN Acrylnitril Polyacrylnitril (PAN, Dralon R , Orlon R )
N
N
X Z
O Vinylpyrrolidon Polyvinylpyrrolidon (Luviskol R K)
Monomer
H
Z
H
X
Vinylcarbazol Polyvinylcarbazol
Polymerisat (Handelsname)
X X X
-Cl -Cl Vinylidenchlorid Polyvinylidenchlorid
-CH 3 -COOCH 3 Methacrylsäuremethylester Polymethacrylsäureester, (Polymethylmethacrylat
PMMA, Plexiglas R )
-CN -COOR Cyanacrylsäureester Poly- α-cyanacrylester (Polycyanacrylat)
Monomer
Polymerisat (Handelsname)
F
F F F F F F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
Tetrafluoreth(yl)en Polytetrafluoreth(yl)en (Teflon R )

Polyethylen (PE) wird als Thermoplast hauptsächlich zu Folien, Platten und Spritzgussteilen
verarbeitet. Man findet es in vielen Haushalts- und Spielwaren oder als Schaumstoff im
Fahrzeugbau. Je nach Molekulargewicht, Verzweigungsgrad und Kristallinität zeigt Polyethylen
wachsartige bis harte Konsistenz.
Man unterscheidet Polyethylen niederer Dichte ("low density": LDPE mit D = 0.91 - 0.92 g/cm 3
/ Kristallinitätsgrad 40 - 55 %) von solchem mit hoher Dichte ("high density": HDPE mit D =
0.94 - 0.96 g/cm 3 / Kristallinitätsgrad 75 - 85 %). LDPE wird durch eine
Hochdruckpolymerisation (1400 - 3500 bar, 150 - 350o C) hergestellt. HDPE entsteht in einer
Niederdruckpolymerisation (unter 60 bar, 60 - 250o C) mit heterogenen Übergangsmetall-
Katalysatoren (Ziegler, Natta: Chemie-Nobelpreis 1963).
Polystyrol (PS) wird vorwiegend thermoplastisch im Spritzguss verarbeitet und zu Platten und
Folien extrudiert. Es ist ein glasklares, steifes und relativ sprödes Material, das z.B. für
Lebensmittelverpackungen (z.B. Joghurtbecher) zugelassen ist. Teile aus schlagfestem Polystyrol
werden z.B. in Kühlschränken, Telefonapparaten, Fernseh-, Radio- und Elektrogeräten
verarbeitet. Treibmittelhaltiges Polystyrol lässt sich aufschäumen (Styropor ® ), wobei Wärme-,
Kälte- und Schalldämmstoffe entstehen.
Zur Verbesserung der Eigenschaften dienen folgende Modifizierungen:
- Modifizierung mit Kautschuk: (high impact PS: HIPS: hochschlagzäh)
- Propfcopolymer mit Butadien: schlagfest
- Copolymerisation mit Acrylnitril: (SAN) fest, hart und formbeständig,
transparent.
Abb. 29 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme von schlagfestem Polystyrol:
Die dunklen Bereiche stellen die elastische Polybutadien-Komponente dar. Diese elastische
Kautschukphase nimmt die Energie bei Schlagbeanspruchung durch lokale Deformation auf, so
dass es nicht zur Rissbildung kommt.
60

Abb. 29: Polystyrolmatrix mit großen, kugelförmigen Modifizierteilchen, an denen Risse
gestoppt sind.
1
Polyvinylchlorid (PVC) kommt als Hart-PVC in den Handel, sofern es keine Weichmacher als
Additiv enthält. Es ist bis etwa 40o C hart, um 100o C thermoelastisch und oberhalb 160o C
thermoplastisch formbar. Bei 140o C beginnt unstabilisiertes PVC jedoch Chlorwasserstoff
abzuspalten. Es wird u.a. zu Rohren, Profilen, Folien, Platten und Hohlkörpern verarbeitet.
Weichgemachte Typen (Weich-PVC) werden auch für Kunstleder, Fußbodenbeläge, Schläuche
sowie Draht- und Kabelisolierungen verwendet.
Polyacrylnitril (PAN) wird in erster Linie zu Fasern verarbeitet, die knitterfrei, leicht waschbar,
schnell trocknend, tropen-, säure-, hitze-, Lösemittel- und alterungsbeständig sind. Die Fasern
enthalten meistens neben Acrylnitril eine kleinere Menge eines Comonomers, um z.B. die
Anfärbbarkeit zu verbessern. PAN-Fasern werden jedoch nicht nur in der Bekleidungsindustrie
und für Heimtextilien (Dralon ® ) eingesetzt, sondern auch für technische Zwecke wie Filter, Filze
und Siebe. Eine interessante und wichtige Anwendung von Polyacrylnitrilfasern zeichnet sich
auch beim Asbest-Ersatz ab. Wegen ihrer hohen Alkali- und Witterungsbeständigkeit konnten
kurze PAN-Fasern nämlich bereits erfolgreich als Verstärkungsfasern in Zement eingesetzt
werden. Während die früher eingesetzten mineralischen Asbestfasern in feine Fibrillen von
weniger als 3 µm Durchmesser aufspalteten, die in der Lunge unter ungünstigen Bedingungen zur
Bildung von Karzinomen führen konnten, liegen die Abmessungen der PAN-Fasern weit oberhalb
des "medizinisch kritischen Bereiches".
Abb. 30 a zeigt die Vergrößerung einer PAN-Faser (Dralon ® ) unter dem Rasterelektronenmikroskop.
Der kompakte Querschnitt der Faser verhindert die Aufnahme von größeren Mengen
61

Feuchtigkeit. Für Sportbekleidung ist es jedoch wichtig, dass einerseits der Schweiß
aufgenommen, andererseits die Luftdurchlässigkeit erhalten bleibt. Die Chemie-Faser Dunova ®
besteht ebenfalls aus Polyacrylnitril, zeigt aufgrund ihrer "Kern-Mantel-Struktur" aber diese
massgeschneiderten Eigenschaften. Die Abbildungen 30b und c zeigen den Faseraufbau aus einem
äußeren Mantel, der durch feine Kapillaren den Schweiß wie Löschpapier aufsaugt, und einem
inneren Kern, dessen Poren die Feuchtigkeit wie ein Schwamm speichern.
Abb. 30: a) Elektronenmikroskopische Aufnahme von Dralon ®
b) Modell und c) elektronenmikroskopische Aufnahme
der neuen Textilfaser Dunova ® mit
Kern-Mantel-Struktur
Das 1939 von Reppe synthetisierte Polyvinylpyrrolidon (PVP) wurde im und nach dem zweiten
Weltkrieg wegen seiner proteinähnlichen Eigenschaften als "Blutersatzmittel" verwendet. Es wird
häufig als Bindemittel in Tabletten und in der Kosmetik verwandt. Copolymere mit Vinylacetat
62

(s. Abb. 2) werden wegen ihrer Bindung an Keratin als Filmbildner in Haarsprays und
Haarfestigern eingesetzt.
Polyvinylcarbazol (PVK) ist ein thermoplastisches Polymerisat, das u.a. als organischer
Halbleiter in der Elektronik und Elektrotechnik eingesetzt wird. Strukturell ist PVK von
Interesse, da seine sperrigen Seitenketten eine enge Knäuelung des Makromoleküls verhindern
und diesem eine mehr gestreckte Form aufzwingen.
CH 2
CH CH 2
N
N
CH
CH 2
CH CH 2
N
Polyvinylidenchlorid (PVDC) kommt nur mit Copolymerisatbestandteilen (Vinylchlorid,
Acrylnitril, Acrylate) zur Anwendung. Bei einem Vinylidenchloridgehalt von über 80 % sind
diese Copolymerisate hochkristallin und daher sehr hart, abrieb- und wasserfest und auch
chemikalienbeständig. Diese Materialien werden für Beschichtungen verschiedener Substrate u.a.
auch für beschichtete Verpackungen im Lebensmittel- und Pharmabereich verwendet.
Polymethylmethacrylat (PMMA) ist in unpigmentierter Form ein glasartig durchsichtiges, festes,
hartes Polymerisat (Plexiglas ® ). Beim Abkühlen bildet das thermoplastische PMMA eine
unregelmäßige, dreidimensionale Struktur, die durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen stabilisiert
wird. In diesem amorphen Zustand fehlen die für einen Kristall erforderlichen regelmäßigen
Anordnungen. Solche Substanzen heissen Gläser und sind lichtdurchlässig, da die für die
Lichtreflexion notwendigen Kristallebenen fehlen.
Versuche Nr. 7, 8 und 9
Beispiele für den vielfältigen Einsatz von PMMA finden sich in der Bau- und
Fahrzeugverglasung, der Lichtwerbung, bei Lichtleitern und Linsen. Aber auch Präzisionsteile wie
Winkelmesser oder Prothesenbasen und Kunststoffzähne enthalten PMMA (s. Abb. 31).
63
N
CH
CH 2
CH CH 2
N
N
CH

Abb. 31: Beispiele für Präzisionsteile aus PMMA
a) Winkelmesser b) Prothesenbasis und Kunststoffzähne
(enthalten vernetzendes Comonomer
und Pigmente)
Eine Kuriosität stellt der Laufkäfer Abax ater dar, der seine Gegner durch Versprühen des
Monomers Methacrylsäure aus einer Hinterleibsdrüse bekämpft. Der Effekt ist verblüffend: Der
Feind wird durch Polymerisation der Methacrylsäure bewegungsunfähig.
α-Cyanacrylester polymerisieren in Gegenwart von Feuchtigkeit zu Polycyanacrylaten und
eignen sich in Abmischung mit Weichmachern, Verdickern und Stabilisatoren als
Einkomponentenklebstoffe (Sekundenkleber). Die Polymere längerkettigerer Alkohole (Butyl-,
Hexyl-, Heptylalkohol) werden von Blut gut benetzt und finden daher als Wundverband oder
zum Kleben von Geweben Anwendung. Im Körper werden die entstehenden Polymerfilme mit
der Zeit zu Harnstoff, Wasser und Kohlendioxid abgebaut.
Polytetrafluorethylen (PTFE) ist ein Polymerisat hoher Kristallinität und außerordentlicher
Chemikalien- und Wärmebeständigkeit (Teflon ® ). Es ist weiterhin physiologisch inert und nicht
brennbar. Wegen seiner hohen Schmelzviskosität ist PTFE nicht plastisch formbar. Formkörper
oder Beschichtungen (Brat- und Kochgeräte, chemische Apparate) entstehen durch Sintern des
Polymerpulvers bei 370 - 380o C gegebenenfalls unter Druck.
Auf die Bildung von Isomeren bei der Polymerisation von Monomeren wurde bereits in Kapitel
3.1. hingewiesen:
- Kopf-Schwanz- bzw. Kopf-Kopf-Produkte
- 1,2- und 1,4-Polymerisat von 1,2-Dienen
64

- cis- und trans-konfigurierte Olefine
- R- bzw. S-Konfiguration an Asymmetriezentren, die in ihrer Aufeinanderfolge die Taktizität
(ataktisch, isotaktisch, syndiotaktisch) festlegen.
Im selben Kapitel wurden auch die Unterschiede zwischen linearen, verzweigten und vernetzten
Polymerisaten sowie das Auftreten verschiedener Copolymerisate (statistische, alternierende,
Block- und Pfropf-Copolymerisate) diskutiert.
6.3.2. Mechanismus und verfahrenstechnische Einteilung
Die Polymerisation von Monomeren kann durch unterschiedliche Art der Aktivierung der
beteiligten Doppelbindungen ausgelöst werden (s. Kapitel 6.3.1.). Am häufigsten ist der Einsatz
von Initiatoren, die in einer vorgelagerten Reaktion Radikale (vgl. z.B. Versuch Nr. 3 oder Nr. 9)
oder Ionen (vgl. Versuch Nr. 7 oder 8) bilden. Im Falle der radikalischen Polymerisation löst das
Startradikal R . eine Kettenreaktion aus, die reaktionskinetisch im wesentlichen durch drei
Reaktionsphasen gekennzeichnet ist.
Vorgelagerte Reaktion Initiator
oder hν .
R
oder Monomer
oder hν .
R
( = Wärmeenergie, hν = Strahlungsenergie)
Startreaktion
.
R +
H
Wachstumsreaktion (n-mal)
H H
Abbruchreaktion
+
a) durch Rekombination
H H
H
.
X
H
H
H
H
X
. .
b) durch Disproportionierung
H
+
H
H
H
X
. .
H
X
X
+
H
H
H H
H H
X
X
65
H
R
H
H
H
H
X H
H
H
H
H
H
.
X
H H
H
X
H
X
X
H
.
+
X
H H H
H
X
H

Die benötigten Startradikale können z.B. durch den thermischen Zerfall von als Initiatoren
zugesetzten Azoverbindungen oder Peroxiden gebildet werden:
a) Die am häufigsten eingesetzte Azoverbindung ist das Azo-bis-isobutyronitril (AIBN), auf
dessen Verwendung hier jedoch verzichtet wird, da die gebildeten Radikale zum
gesundheitsschädlichen Tetramethylbernsteinsäuredinitril rekombinieren können:
H 3 C
CN
CH 3
N N
CH
CH 3
3
b) Ein häufig verwendeter peroxidischer Initiator ist das Dibenzoylperoxid (BPO)
O
O O
CN
O
N 2
2
H 3 C
2
CH 3
Die Praxis kennt verschiedene verfahrenstechnische Ausführungsformen der Polymerisation, z.B.
in Substanz, Lösungspolymerisation, Emulsionspolymerisation, Suspensionspolymerisation.
Diese verschiedenen Verfahren wurden entwickelt, weil die technische Durchführung der
Polymerisation in erster Linie ein Problem des Wärmeaustausches ist. Die Monomere sind flüssig
oder gasförmig und die gebildeten Polymere fest oder - bei höheren Temperaturen - zähplastisch.
Die Polymerisation ist eine exotherme Reaktion. Um also ein "Durchgehen" der Reaktion zu
verhindern, muss man genügend kühlen und durch starkes Rühren für guten Wärmeaustausch
sorgen.
Nur wenige Monomere polymerisieren so langsam, dass sie ohne Gefahr in Substanz, also unverdünnt,
polymerisiert werden können. Aber nach diesem Verfahren erhält man die reinsten und
gleichmäßigsten Polymerisate. Unter anderem können Polymethylmethacrylat, Polystyrol und
Guss-Polyamid aus Caprolactam nach dieser Methode hergestellt werden (Versuche 9 und 10).
Bei der Lösungspolymerisation wird das Monomer in einem Lösemittel gelöst (Versuch Nr. 8),
das auch das entstehende Polymere gut zu lösen vermag. Das Lösemittel sollte möglichst unpolar
sein (Toluol, Xylol, Pentan, Cyclohexan), um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden.
Diese Art von Polymerisation wird vor allem für Klebstoff- und Lackrohstoffe angewendet, die
.
66
CN
O
H C
3
NC
CH 3
CH 3
CN
CH 3
.
O
2
.
- 2 CO2

in Lösung zur Verarbeitung gelangen, denn die Gewinnung des reinen Polymerisates aus der
Lösung ist sehr schwierig, da das Polymerisat Reste von Lösemitteln hartnäckig festhält.
Unter Fällungspolymerisation wird eine Polymerisation verstanden, bei der das Monomere im
Reaktionsmedium löslich, das Polymere aber unlöslich ist und deshalb ausfällt.
Die Substanzpolymerisation geht in eine Fällungspolymerisation über, wenn das Polymere im
Monomeren unlöslich ist. Entsprechendes gilt für die Lösungspolymerisation. Bei der Fällungspolymerisation
scheidet sich das Polymere als Niederschlag oder Gel ab. Durch Fällungspolymerisation
werden beispielsweise Methacrylsäuremethylester in Wasser/Methanol (Versuch Nr. 10)
oder Mischpolymerisate des Vinylchlorids in Kohlenwasserstoffen oder Alkoholen hergestellt.
Bei der Emulsionspolymerisation (wasserlösliche Katalysatoren!) werden Monomere und
Polymere mittels geeigneter Emulgatoren in feiner Verteilung im wässrigen Dispergiermittel
gehalten. Das Polymerisat kann nach Beendigung des Prozesses nach verschiedenen Verfahren
abgeschieden und zu feinem Pulver aufgearbeitet werden oder als feinteilige wässrige Dispersion
(Latex mit Teilchendurchmesser zwischen 50 und 200 nm) zur Anwendung kommen.
Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyacrylester, synthetischer Kautschuk aus cis-1,4-Polybutadien
(Buna ® ) oder Butadien-Acrylnitril-Copolymeren (Perbunan ® N) und andere Vinylderivate entstehen
auf diese Weise. Die Emulsionspolymerisation ist eines der wichtigsten großtechnischen
Verfahren der organischen Chemie.
Die Suspensionspolymerisation (im Monomeren lösliche Katalysatoren!) vollzieht sich in einer
wässrigen Dispersion unter Zusatz gewisser Schutzkolloide. Die Reaktionskinetik der
Suspensionspolymerisation ist der der Substanzpolymerisation ähnlich; jedes einzelne
Monomertröpfchen stellt für sich ein System für eine Substanzpolymerisation dar, dessen
Reaktionswärme durch das umgebende Wasser abgeführt wird. Das Polymerisat fällt hierbei in
Form von Tröpfchen an, die sich absetzen und zu einem rieselfähigen Korn oder in Perlform
erstarren. Wird die Suspensionspolymerisation so durchgeführt, dass das Polymerpulver aus
weitgehend gleichmäßigen, runden Kügelchen (meist zwischen etwa 10 und 100 µm
Durchmesser) besteht, spricht man auch von einer Perlpolymerisation. Nach dem Verfahren der
Suspensionspolymerisation werden Polymethacrylate,
hergestellt.
Polystyrol, Polyvinylchlorid u.a.
Ein interessantes Verfahren, das in kürzester Zeit besondere Bedeutung gewonnen hat, ist die
stereospezifische Polymerisation (Ziegler/Natta 1953/54) mit Ziegler´schen Mischkatalysatoren
auf metallorganischer Basis. Die stereospezifische Polymerisation führt zu Polymeren mit einem
hohen Kristallinitätsgrad. Auch bei niedrigem spezifischen Gewicht weisen solche stereoregulären
67

Polymere (s. Kapitel 3.1. - Taktizität) außerordentlich gute mechanische Festigkeiten bei
gleichermaßen verbesserten chemischen Eigenschaften auf. So wurden beispielsweise aus
isotaktischem Polypropylen Fasern mit einer Festigkeit bis zu 70 kg/mm 2 erhalten. Diese
Festigkeit entspricht derjenigen des Stahls.
68

6.4. Polyaddition
Die letzte und neueste Grundreaktion zur Synthese von Makromolekülen als Kunststoffe im
großtechnischen Massstab ist das Polyadditionsverfahren. Das Bildungsprinzip ist dadurch
gekennzeichnet, dass verschiedenartig aufgebaute polyfunktionelle Verbindungen unter
Wanderung von Wasserstoffatomen zu Polymeren verknüpft werden. Reaktionsnebenprodukte
wie Wasser oder sonstige einfache niedermolekulare Verbindungen entstehen nicht. Zwei große
Kunststoffgruppen werden heute nach diesem Verfahren hergestellt, die Polyurethane und die
Epoxidharze.
6.4.1. Polyurethane
Die Polyurethan-Chemie ist eine Domäne der Bayer AG. Ihr Verknüpfungsprinzip, die
Polyaddition, wurde im Jahre 1937 von Otto Bayer durch die Entdeckung der Polyurethane in die
Kunststoffchemie eingeführt. Sie werden bevorzugt durch die Polyaddition von Di- oder
Polyolen (Desmophen ® ) an Di- oder Polyisocyanate (Desmodur ® ) aufgebaut. Durch exotherme
Reaktion der Hydroxyl-Gruppen mit den Isocyanat-Gruppen entstehen Carbamidsäureester-
Gruppen (= Urethan-Gruppe) (Abb. 32).
Abb. 32: Schema einer Polyaddition zu Polyurethanen
HO R OH + O C N R +
1 N C O HO R OH
zweiwertiger
Alkohol (Diol)
O
R 1
Diisocyanat
O R O N N O R O
Urethan-Gruppe
O
O
N N O R O
zweiwertiger
Alkohol (Diol)
Diese Reaktion hat der ganzen Stoffklasse den Namen Polyurethane gegeben. Je nach den
verwendeten Ausgangsstoffen kann man lineare oder vernetzte Polyurethane erhalten, die für
viele Anwendungen in Schaumstoffen, Elastomeren, Lacken, Klebstoffen, Beschichtungen und
Fasern eingesetzt werden. Diese Variationsbreite der Polyurethane wird von keiner anderen
Kunststoffklasse erreicht.
69
R 1
H H H H
O

Lineare Polyurethane
entstehen durch Polyaddidtion von Dialkoholen an Diisocyanate, z.B. von Hexamethylendiisocyanat
an 1,4-Butandiol:
HO-(CH 2 ) 4 -OH + OCN-(CH 2 ) 6 -NCO + HO-(CH 2 ) 4 -OH + OCN-(CH 2 ) 6 -NCO
- - -O-(CH 2 ) 4 -O-CO-NH-(CH 2 ) 6 -NH-CO-O-(CH 2 ) 4 -O-CO-NH-(CH 2 ) 6 -NH -CO- - -
Dieses Polyurethan (Thermoplast!) unterscheidet sich von Polyamiden wie Nylon-6,6 ® und
Perlon ® (s. Kapitel 6.2., Abb. 24, 25) vorteilhaft durch seine geringe Wasseraufnahme. Es wird
daher gern für hochwertige Borsten verwendet.
Vernetzte Polyurethane
werden aus Isocyanaten und hochmolekularen Alkoholen erhalten, wobei mindestens eine
Komponente tri- oder höherfunktionell ist. Die Eigenschaften der vernetzten Polyurethane sind
über einen weiten Bereich variierbar. Generell gilt: Der Vernetzungsgrad und damit die Härte
steigen
a) mit dem Gehalt an seitenständigen OH-Gruppen im Desmophen ®
b) mit dem Anteil an Triisocyanaten
c) mit dem Überschuss an Isocyanaten (Vernetzungsmechanismus s. Abb. 36)
Es lassen sich kautschukelastische Polyurethane (Vulkollan ® ) sowie harte und weiche Schaumstoffe
herstellen.
Technisch wichtige di- und höherfunktionelle Isocyanate ("Polyisocyanate") werden in nachfolgender
Tabelle zusammengestellt. Im Anschluss daran werden di- und höherfunktionelle Alkohole
("Polyole") vorgestellt, die für technische Polyurethan-Synthesen bedeutend sind.
70
↓

Tabelle 4
Technisch wichtige "Polyisocyanate"
Name und Formel Hauptanwendungsgebiet
2,4- bzw. 2,6,-Diisocyanato-toluol (Toluylen-diisocyanat)
Desmodur R T
OCN
CH 3
NCO
CH 3
NCO
2,6-Isomer 2,4-Isomer
NCO
Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat, Desmodur R 44
OCN
CH 2
NCO
Oligomeres Diphenylmethan-4,4'-diisocyanat
Desmodur R 44 V
CH 2
CH 2
71
Schaumstoffe
Lacke
Elastomere
Schaumstoffe
Elastomere
Klebstoffe
Fasern
OCN Schaumstoffe
NCO
OCN n
n = 0,1,2,3 (Gemisch)

Name und Formel Hauptanwendungsgebiet
1,6- Diisocyanato-hexan (Hexamethylendiisocyanat. HDI)
Desmodur R H
OCN NCO
1,5-Diisocyanato-naphthalin, Desmodur R 15
NCO
NCO
Triisocyanato-triphenylmethan, Desmodur R R
OCN
OCN
CH
NCO
NCO
Produkt uas Desmodur R T und Trimethylolpropan
Desmodur R L
H 3 C
OCN
N
H
O
H 3 C
O
CH 2
CH 2
O
O
CH2 O
O
N
H
H
N
NCO
CH 3
CH 3
NCO
Hexamethylenbiuret-polyisocyanat, Demodur R N
(idelalisierte Konstitution)
O
N
NH
O
NH
NCO
72
NCO
elastische, lichtechte Polyurethane
Lacke
Hochleistungs-Elastomere
Vulkollan R
Klebstoffe
Lacke
Lacke

Name und Formel Hauptanwendungsgebiet
Isophoron-diisocyanat (IPDI)
Desmodur R Z
Polyole
H C 3
H C 3
Als Di- bzw. Triole werden fast ausschließlich OH-terminierte Polyether oder Polyester niederen
bzw. mittleren Molekulargewichtes (von 62 bis 6.000) verwendet. Diese tragen an den Enden
zwei bzw. - bei verzweigten Ketten - drei und mehr Hydroxyl-Gruppen. Die OH-terminierten
Polyether werden auch Polyetherpolyole genannt. Die wichtigsten Polyether-polyole auf Basis
von Ethylenoxid (Oxiran) und Propylenoxid (Methyloxiran) werden durch Basenkatalyse unter
Verwendung von bi- und trifunktionellen kurzkettigen Startermolekülen, wie Wasser oder
aliphatischen Diolen, durch ringöffnende Polymerisation erhalten:
C
H 2
H 3 C
O R + OH -
CH
HO CH 2
CH
R
O
CH 2
NCO
NCO
R
CH
HO CH2 CH
n
O
R
+ H +
Die OH-terminierten Polyester werden auch Polyesterpolyole genannt. Polyesterpolyole werden
durch Schmelzkondensation eines Überschusses an Diolen (oder Triolen) mit Dicarbonsäuren
gewonnen. So entsteht aus Ethandiol-(1,1) (Ethylenglykol) und Hexandisäure (Adipinsäure) der
Adipinsäureglykolpolyester (Desmophen 2000 ® ) :
O
73
+ n
O R
H2C CH
HO CH 2
CH
R = H: (Poly)ethylenoxid
R = CH 3: (Poly)propylenoxid
n + 1 HO-CH 2 -CH 2 -OH + n HOOC-CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -COOH
O O
HO--CH2-CH2-O-C-CH2-CH2-CH2-CH2-C-O--CH2-CH2-OH n
R
O
Lacke
CH 2
R
CH
n
OH
- 2n H 2 O

Der Ersatz von Polyetherpolyolen durch Polyesterpolyole in vernetzten Polyurethanen führt zu
einem verbesserten mechanischen Werteniveau. Besonders Zug- und Strukturfestigkeit bei
Raumtemperatur werden verbessert sowie die Beständigkeit gegen oxidative Einflüsse. Diese
Effekte werden durch die höhere Polarität der Ester-Gruppe und ihre geringere Neigung zur
Bildung von Peroxiden bedingt. Die Polyester haben höhere Erweichungspunkte und eine Größere
Kristallisationstendenz als die Polyether und sind in der Mehrzahl bei Raumtemperatur fest. Ein
Nachteil der Polyester ist jedoch ihre leichte Hydrolysierbarkeit.
6.4.1.1. Kautschukelastisches Polyurethan (Vulkollan ® )
Als Beispiel für ein kautschukelastisches Polyurethan soll hier die Herstellung des Vulkollan ®
schematisch beschrieben werden. Als ein Ausgangsmaterial dient der rein linear aufgebaute
Polyester Desmophen 2000 ® . Dieser wird im allgemeinen durch drei Reaktionsschritte in ein
weitmaschig vernetztes Produkt übergeführt.
Versuch Nr. 10
1. Vorverlängerung
Durch Zugabe eines berechneten Überschusses Diisocyanat zur sorgfältigen entwässerten
Schmelze des Polyesterpolyols erfolgt eine Verknüpfung von durchschnittlich zwei Polyestermolekülen
zu einem Größeren Kettenmolekül mit endständigen Isocyanatgruppen (Makrodiisocyanat
oder Präpolymer) (Abb. 33):
74

Abb. 33: Vorverlängerung des Diisocyanats mit Adipinsäureglykolpolyester
(Mol.-Gew. 2000 - 3000) der Formel:
HO C
H2 2. Verlängerung
C
H 2
Das so entstandene Makrodiisocyanat (Präpolymer) erfährt durch Beimischung sogenannter
Kettenverlängerer (Diamine, Wasser oder Diole) eine weitere Verlängerung (Abb. 34).
Abb. 34: Reaktion des Diisocyanatpolyesters
a) mit Diaminen zu Polyharnstoffen
H N 2 R NH2 H2N R NH2 + +
O C N N C O O C N N C O
O C N
O
O C N R N C O
(CH2 ) 4
CO
kurz:
O
CO
C
H 2
H2 C
HO OH
CO
CO
CO
N N R N N N
H H H H H
Polyharnstoff
75
O
CO
(CH 2 ) 4
HO OH HO OH
n
CO
O
n
H2 C
N R N
H H
C
H 2
OH
+ +
O C N R N C O O C N R N C O
CO CO
CO
O C N R N O O N R N O O
H H H
Diisocyanatpolyester (Präpolymer)
kurz: O C N N C O
CO
N
H
R
N C O

) mit Wasser zu Polyharnstoffen (Mechanismus vgl. Kap. 6.4.1.2)
O C N N C O
NH
H O H H O H
+ +
O C N N C O
76
- CO 2
CO
CO
NH NH NH
n
Polyharnstoff
CO
NH
Bei der Reaktion von Diolen mit dem Präpolymer werden hochmolekulare Polyurethane gebildet
(Abb. 35).
Abb. 35: Reaktion des Diisocyanatpolyesters (s. Abb. 33) mit Diolen zum Polyurethan
NH
HO R OH HO R OH
O C N N C O
+
O C N N C O
+
O N
N
H
CO
CO
O R O N
H
Polyurethan
NH
CO
O R O
n
3. Vernetzung
Die gebildeten Polyharnstoffe und Polyurethane besitzen in ihren Ketten nucleophile NH-
Einheiten, die durch Reaktion mit noch nicht abreagierten Isocyanatgruppen unter Ausbildung
einer Biuret- bzw. Allophanat-Struktur zur Vernetzung führen (Abb. 36).

Abb. 36: Vernetzung durch die Reaktion mit noch nicht abreagierten Isocyanatgruppen
a) mit Polyharnstoffen (s. Abb. 34)
"Harnstoff-Vernetzung" Biuret-Struktur
N
H
N
H
CO
N
H
CO
N
H
R
R
CO
N
H
N
H
N C O
b) mit Polyurethanen (s. Abb. 35)
"Urethan-Vernetzung" Allophanat-Struktur
N
H
N
H
N
H
HN
CO
N
CO
CO CO
O R O N
H
N C O
CO
O R O
HN
CO
N
CO
Außerdem erfolgt eine physikalische Vernetzung über Wasserstoffbrücken.
N
H
CO
CO
NH N
H
NH
NH
Bei der Umsetzung von Desmophen ® und Desmodur ® zu kautschukelastischen Kunststoffen
sowie zu Lack- und Klebstoff-Filmen muss Feuchtigkeit im Reaktionsgemisch unbedingt
ausgeschlossen werden (s.a. Versuch Nr. 10). In anderen Fällen, z.B. bei der
Schaumstoffherstellung, setzt man absichtlich Wasser zu.
77
N
H
R
R
N
H
N
H
CO
O R O
CO
O R
O

6.4.1.2. Polyurethan-Schaumstoffe
Wasser reagiert mit Isocyanaten unter Entwicklung von Kohlendioxid zu Harnstoffen, die mit
weiterem Isocyanat ein Biuret bilden:
R
N
C O
O C N R
+ H 2 O
R N H
R N
H
CO
N
H
R
instabile
Carbamidsäure
78
O
R
N
C O
-CO 2
OH R NH 2
R
N
H
HN
R
CO
N
Ist Wasser im Reaktionsgemisch zugegen (z.B. im Desmophen ® -Aktivatorgemisch des Versuchs
Nr. 11), so hat das Diisocyanat zwei mögliche Reaktionspartner: das Wasser und das
Desmophen ® . Es reagiert mit beiden, mit Wasser unter Entwicklung von Kohlendioxid, mit dem
Desmophen ® unter Bildung von Polyurethan. Während sich das Polyurethan bildet, wird es von
dem freiwerdenden Kohlendioxid aufgebläht: es entsteht ein Schaumstoff. Die Umsetzung
zwischen den Reaktionspartnern ist stark exotherm; sie tritt beim Zugeben der Komponenten
bereits bei Zimmertemperatur ein.
Derartige Schaumstoffe kann man in den verschiedensten Härtegraden gewinnen: Von einem
ausgesprochenen Hartschaum bis zu einem weichen und elastischen Schaum-Material sind alle
Zwischenstufen (auch unterschiedlichster Dichte) möglich. Es kommt vor allem auf das
verwendete Desmophen ® an.
Man unterscheidet bei den Schaumstoffen den Weichschaum, Hartschaum und Integralschaum.
Der Weichschaum nimmt darunter eine führende Stellung ein. In erster Linie wird er im
Polsterbereich eingesetzt. Für den Treibprozess wird die Kohlendioxid liefernde
Isocyanat/Wasser-Reaktion (s.o.) eingesetzt.
CO
R

Versuch Nr. 11
Das Aufschäumen des Hartschaums erfolgte bisher fast ausschließlich mit niedrigsiedenden
Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW), z.B. dem Trichlorfluormethan (Frigen 11 ® ). Das
Treibgas, das in den geschlossenen Zellen verbleibt, verleiht aufgrund seiner geringen
Wärmeleitfähigkeit dem Schaum seine hervorragenden Dämmeigenschaften. Diese Eigenschaften
wurden beim Einsatz in Kühlschränken und Kühltruhen genutzt.
In Europa sind z. Zt. ca. 90 Prozent aller Haushaltskühlschränke und 100 Prozent aller
Tiefkühltruhen mit Polyurethan-Hartschaum isoliert. Wegen der niedrigen Wärmeleitzahl des
Schaumstoffs konnten die Kühlmöbelhersteller das Fassungsvermögen der Geräte bei gleichen
Aussenabmessungen beträchtlich erhöhen. Im Verbund mit harten Deckschichten, wie Stahl oder
anderen Kunststoffen (Sandwichverfahren), wird der Hartschaum in steigendem Masse für
konstruktive Anwendungen eingesetzt.
Wegen der Ozonproblematik haben die Hersteller von Polyurethanschäumen bis Ende des Jahres
1992, wo immer möglich, auf FCKW-freie Verfahren umgestellt. Wo dies nicht erreichbar ist,
wird die Verwendung von FCKW auf das unumgängliche Maß reduziert. Nach Einführung
geeigneter Ersatzstoffe wird der Einsatz von FCKW zum frühstmöglichen Zeitpunkt eingestellt.
Ersatzstoffe sind die sogenannten "weichen" FKW, d.h. teilfluorierte Kohlenwasserstoffe mit
geringem ozonschädlichen Potential. Die Patentlösung ist jedoch die "Null-Lösung", d.h. rein
durch CO2 oder niedrigsiedende Kohlenwasserstoffe getriebener Schaum. In vielen Fällen kann
durch Rezeptur-Änderung schon heute ganz auf FCKWs verzichtet werden.
Vor mehr als 20 Jahren wurde mit den halbharten und harten Polyurethan-Schaumstoffen ein
völlig neues Anwendungsgebiet erschlossen, das sich als recht zukunftsträchtig erwies. Es wurde
beobachtet, dass schäumungsfähige Reaktionsgemische auf Polyurethan-Basis in geschlossenen,
temperierten Formwerkzeugen, wenn sie unter Druck aushärten, Formteile bilden, deren
Dichteverteilung über den Querschnitt kontinuierlich variiert: die Dichte nimmt von der Mitte des
Formteils zu den Rändern hin stetig zu, so dass eine Art Sandwich-Struktur entsteht, die dem
Schaumstoff hervorragende mechanische Eigenschaften verleiht. Das Integralschaum-Formstück
besitzt sofort eine feste, schützende Außenhaut. Durch den Schäumdruck wird die Oberfläche
des Formwerkzeuges exakt im Formteil abgebildet. In der Automobilindustrie werden halbharte
Integralschaumstoffe für Armlehnen, Armaturenabdeckungen und Stossstangen eingesetzt.
Hochabriebfeste Schuhsohlen lassen sich in einem Arbeitsgang direkt an den Schuhschaft
anschäumen. Auch technische Teile aus Integralschaumstoffen lassen sich umweltfreundlich ohne
Verwendung von FCKWs herstellen.
79

Die einzelnen Polyurethan-Kunststoffgattungen zeigen, wie weit die Skala der Eigenschaften der
Polyurethan-Kunststoffe reicht, die durch Änderungen am Makromolekül hergestellt werden
können. Die Arbeiten auf diesem Gebiet sind in vollem Gange und bei weitem noch nicht
abgeschlossen, so dass die Zukunft sicher neue interessante Entwicklungen auf diesem Gebiet
bringen wird. Über eine besondere Klasse der Polyurethane, die Polyurethan-Ionomere, wird im
Kapitel 8.2.2. berichtet.
6.4.1.3. Ingenieurkunst als Partner der Chemie
Im vorliegenden Buch wurden Kunststoffe vorwiegend aus chemischer Sicht beschrieben. Auf
dem Weg vom Makromolekül zum verarbeiteten Werkstoff bietet jedoch allein die
partnerschaftliche Zusammenarbeit mit Physikern, Mathematikern und Ingenieuren der
verschiedenen Fachrichtungen die Möglichkeit zu wirklichen Innovationen. Ein Beispiel aus der
Polyurethan-Chemie mag dies exemplarisch belegen. Das neu entdeckte Verfahren der in-situ-
Verschäumung von Polyurethanen während der Polyaddition war zwar im
Demonstrationsversuch (s. Abb. 37) konkurrenzlos elegant, aber vor allem deshalb, weil derartige
Techniken vorher gar nicht existierten und natürlich auch keine geeigneten Maschinen dafür.
Abb. 37: Polyaddition von Desmodur ® und
Desmophen ® zu einem Polyurethan-
Schaum
So konnten Polyurethan-Schaumstoffe zunächst nur ganz primitiv "von Hand" durch
Zusammenrühren der Ausgangsprodukte hergestellt werden. Polyurethane galten noch bis Mitte
der sechziger Jahre als exotische Spezialprodukte; mengenmässig waren sie unbedeutend (1963:
270 000 t weltweit).
Erst durch die Entwicklung einer auf das Diisocyanat-Polyadditionsverfahren abgestimmten und
für die verschiedenen Anwendungsgebiete aufgefächerten Zwei-Komponenten-Maschinen-
80

technik zur Förderung, Dosierung und Vermischung sowie zur kontinuierlichen Block-, Plattenund
Formverschäumung wurden die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass sich aus dem teuren
Spezialpolymer eine großtechnisch umfangreiche Produktgruppe entwickeln konnte.
Vor allem die Hochdrucktechnik - zunächst mit den in Dieselmotoren üblichen
Reihenkolbenpumpen realisiert - verhalf der Polyurethan-Herstellung zu ihrem Siegeszug in der
Kunststoffproduktion. Rasche Förderung und exakte Dosierung, extrem schnelle und intensive
Vermischung durch Gegenstrominjektion und damit hohe Ausstossmengen bis zu 600 kg pro
Minute ermöglichten die sichere Verarbeitung auch hochreaktiver Systeme und damit optimale
Wirtschaftlichkeit.
Der Aufbau harter oder weicher, kompakter oder im Kern geschäumter, vernetzter Elastomere
mit der aus der Schaumstoff-Technik hervorgegangenen "reaction injection moulding" (RIM)-
Technik nimmt zur Zeit weltweit einen rasanten Aufschwung. Dabei werden die flüssigen
Ausgangskomponenten maschinell exakt dosiert, vermischt und in geschlossene Formen
eingespritzt, worin sie in kürzester Zeit aushärten und der Form entnommen werden können. Die
chemische Reaktion, der Polymeraufbau, läuft also nicht in der chemischen Fabrik ab, sondern
unmittelbar beim Verarbeiter, z.B. dem Autohersteller, und führt direkt zum fertigen Formteil,
z.B. einem ummantelten Lenkrad oder einem Karosserieteil (Abb. 38).
Abb. 38: Beispiel für die Fertigung eines gesamten Frontendes ("softend") eines Fahrzeugs
aus Polyurethan-RIM
Beim RIM-Verfahren werden Reaktionszeiten in der Größenordung von wenigen Sekunden
gefordert. Es können also auch Diamine, deren Umsetzung mit Diisocyanaten im Labor ohne
Verdünnungsmittel aufgrund ihrer hohen Reaktivität nicht beherrschbar ist, als Reaktionspartner
81

eingesetzt werden (Polyharnstoff-RIM). Die entstehenden Polyharnstoffe sind steifer und
thermostabiler als die entsprechenden Polyurethane, vor allem aber lassen sie sich rascher
entformen. Dies ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie die Einführung und Entwicklung einer
neuen Technik rückwirkend zu einer Erweiterung der chemischen Basis eines Verfahrens führen
kann. Hochreaktive Aminoendgruppen tragende Polyether und Polyester wurden attraktive
Bausteine für das RIM-Verfahren, wodurch die Synthese dieser Produkte neue Impulse erhielt.
6.4.2. Epoxidharze
Ähnlich wie Isocyanate mit Alkoholen, Aminen und Säuren zu reagieren vermögen, liefern diese
sogenannten "Härter" auch Polyadditionsprodukte mit Epoxiden. Da die Härter häufig höher als
bifunktionell sind und die eingesetzten Bis-Epoxide auch selbst noch reaktive OH-Gruppen
tragen, entstehen vernetzte Polymere, die Epoxidharze.
Die wichtigsten Bis-Epoxide werden durch eine Kondensationsreaktion zwischen dem vom
Polycarbonat her bekannten "Bisphenol-A" (2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)propan) und Epichlorhydrin
gebildet (Handelsname Lekutherm ® ). Diese Bis-Epoxide (s. Abb. 39) sind zähflüssige oder
schmelzbare Produkte. Die Formgebung und die anschliessende Härtung des Giessharzes erfolgt
ohne Druck und ohne Abspaltung flüchtiger Substanzen. Als Härtungsmittel können praktisch
alle mit Epoxygruppen reagierende, mindestens bifunktionelle Verbindungen eingesetzt werden,
z.B. Polyalkohole, Polycarbonsäuren (und ihre Anhydride), Amine, Amide usw. (s. Abb. 40).
Versuch 12
Epoxidharze werden wie vernetzte ungesättigte Polyester verarbeitet und verwendet. Besondere
Merkmale sind gute Haftfestigkeit auf Metallen (Metallkleber, Kitte), gute elektrische und
mechanische Eigenschaften sowie hohe Chemikalienfestigkeit.
82

Abb. 39: Bildung von Bisepoxiden aus einer (I) bzw. drei Bisphenol-A-Einheiten (II) durch
Kondensation mit Epichlorhydrin
C
H 3
Cl
CH 3
O
CH CH 2
CH 2
Cl
CH 2
C
H 2
O
CH
OH
CH
+
CH 2
CH 2
HO
C
H 3
C
H 3
83
CH 3
CH 3
OH
O
+ C CH
O O CH2 CH 2
CH Cl
+ 2 NaOH
OH
- 2 NaCl
- 2 H 2O Kondensation
C
H 3
H 2
ringöffnende Addition
CH 3
O O CH 2
(I)
CH
O
C
H 3
H C 2
CH2 CH O O
CH CH 2 2
CH O
O OH (II)
Symbol für (I) und (II):
+ 1/2 Bisphenol A
CH 3
O
O O
CH 2
CH
OH
CH 2
CH 2
O
CH 2
Cl
C
H 3
CH 3
O CH 2
CH CH 2
O

Abb. 40: Schema der Härtung eines Bis-Epoxides entsprechend Abb. 39 mit einem Polyamin
H 2 N ~ NH ~ NH 2 (~ : Alkylenkette)
HO
HO
HO
x
O
HO OH
HN ~ N ~ NH
OH
N ~ N ~ NH
OH
O
N ~ N ~ N
84
+ y H 2N ~ NH ~ NH 2
OH HO OH OH HO
N ~ N ~ N
N ~ N ~ N
HO
HO
HO
OH
OH
N ~ N ~ N
HO
HO

7. Modifizierung von Kunststoffen
Der Überblick über die Grundreaktionen und der Vergleich der verschiedenen Bildungsprinzipien
makromolekularer Stoffe sollte zeigen, dass die Synthese der beiden großen Kunststoffgruppen - der
Thermoplaste und der Duroplaste - nicht an ein bestimmtes Reaktionsverfahren gebunden ist,
sondern dass vielmehr eine beachtliche Anzahl von Hochpolymeren nach den genannten drei
Reaktionsverfahren aufgebaut werden kann (s. Tabelle 3).
Die Grundeigenschaften der so hergestellten Werkstoffe reichen aber nicht aus, um die
verschiedenartigen und immer höher geschraubten Anforderungen aus der Praxis zu erfüllen.
Unabdingbare Eigenschaften von Werkstoffen sind:
- hohe Festigkeit bei hoher Temperatur
- gute Zähigkeit bei tiefer Temperatur
- hoher Schmelzpunkt
- Widerstandsfähigkeit gegen schroffe Temperaturänderung
- (Thermoschock)
- möglichst geringes Gewicht
- Beständigkeit gegen Kernstrahlung und kosmische Strahlung
- hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Chemikalien usw.
Es ist einleuchtend, dass kein Werkstoff alle diese Bedingungen, die sich z.T. auszuschließen
scheinen, erfüllen kann. Amerikanische Experten nannten den Idealwerkstoff daher
"Unobtainium" (das "Unerreichbare").
85

Durch die Entwicklung neuer Verbindungen, durch neue Arbeitsweisen und Kombinationen
bekannter Stoffe sind jedoch bereits bemerkenswerte Ergebnisse erzielt worden, die den
Kunststoffen den Beinamen "Werkstoffe nach Maß" eingebracht haben.
Polymer-Modifizierungen erhält man durch Beimischen relativ kleiner Anteile an (z.T. polymeren)
Hilfsstoffen z.B. mittels Knetmaschinen oder Extrudern zur Verbesserung der Werkstoff- und
Verarbeitungseigenschaften.
Kunststoffe sind so, wie sie bei den geschilderten Reaktionen anfallen, nur Rohstoffe. Sie werden
erst durch zahlreiche Nachbehandlungen zum Werkstoff mit genau festgelegten Eigenschaften (=
Handelsprodukt). Auch der beste Kunststoffrohstoff muss z.B. stabilisiert werden gegen Angriffe
(d.h. Aufbrechen der Makromoleküle in Bruchstücke) durch Wärme, Licht oder Sauerstoff.
Versuch Nr. 13
Er muss meist mit sogenannten Gleitmitteln (hochmolekularen Wachsen) versehen werden, damit
beim formgebenden Verarbeiten eine einwandfreie Ausfüllung auch komplizierter Formen
gewährleistet ist. Oft wird von Kunden eine ansprechende Einfärbung verlangt. Es kann auch sein,
dass der Kunststoff von sich aus zu spröde für einen vorgesehenen Einsatzzweck ist. Dann muss er
weichgemacht werden. Der Grund z.B., dass PVC mengenmäßig ein so bedeutender
thermoplastischer Kunststoff ist, ist hauptsächlich darin zu suchen, dass aus PVC mit Hilfe von
Weichmachern Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden können.
Während reines PVC ein hartes und sprödes Material darstellt, kann man durch Zusatz von
Weichmachern mehr oder weniger weiche und elastische Erzeugnisse erhalten.
Versuch Nr. 14
Häufig sind Haftvermittler erforderlich, damit z. B. Beschichtungen auf Papier oder Geweben
ausreichend haften. An Transportbänder, Fußbodenbeläge, Verpackungsfolien usw. wird häufig die
86

Forderung gestellt, dass sie sich nicht elektrisch aufladen dürfen. Also müssen Antistatica
eingearbeitet werden. Für die Verwendung in den Tropen wird immer häufiger die Forderung nach
Termitenbeständigkeit, z.B. für Kabelummantelungen, Kunstleder für Fahrzeugpolster usw. gestellt.
Diesen Ansprüchen kann man durch Einarbeitung von Termitenschutzmitteln gerecht werden. Zur
Erzielung bestimmter mechanischer Eigenschaften müssen oft Füllstoffe, wie z.B. Kaolin,
Schiefermehl, Sand, Carbonate, Sulfate, Silikate (Aerosile), Ruß, Glasfasern usw., eingearbeitet
werden. Zur Verbesserung der Flammwidrigkeit verwendet man unter anderem Antimontrioxid oder
Phosphorverbindungen. Zur Schimmelfestmachung stehen neuerdings geeignete Fungizide zur
Verfügung. In neuerer Zeit wird die Galvanisierung von Kunststoffen stark in den Blickpunkt des
allgemeinen Interesses gerückt. Galvanisierte Kunststoffteile bringen besonders dort große Vorteile,
wo für die Herstellung eines entsprechenden dekorativen Metallteiles mehrere und aufwendige
mechanische Bearbeitungsvorgänge, z.B. Drehen, Fräsen, Bohren, Abkanten, Löten usw.,
erforderlich sind.
Die Bearbeitung jedes dieser Gebiete erfordert heute bereits Spezialisten.
87

8. Neuere Entwicklungen
Auch bei dem gegenwärtigen hohen Stand der Kunststoffchemie kommt der Suche nach neuartigen
Kunststoffen aus bisher noch nicht verwendeten monomeren Bausteinen oder nach neuen
Strukturprinzipien eine wichtige Bedeutung zu. Naturgemäß können solche neuen Polymere bei
Markteinführung nur Spezialwerkstoffe für besondere Anwendungen sein, die sich nicht zuletzt
wegen ihres erhöhten Preises einen größeren Markt erst erschließen müssen.
8.1. Polymere aus neuen Monomeren
( - Variation der Primärstruktur - )
8.1.1. Temperaturbeständige Polymere
Als ein Anwendungsbeispiel unter vielen für Kunststoffe aus neuen Monomeren sollen hier einige
temperaturbeständige Polymere vorgestellt werden. Diese Forschungsrichtung wurde anfangs durch
die Entwicklungen in Luft- und Raumfahrt initiiert. Heute sind aber Anwendungen im Fahrzeug- und
Maschinenbau sowie in der Elektro- und Elektronikindustrie mehr in den Vordergrund gerückt.
Temperaturbeständige Polymere enthalten Bausteine, in denen sehr stabile Bindungen in Aromaten
bzw. C-F-Bindungen (Bindungsenergie = 441 kJ/mol) an die Stelle von aliphatischen C-C- bzw. C-
H-Bindungen (Bindungsenergie = 413 kJ/mol) getreten sind (s. z.B. PTFE-Beschichtungen in
Kapitel 6.3.1.). Hinzu kommt häufig ein steifer Aufbau der Polymerketten mit starken
Wechselwirkungskräften und einem hohen Anteil an Kristallinität.
Exemplarisch wird je ein Polymer aus den drei Verbindungsklassen Polyaryle, heterocyclische
Polymere und Leiterpolymere, vorgestellt. Die Temperaturbeständigkeit von Fluorpolymeren
(Teflon, Kapitel 6.3.1.) wurde bereits erwähnt. Auf flüssigkristalline Polymere soll in anderem
Zusammenhang noch eingegangen werden (s. Kapitel 8.2.4.).
88

Polyaryle
In Polyarylen sind Benzolringe durch heteroatomhaltige Gruppen X und Y verbunden. Technisch
sind dabei die drei folgenden Substanzklassen von Bedeutung:
Das seit 1972 käufliche PPS ist ein Polykondensat, das durch nucleophilen Angriff von Sulfid auf p-
Dichlorbenzol bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gebildet wird:
X
a) X = Y = S: Polyphenylensulfid (PPS: hochkristallin)
b) X = O, Y = SO 2 : Polyethersulfone (PES: amorph)
c) X = O, Y = CO: Polyetherketone (PEK: teilkristallin)
Cl
n
+ n Na2S Cl
Die Schmelztemperatur von PPS liegt bei 285 o C; es ist oberhalb 300 o C nach gängigen Verarbei-
tungsprozessen für Thermoplaste (Spritzgießen, Extrudieren) verarbeitbar. Dieses Material hält
Temperaturbelastungen bis zu 275 o C auch über mehrere Tage ohne Schaden aus (s. Abb. 41).
Y
- 2n NaCl
89
n
PPS
S
n

Abb. 41: Ein Löffel aus einem Standardkunststoff mit geschmolzenem Lötzinn (260 o C) wird
zerstört. Den PPS-Löffel "lässt diese Temperatur kalt"
PPS wird jedoch durch Oxidationsprozesse unter UV-Bestrahlung angegriffen. Durch weitere
Forschung könnte dieser kleine Fehler im Gesamtbild des neuen Werkstoffes beseitigt werden.
Heterocyclische Polymere
Polyimide entstehen in einer zweistufigen Reaktion aus einem aromatischen Diamin und einem
aromatischen Dianhydrid wie z.B. 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid (Pyromellitsäuredianhydrid).
Nach dem einleitenden Polyadditionsschritt sind die erhaltenen Polymere noch löslich und
zu Filmen oder Fasern verarbeitbar (s. Abb. 43). Beim anschließenden Erhitzen tritt unter Wasserabspaltung
eine Polycyclokondensation zum Polyimid ein, das sich an der Luft erst oberhalb 550 o C
merklich zersetzt. Die hohe Wärmebeständigkeit hat jedoch den Nachteil, dass das Material nach
thermoplastischen Techniken nicht verarbeitbar ist.
90

Abb. 43: Bildung von Polyimid aus aromatischem Diamin und 1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid
O
O
O
N
Auch das Polybenzimidazol (PBI) kann wegen seiner Glastemperatur von 425 o C nicht in Substanz,
sondern nur aus der Lösung verarbeitet werden. Seine Synthese verläuft ebenfalls zweistufig (Abb.
44). Isophthalsäurediphenylester wird unter Freisetzung von Phenol zuerst einer Polykondensation
mit 3,3´,4,4´-Tetraaminobiphenyl zu einem Polyamid unterzogen. Dieses Präpolymer cyclisiert
anschließend in einer Festphasenpolykondensation unter Wasseraustritt zum Polybenzimidazol.
PBI-Gewebe sind nicht brennbar und haben, da sie ca. 15 % Feuchtigkeit aufzunehmen vermögen,
einen gewissen Tragekomfort. Dadurch sind sie für feuerfeste Schutzanzüge und feuerblockierende
Gewebe und Vliese für Flugzeugsitze einsetzbar.
O
O
O
+ Ar
H 2 N NH 2
O O
O
Polyimid
O
N
Ar
n
Polyaddition
91
HOOC
H
N
O
O
Ar
N
H
COOH
Cyclokondensation
- 2n H 2O
n

Abb. 44: Bildung von Polybenzimidazol aus 3,3´,4,4´-Tetraaminobiphenyl und
Isophthalsäurediphenylester
H 2 N
Leiter- und Kohlenstoff-Polymere sind weitere Beispiele für Kunststoffe mit extremer
Temperaturbeständigkeit. Sie sollen unter dem Gesichtspunkt neuer Molekülstrukturen im Kapitel
8.2. behandelt werden.
PhO
n H2N NH
2 + n
HN
H 2 N
N
N
H
NH 2
92
O
1. Cyclokondensation
- 2n PhOH
NH 2
N
H
O
O
2. Polykondensation
- 2n H 2 O
N
H
N
Polybenzimidazol
n
n
O
OPh

8.1.2. Polypyrrol - ein elektrisch selbstleitendes Polymer
Aus der Erkenntnis, dass in der Reihe Ethylen, Butadien, Hexatrien mit zunehmender Kettenlänge
die Elektronen im π-System immer "freier" beweglich werden, hat man schon recht früh daran
gedacht, ob nicht Polymere mit einem delokalisierten π-System elektrische Leiter sind. 1954 hat
Ziegler bereits Polyacetylen als schwarzes Pulver hergestellt. Es leitet den elektrischen Strom nicht.
Physikalische Überlegungen bezüglich eindimensionaler Leiter (und darum handelt es sich beim
Polyacetylen) zeigen, dass es anstelle der gewünschten Bindungsdelokalisierung zu einer
Bindungsalternanz (Einfach-/Doppelbindung) kommt, die die Beweglichkeit der Elektronen so
einschränkt, dass man keine Leitfähigkeit beobachtet.
Durch partielle Oxidation des Polyacetylens, beispielsweise mit Jod, erhält man ein polymeres Salz,
in dem die Elektronenbeweglichkeit so hoch ist, dass Leitfähigkeiten bis 100 S/cm, (S=Siemens), bei
spezieller Orientierung und Defektfreiheit sogar bis 100 000 S/cm, messbar sind.
Elektrisch leitfähiges Polypyrrol lässt sich mit geringerem Aufwand als Polyacetylen herstellen. Bei
der oxidativen Polymerisation des Pyrrols erhält man das leitfähige Polymer direkt als schwarzes
Pulver (Abb. 45).
n
Polyacetylen
+ +
I 3 - I 3 -
93

Abb. 45: Oxidative Polymerisation von Pyrrol
N
H
2
H
+
- e- +
+ + - 2 H +
H H
N
H
. H
N
H
H H
N
H
N
H
(II) (III) (IV)
Entsprechend entstehen aus (IV) oder höheren Homologen Radikalkationen (V)
N
H
Grenzstrukturen:
N
H
+
X -
N
H
N
H
n
N
H
(V)
N
H
N
H
n
N
H
N
H
H
+
N
H
.
H
H
N
N . H
H (I)
H (II)
N
H
+ II
X -
+
- 2 H +
N
H
n
N
H
N
H
Durch Oxidation wird im ersten Reaktionsschritt dem Pyrrol I ein Elektron entzogen. Das gebildete
Pyrrolradikalkation II dimerisiert zum Dikation III, das durch Deprotonierung in das Bipyrrol IV
übergeht. IV ist leichter oxidierbar als Pyrrol, so dass ein weiteres Pyrrolradikalkation II erst gebildet
wird, wenn alle höhermolekularen Pyrrolderivate als Radikalkation V vorliegen. Letztendlich bildet
sich ein Polymer, in dem jede dritte Pyrroleinheit eine positive Ladung trägt. Diese wird durch das
Gegenion X - neutralisiert, das aus dem Oxidationsmittel stammt (z.B. Chlorid aus Eisen-III-chlorid).
94
N
H
N
H
N
H
N
H
n
N
H
N
H
+
N
H
+
X -
N
H
N
H
N
H
+
N
H
n/3
Nach dem Trocknen zeigen derartige Polypyrrolproben eine Leitfähigkeit bis 30 S/cm.
X -
N
H
X -
N
H
N
H
N
H
n

Versuch Nr. 15
8.2. Neue Kunststoffe durch Variation der Molekülstruktur
(Sekundär- und Tertiärstruktur)
Im Gegensatz zur Entwicklung von Polymeren aus neuen Monomeren, stehen Bemühungen, neue
Kunststoffe aus monomeren Bausteinen aufzubauen, die heute schon durch die Petrochemie in
ausreichender Menge und vor allem billig zur Verfügung stehen. Hier kommt es darauf an, die
wenigen in Frage kommenden Monomeren auf neue Art und Weise so zu kombinieren oder zu
verknüpfen, dass neuartige Kunststoffe mit vorausgeplanten Eigenschaften entstehen. In diesem
Zusammenhang gewinnen die bereits bekannten Verfahren der Copolymerisation (s. Kap. 3.1.1.)
sowie der stereospezifischen Polymerisation (s. Kap. 6.3.2.) immer größere Bedeutung.
8.2.1. Leiter- und Kohlenstoff-Polymere
Durch Verstrecken von ataktischem Polyacrylnitril lässt sich eine Anordnung der Nitrilgruppen
erzwingen, die bei erhöhter Temperatur unter Cyclisierung und Dehydrierung zu einem sogenannten
Leiter-Polymer [s. Abb. 46a (nicht zu verwechseln mit polymeren Leitern im Kapitel 8.1.2.)] führt.
Unter Leiter-Polymeren werden solche Polymere zusammengefasst, bei denen 2 Hauptvalenzketten
in regelmäßigen Abständen miteinander verbunden sind. Ein solches Produkt ist wegen der starken
Konjugation der Doppelbindungen (vgl. Versuch Nr. 13, zersetztes PVC) schwarz. Es ist aber
thermisch so stabil, dass daraus hergestellte Stoffe (z.B. Gewebe) sogar dunkle Rotglut aushalten.
Derartige Stoffe besitzen Halbleitereigenschaften, was sie für die Elektronikfachleute interessant
macht. Ähnliche Polymerisate kann man auch aus isotaktischem Poly-1,2-butadien herstellen,
dessen Vinyl-Seitenketten sich kationisch mit AlCl3 unter Ausbildung einer Leiter-Struktur
polymerisieren lassen. Die abschließende Dehydrierung führt zu einem Material, das als sogenannte
Pluton ® -Faser vermarktet wird (s. Abb. 46 b).
95

Das aus dem Polyacrylnitril erhaltene Leiter-Polymer geht bei starkem Erhitzen unter Stickstoff (1.
Carbonisierung: 1 - 3 h bei 1500 o C / 2. Graphitierung: kurzzeitig 2500 o C) in eine Struktur mit
Graphitdomänen über. Diese Kohlenstoff-Fasern haben neben hervorragenden mechanischen
Eigenschaften eine Temperaturbeständigkeit bis 3000 o C unter Inertgas und sind elektrisch leitend.
Sie werden u.a. als Verstärkungsfaser eingesetzt. Das Prinzip der Carbonisierung, also einer
"Verkohlung" unter exakt definierter Temperaturführung, wurde auch auf Phenol-Formaldehyd-
Harze und -Schäume übertragen. Die so entstandenen Materialien werden als Kohlenstoff-Glas und
Kohlenstoff-Schaum bezeichnet und finden Einsatz in der Raumfahrt, in Heißgasleitungen oder in
Bremsscheiben von Flugzeugfahrwerken. Hierbei sind kohlen-faserverstärkte Kohlenstoff-
Werkstoffe (CFC) von besonderem Interesse.
Abb. 46: Herstellung von Leiter-Polymeren aus:
a) verstrecktem Polyacrylnitril
b) isotaktischem Poly-1,2-butadien sowie
96

8.2.2. Ionomere
c) Carbonisierung und Graphitierung zur Kohlenstoff-Faser
a) b)
H 2
H C
C
H 2
H
C
C
Eine interessante Variation der Tertiärstruktur findet bei den sogenannten Ionomeren statt. Dies sind
Copolymerisate insbesondere von Ethylen und etwa 15 % Methacrylsäure oder anderen
carboxylgruppenhaltigen Monomeren. Diese unterscheiden sich aber wesentlich von den üblichen
Mischpolymerisaten dadurch, dass die im Material entlang der Polymerkette enthaltenden
Carboxylgruppen durch Kationen miteinander verknüpft sind.
H 2
H
C
C
H
C
N N N N
c)
N N N N
N N N N
1500 -
2500 °C
H 2
C
Cyclisierung
Dehydrierung
97
H 2
H C
C
H2 H C
C
H2 H C
C
H
C
H
2
C
HC HC HC HC
CH 2 CH2 CH 2 CH2
H H H H
R
Pluton -Faser

Abb. 47: Schematischer Aufbau eines Ionomers (M = Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ ...)
H2 C
C
H 2
CH3 H
2
H2 C C
H
2
C
H
2
C
H
2
C
C
H
2
C
H2 C
H2 - O O - O O
H2 C
O
C
H 2
M M
-
O
O
-
O
CH 3
H2 C
C
H2 Es liegen sowohl ionisierte als auch freie Carboxylgruppen im Ionomeren vor. Die kristalline
Struktur des zugrundeliegenden Polyethylens wird gestört, so dass der Kunststoff völlig klar und
transparent wird. Trotz Ionenbindungen weist diese neue Stoffklasse aber alle Kennzeichen echter
Thermoplaste auf. Die Ionenbindung bewirkt zwar eine hohe Festigkeit der Schmelze, eine
wesentliche Steigerung der Zugfestigkeit und eine erhöhte Haftfestigkeit zu Trägermaterialien, wird
aber durch die bei der Verarbeitung herrschende hohe Temperatur (ca. 300 o C) reversibel aufgehoben.
Durch Änderung des Molekulargewichtes, des Carboxylgruppengehaltes sowie der Art und Menge
der Kationen kann das Eigenschaftsbild in weiten Grenzen beeinflusst werden.
Durch den Einbau ionischer oder im sauren bzw. basischen Bereich Ionen bildender Gruppen in
Polyurethane erhält man Polyurethan-Ionomere. Sie liefern wässrige Dispersionen, die ohne
Emulgatoren und ohne Anwendung von Scherkräften hergestellt werden können. Solche wässrigen
Polyurethansysteme verdrängen z.T. Produkte, mit denen in organischen Lösemitteln gearbeitet
werden musste. Das wässrige System ermöglicht neue Einsatzmöglichkeiten, wie Antifilzausrüstung
von Wolle, Leimungs- und Beschichtungsmittel für Papier, Glasfaserausrüstung, Weichmacher für
Fotogelatine, Herstellung dünnwandiger Materialien durch Tauchkoagulation (Abscheidung auf der
heißen Oberfläche einer Form), sowie Gerbstoff- und Färbereihilfsmittel.
C
H 2
H2 C
98
C
H 2
CH 3
CH 3
C
H 2
C
H 2
H
2
C

Die Polyurethanherstellung in wässrigen Zweiphasensystemen bietet neue Möglichkeiten. Zu der
hohen chemischen Variabilität der Grundbausteine kommt die Wahlmöglichkeit zwischen anioni-
schen, kationischen, zwitterionischen und nichtionisch-hydrophilen einbaufähigen Komponenten
hinzu. Im Gegensatz zu echten Lösungen, bei denen das Molekulargewicht des gelösten Stoffes aus
Viskositätsgründen nach oben begrenzt ist, können aus Dispersionen auch extrem hochmolekulare,
verzweigte, ja sogar völlig vernetzte Polyurethane verarbeitet werden (Abb. 48).
Abb. 48: Schematischer Aufbau einer Polyurethan-Harnstoff-Ionomer-Dispersion
4 O C N N C O + HO +
O
Diisocyanat Triol "Ionomer-Baustein"
C
N
N
H
8.2.3. Polymer-Blends
CO
O
O CO
1.) Einrühren in H 2O/OH -
2.) Reaktion mit Diamin oder Wasser
O
CO
N
H
N
H
OH
OH
Die Anforderungen der Kunststoffanwender können häufig mit reinen Basispolymeren nicht oder
nur schwer erfüllt werden. Für spezifische Einsatzgebiete jeweils neue Polymere auf Basis neuer
Bausteine zu entwickeln, ist meistens zu kostenaufwendig. Beispielsweise belaufen sich die Kosten
für die Entwicklung und den Bau der Produktionsanlagen eines neuen thermoplastischen
99
N
H
HOCH 2
N C O
CO
OCH 2
Polyurethan - Harnstoff - Ionomer - Dispersion
CH 3
CH 2 OH
COOH
CH CO N
3 H
CH2O COOH
N C O

Kunststoffes auf mehrere 100 Millionen DM, wobei die Entwicklungsdauer im Normalfall länger 10
Jahre ist.
Um technische Thermoplaste mit neuen spezifischen Eigenschaftskombinationen herzustellen,
bedient man sich daher lieber der Blendtechnologie.
Polymer-Blends (oft auch als Polymer-Legierung bezeichnet) sind verarbeitungsfertige Mischungen
(z.B. in Granulatform) von mindestens zwei unterschiedlichen Polymeren in höherprozentigem
Anteil. Das Mischen ("Compoundieren") der Bestandteile erfolgt unter definierten
Temperaturbedingungen unter großer Scherkraft. Die Eigenschaften des entstehenden Polymer-
Blends ergeben sich, ähnlich wie bei Metall-Legierungen, nicht einfach additiv aus den Eigenschaften
der Einzelkomponenten, sondern es entstehen neue Eigenschaftsprofile.
Es bestehen jedoch keine kovalenten Bindungen zwischen den Blendbestandteilen, wie etwa
zwischen den Comonomeren eines Copolymerisates (s. Kapitel 3.1.1.). Der Anteil zumindest einer
beigefügten Komponente ist mindestens 10 % und damit größer als der Anteil der Hilfsstoffe in
Polymer-Modifizierungen (s. Kapitel 7). Polymer-Mischungen letztlich unterscheiden sich von
den Blends dadurch, dass in einem Schritt die verschiedenen Polymere gemischt und zum Formteil
verarbeitet werden.
Der wichtigste Anwender für Polymer-Blends ist zur Zeit die Kfz-Industrie. Obwohl schon Blends
aus fünf Polymerkomponenten in der Literatur beschrieben wurden, liegt der Schwerpunkt doch bei
binären und ternären Systemen.
Die moderne Technik bedient sich gern der ternären Blends aus amorphen und teilkristallinen Blend-
Komponenten sowie eines Schlagzähmodifikators. Die teilkristallinen Blend-Komponenten tragen
vor allem zur Chemikalienbeständigkeit sowie zur dynamischen Belastbarkeit und
Wärmeformbeständigkeit bei; die amorphen Bestandteile erhöhen die Zähigkeit.
100

Vollständig gemischte Polymer-Blends kann man bespielsweise aus PVC und hochmolekularen
Polyestern herstellen; ein anderes wohlbekanntes System besteht aus Polyphenylenoxid und
Polystyrol (Noryl ® ).
Die weitaus überwiegende Zahl der Polymer-Blends ist inhomogen oder nur partiell gemischt und
zeigt eine heterogene Morphologie. Ein charakteristisches und technisch wertvolles Merkmal für
heterogene Mehrphasensysteme ist, dass Produkteigenschaften erreicht werden können, die aus dem
Eigenschaftsniveau der Einzelkomponenten nicht zu erwarten sind. Im folgenden seien einige
illustrative Beispiele erklärt.
Polymer-Blends für Kfz-Schalttafeln
Anforderungen: Heute ist für Kfz-Schalttafeln wegen der flachen Anordnungen der Windschutz-
scheiben eine hohe Wärmeformbeständigkeit erforderlich. In südlichen Ländern sind auf der
Schalttafeloberfläche in der Mittagssonne schon Temperaturen von mehr als 120 o C gemessen
worden. Auch die Anforderungen an die Zähigkeit sind gestiegen. Seit Mitte der 70er Jahre wird eine
Schalttafel gefordert, die sich bei einem Aufprall mit 24 km/h noch als bruchfest und splitterfrei
erweist.
Lösung: Die geforderte Eigenschaftskombination wird durch den thermoplastischen Polymer-Blend
mit dem Namen Bayblend ® in idealer Weise erreicht (kurz "PC/ABS-Blend"). Bayblend ® ist ein
Polymer-Blend, der aus Polycarbonat (PC: siehe Kapitel 6.2.) und einem ABS-Polymer besteht.
Diese drei Buchstaben, ABS, stehen für die überaus erfolgreiche eigenständige Polymerentwicklung
eines Kunststoffes mit einer Matrix aus Styrol und Acrylnitril und der eingebetteten Elastomerphase
auf Basis Butadien. Das ABS-Polymer selbst wird unter der Bezeichnung Novodur ® vermarktet und
ist u.a. als Material der Lego-Steine in viele Kinderzimmer vorgedrungen (s. Abb. 49).
Abb. 49: Eine weitbekannte Anwendung des schlagzähen Polymer-Blends ABS aus
Acrylnitril, Butadien und Styrol
101

Doch zurück zur Kfz-Schalttafel aus Bayblend ® (s. Abb. 50). Die Wärmeformbeständigkeit dieses
Blends liegt zwischen jener von reinem ABS und Polycarbonat. Aufgrund eines synergistischen
Effektes weist das Material bei tiefen Temperaturen eine höhere Zähigkeit auf als die beiden
Blendkomponenten in reiner Form.
Abb. 50: Armaturentafel aus Bayblend ®
Polymer-Blends für Kfz-Stoßfänger
102

Anforderungen: - Steifigkeit
- Zähigkeit (auch bei tiefer Temperatur)
- Wärmeformbeständigkeit (Wärmestrahlung vom Motor und bei Lackierung)
- Chemikalienbeständigkeit (Benzin, Öl, Reinigungsmittel)
- leichte Verarbeitbarkeit (Formbarkeit, Lackierbarkeit)
Lösung: Es gelang, dieses komplexe Anforderungsprofil durch die Entwicklung eines Blends mit
Namen Makroblend ® auf Basis eines amorphen und eines teilkristallinen Thermoplasten unter Mit-
verwendung eines Elastomermodifikators zu erfüllen. Kombinationen aus Polycarbonat (s. Kapitel
6.2.) und Polybutylenterephthalat (s. Kapitel 6.2., Abb. 17, entsprechendes Produkt mit 1,4-Butan-
diol statt Ethylenglykol, Handelsname Pocan ® ) haben sich für dieses Einsatzgebiet besonders be-
währt (Abb. 51). Als Elastomermodifikatoren kommen Polybutadiene (s. Kapitel 3.1.) und Poly-
acrylate (s. Kapitel 6.3.1.) in Betracht. "Polycarbonat + Modifikator" allein war zu spannungs-
rissempfindlich, "Polybutylenterephthalat + Modifikator" allein als zu wenig dimensionsstabil.
Abb. 51: Stoßfänger aus einem Polycarbonat/Polyesterblend bei einem VW-Golf
103

Eine Übersicht der Hersteller von Konstruktionswerkstoffen zeigt, dass bereits 1985 etwa 60
verschiedene Blendtypen als Verkaufsprodukte angeboten wurden.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Polycarbonat-Blends sind z.B. Polymer-Blends auf Basis
von Polyamid und amorphen Thermoplasten relativ neue Entwicklungen, die z.T. noch der
Optimierung bedürfen. Sehr interessant ist auch die Entwicklung flammfester Polymer-Blends, bei
denen es gelungen ist, auf antimon- und bromhaltige Additive zur Flammschutzausrüstung zu
verzichten.
8.2.4. Flüssigkristalline Polymere
Flüssigkristalline Polymere (kurz: LCP von engl. = Liquid Crystal Polymer) zeigen in der Schmelze
die Eigenschaften flüssiger Kristalle. Der flüssigkristalline Zustand liegt zwischen dem kristallinen
Zustand mit seinen starken Bindungskräften, die zu dreidimensionalen Gitterstrukturen führen, und
dem flüssigen Zustand, in dem es nur die Anziehung zu den direkten Nachbarmolekülen, aber keine
Vorzugsrichtungen gibt. Physikalische Eigenschaften von Flüssigkeiten sind daher
richtungsunabhängig ( - isotropes Verhalten - ). In Flüssigkristallen hingegen ist der Ordnungszustand
besser als in isotropen Flüssigkeiten, aber schlechter als in Kristallen, denn es bricht beim Schmelzen
flüssiger Kristalle zwar das Kristallgitter zusammen, die Moleküle behalten jedoch eine gewisse
Vorzugsrichtung bei. Eigenschaften dieser Flüssigkristall-Phasen (auch Mesophasen genannt) sind
daher richtungsabhängig ( - anisotropes Verhalten - ). Dieses Verhalten tritt bei formanisotropen
Molekülen wie z.B. stäbchenförmigen Molekülen auf. Stäbchenförmige und steife Makromoleküle
erleiden keinen Verlust ihrer Form durch Rotation um Bindungen. Ein Modell dafür sind
Baumstämme auf einem See.
Wird ein Polymer aus kettensteifen Makromolekülen z.B. beim Verspinnen durch eine Düse
gepresst, kommt es im Schergefälle zu einer weiteren parallelen Ausrichtung der steifen,
stäbchenförmigen Molekülsegmente (s. Abb. 52). Das Ergebnis dieses Fließorientierungsprozesses
104

ist eine makroskopische Orientierung, die z.B. im Bruchbild eines LCP-Prüfstabs gut zu erkennen ist
(s. Abb. 53). Spritzgegossene Teile aus LCP haben in Abhängigkeit von der Fließrichtung der
Polymerschmelze unterschiedliche mechanische Eigenschaften.
Abb. 52: Fließorientierung eines flüssigkristallinen Polymers in einer Düse
Abb. 53: Bruchbild eines LCP-Prüfstabs
105

Im Folgenden sind einige Grundstrukturen aufgeführt, die aufgrund ihrer stäbchenförmigen, steifen
Struktur in der Lage sind, Mesophasen zu bilden (R = Alkyl, Alkoxyl u.a.):
R R
R R
Symbolisiert man diese stäbchenförmigen Strukturelemente, die sogenannten Mesogene, durch ein
Kästchen innerhalb eines Makromoleküls, so ergeben sich fast spielerisch verschiedene
Anordnungsmöglichkeiten:
Obwohl die wissenschaftliche Erforschung aller dieser Systeme in vollem Gange ist, liegen
Schwerpunkte bei LC-Hauptkettenpolymeren mit linear angeordneten Mesogenen. Zwei Beispiele
sollen auftretende Probleme erläutern:
R
R
106
O
O
O
N
H
R
LC - Hauptkettenpolymer
LC - Seitenkettenpolymer

Poly(1,4-phenylenterephthalamid) (Handelsname Kevlar ® ) durch Polykondensation aus p-
Phenylendiamin und Terephthalsäuredichlorid (Abb. 54).
Abb. 54: Bildung des Poly(1,4-phenylenterephthalamids) in einer Polykondensation von
O
p-Phenylendiamin und Terephthalsäuredichlorid
Die treibende Kraft bei Schmelz- und Lösevorgängen ist der eintretende Entropiegewinn (die
"Unordnung" nimmt zu). Ein solcher Energiegewinn muss bei LC-Polymeren dieser Art gering sein,
da die steifen Mesogene kaum Bewegungsfreiheitsgrade beim Zusammenbruch des Kristallverbandes
erfahren. Kevlar ® und ähnliche LC-Polymere verkohlen unter Zersetzung und sind weitestgehend
unlöslich. Hierdurch wird ihre Verarbeitung insbesondere im industriell technischen Maßstab
erheblich erschwert. Kevlar ® gehört zu den lyotropen LC-Polymeren, d.h. seine
Flüssigkristallstruktur wird in Lösung erhalten; als Lösemittel ist hierbei konzentrierte Schwefelsäure
nötig.
O
Cl Cl
- Poly(1,4-phenylenterephthalester) durch Polykondensation von Hydrochinon und
Terephthalsäure (Abb. 55)
H 2N NH 2
Abb. 55: Bildung des Poly(1,4-phenylenterephthalesters) durch Polykondensation von
Hydrochinon und Terephthalsäure
+
(Die Klasse der aromatischen Polyamide wird auch als Aramide bezeichnet)
HO OH +
O
HO
OH
O
- 2 HCl
- H 2O
+ H 2O
107
O
O
O
N
H
O
O
N
H
O
n
n

Auch dieses Polymer ist sehr schwer löslich und zersetzt sich vor dem Aufschmelzen. Thermotrope
LC-Polymere, d.h. LCPs, deren Mesophase aus der Schmelze zugänglich ist, lassen sich durch
solche Strukturvariationen erhalten, die zu einem Entropiegewinn beim Schmelzen führen. Dies
wurde bei den folgenden Beispielen erreicht, indem Copolymere gebildet wurden, die
a) nicht lineare Kettenelemente
oder
b) flexible Ketten in bzw. an der Hauptkette
enthalten.
O
O
O
O
O
O
(CH 2 ) n CH 3
Flüssigkristalline Polymere haben mechanische Eigenschaften, die das Niveau von Stahl erreichen
können, und werden genutzt wegen ihrer geringeren Dichte und hohen Wärmeform- sowie
Lösemittel-Beständigkeit. Sie werden für einige hochwertige Elektronikbauteile, als Verstärkungs-
fasern in der Reifen- und Flugzeugindustrie oder auch für kugelfeste Westen verwendet.
Es handelt sich jedoch um durchweg teure Produkte, deren richtungsabhängige Eigenschaften z.B. für
die Anwendung als optische Speicherelemente (LC-Seitenkettenpolymere) notwendig sind, für die
Faseranwendung zumindest nicht stören, jedoch für manche andere Anwendungen hinderlich sind.
O
108
O
O (CH 2 ) m
n
O
O
O
p

8.2.5. Verbundwerkstoffe
Als Verbundwerkstoffe oder Composites werden im allgemeinen alle Werkstoffe bezeichnet, die aus
einer Kombination von mindestens einer unschmelzbaren Komponente mit einem oder mehreren
verarbeitbaren Polymeren bestehen und deren Eigenschaften die der Einzelkomponenten übertreffen.
Im engeren Sinne handelt es sich um Kunststoffe, in die faser- oder pulverförmige Materialien
eingebettet sind. Man spricht von einem "gefüllten" oder "armierten" Kunststoff. Die Polymermatrix
kann aus Duromeren oder Thermoplasten bestehen. Die eingebetteten Materialien wirken
verstärkend auf die Polymermatrix und bestehen häufig aus Glas, Kohlenstoff oder Aramid, wobei
die Verstärkung mit Fasern am bedeutendsten ist (Abb. 57). Die erzielte Verstärkung wirkt sich
insbesondere vorteilhaft auf so wichtige Eigenschaften wie Steifigkeit, mechanische Festigkeit,
Wärmeformbeständigkeit und Dimensionsstabilität aus.
Abb. 56: Aufbau eines Faserverbundwerkstoffes
Polymermatrix aus
Duromeren wie z.B.
ungesättigte Polyester
(s. Kap. 6.2)
Epoxidharze (s. Kap. 6.4.2)
oder
30-80%
Thermoplasten wie z.B.
Polypropylen (s. Kap. 3.1)
Polybutylenterephthalat
(s. Kap. 8.2.3)
F
A
S
E
R
V
E
R
B
U
N
D
Verstärkungsfaser aus
Glas
oder
Kohlenstoff
20-70% (s. Kap. 8.2.1)
oder
Aramid
(s. Kap. 8.2.4)
Glasfasern in glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) können in verschiedensten Formen
eingesetzt werden. Armierungen von Thermoplasten mit Kurzglasfasern (0,5 mm x 9 - 14 µm)
führen zu spritzguss- und extrudierbaren Verbundwerkstoffen (Abb. 58). Endlos-Glasfasern in
Polyesterharzen ergeben hochbelastbare Elemente für den Bausektor, wobei sie den Spannbeton
109

substituieren können und dabei Vorteile aufgrund ihrer Leichtigkeit und Korrosions- sowie
Witterungsbeständigkeit zeigen. Beispielsweise wurden in Düsseldorf einige Fußgänger- und eine
Autobahnbrücke mit dieser Technologie gebaut. Weiterhin werden zu Matten und Geweben
verarbeitete Glasfasern zur Verstärkung eingesetzt (Abb. 59). Als ein Anwendungsbeispiel zeigt die
Abbildung 60 einen Polyurethanschaum (s. Kapitel 6.4.1.2.), der mit Endlos-Glasfasermatten
verstärkt z.B. für Autositze geeignet ist.
In Abbildung 60 wird noch ein Beispiel für einen Verbundwerkstoff mit pulverförmiger Armierung
gegeben. Die gezeigten Stützisolatoren bestehen aus quarzmehlgefülltem Epoxidharz (s. Kapitel
6.4.2.), das mit Säureanhydriden vernetzt wurde.
Abb. 57: Spritzgussteile aus kurzglasfaserverstärktem Polybutylenterephthalat (Pocan ® ,
s. Kapitel 8.2.3.)
a) Bügeleisengehäuse
aus glasfaserverstärktem,
flammgeschützem Pocan ® :
gute Oberflächenqualität,
wärmeformbeständig und
farbstabil, gute Wärme-
isolation
b) Lampenfassungen aus
glasfaserverstärktem Pocan ® :
temperaturbeständig,
maßhaltig
110

Abb. 58: Glasfasermatte
Abb. 59: Stützisolatoren aus quarzmehlgefülltem Lekutherm ® (Epoxidharz)
für Spannungen zwischen 5 und 110 kV
111

Während Verbundwerkstoffe mit kugelförmigen Füllstoffen isotrope Eigenschaften (s. Kapitel
8.2.4.) zeigen, ist dies in der Regel bei Faserverbundwerkstoffen nicht der Fall. Abbildung 61 zeigt
ein Beispiel eines kurzglasfasergefüllten Duromers, das nach einer Presstechnik verarbeitet wurde.
Die Glasfasern haben keine deutliche Vorzugsrichtung, so dass sich der entsprechende Werkstoff
weitgehend isotrop verhalten sollte.
Abb. 61: Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahme der Bruchstelle eines glasfaserverstärkten,
ungesättigten Polyesterharzes (s. Kapitel 6.2.)
Schon bei spritzgegossenen Thermoplasten erhalten die Kurzglasfasern in der Düse eine gewisse
Orientierung (ähnlich Abb. 52, Kapitel 8.2.4.).
112

In Hochleistungsverbundwerkstoffen (HLV) mit Endlosfasern tritt natürlich eine deutliche
Anisotropie auf, indem die außerordentlichen mechanischen Eigenschaften nur in Faserrichtung,
nicht aber senkrecht dazu auftreten. Beim Einsatz z.B. als Spannglieder ist dies nicht störend, da die
Festigkeit auch nur in Faserrichtung benötigt wird. In flächigen Bauteilen treten jedoch meist
mehrachsige Belastungen auf. Zur Lösung dieses Problems fügt man mehrere unidirektionale
Schichten, unter bestimmten Winkeln gegeneinander versetzt, zu einem Schichtlaminat zusammen
(s. Abb. 62). In diesem mitteln sich die Anisotropien jeder Einzelschicht quasi heraus.
113

Abb. 62: Aufbau-Schema von flächigen Hochleistungsverbundwerkstoffen
aus mehreren Lagen unidirektionaler Schichten
Unidirektionale
Schicht (Band)
- stark vergrößert -
Stapelung
(Gewebe)
Diese Bauweise findet man besonders bei den Kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoffen (CFK). Die
Verarbeitung dieser Hochleistungsverbundwerkstoffe wird durch Verwendung sogenannter "Pre-
pregs" vereinfacht. Der Name soll darauf hinweisen, dass es sich dabei um ein mit einem Harzfilm
"vorimprägniertes" Faserband von 100 bis 200 Einzelfasern handelt. Die erhaltenen dünnwandigen,
noch reaktionsfähigen und klebrigen Halbzeuge werden z.B. im Flugzeugbau verwendet.
Abb. 63: Seitenleitwerk des Airbus A 340 aus einem Hochleistungsverbundwerkstoff unter
Verwendung von Kohlenstofffaser-Gewebe-Prepregs.
114
Faserrichtung
0°
45°
90°
45°
0°
45°
90°
45°
0°
0
Schichtlaminat
90°

In diesem Kapitel wurde eine besondere Strukturvariation, jene durch Zugabe von
Verstärkungsfasern oder pulverförmigen Füllstoffen, beschrieben. Dabei wurde auf eine mehr
phänomenologische Beschreibung Wert gelegt. Für die Qualität eines Verbundwerkstoffes ist dabei
im wahrsten Sinne des Wortes die Verbundhaftung zwischen Matrix und Verstärkungsmaterial von
ausschlaggebender Bedeutung. Die Vorgänge in dieser Grenzschicht sind deshalb Gegenstand großen
Forschungsinteresses.
8.2.6. Kunststoff-Membranen für die Hämodialyse
Das große Gebiet der Kunststoffanwendung in der Medizin, zu dem Kunststoff-Implantate wie z.B.
Hüftgelenke aus kohlenstoffaserverstärkten Kunststoffen (s. Kapitel 8.2.5.), Prothesen sowie
sterilisierbare, hygienische Einwegartikel gehören, kann hier des Umfanges wegen nicht behandelt
werden. Als ein Beispiel aus der medizinischen Anwendung soll eine extracorporal, d.h. außerhalb
des Körpers angewendete Kunststoff-Membran zur Blutreinigung beschrieben werden. Diese
Entwicklung passt gut zum Oberthema - neue Kunststoffe durch Variation der Molekülstruktur - da
für die zu beschreibende Anwendung eine Tertiärstruktur mit definierten Porendurchmessern von
wenigen Nanometern zu fordern ist. Doch zunächst zur Aufgabenstellung:
Unsere Nieren filtrieren kontinuierlich "Abfallstoffe" unseres Stoffwechsels (u.a. Harnstoff) und
körperfremde Stoffe (z.B. nichtresorbierte Arzneimittel) aus unserem Blut heraus. Dies geschieht in
den Nieren an mikroporösen, semipermeablen Membranen, die die relativ kleinen Abfallstoffe in den
Urin passieren lassen, die großen wichtigen Moleküle wie Blutkörperchen und Blutplättchen, jedoch
zurückhalten. Bei Versagen der Nierenfunktion kann das Patientenleben nur durch ein Spenderorgan
oder durch eine sogenannte "künstliche Niere" gerettet werden. Bei dieser "künstlichen Niere"
handelt es sich um ein Dialysegerät, an das der Patient an jedem zweiten oder dritten Tag zur
Blutreinigung angeschlossen werden muss. Das Kernstück dieser Dialysatoren sind ebenfalls Mem-
branen. Überwiegend werden noch Membranen auf Cellulosebasis verwendet, die jedoch hinsichtlich
ihrer Trennleistung und Blutverträglichkeit nicht optimal sind.
115

Es wurde deshalb eine neue Membran entwickelt, die aus einem Blockcopolymer besteht, das aus
Polycarbonat (s. Kapitel 6.2.) und Polyethylenoxid (s. Kapitel 6.4.1.) aufgebaut ist. Das Copolymer
vereint die mechanische Festigkeit des Polycarbonats mit der Durchlässigkeit des hydrophilen
Polyethylenoxids und wird so zu einem idealen Membranmaterial.
Der mikroskopische Aufbau dieser neuen Membran zur Hämodialyse aus polymeren Hohlfasern
wird in Abbildung 64 gezeigt. Abbildung 65 zeigt den Aufbau eines Hohlfaser-Membran-Moduls.
Abb. 64: Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahme einer einzelnen polymeren Hohlfaser (links)
und deren Membranstruktur bei mittlerer (Mitte) und starker Vergrößerung (rechts).
Abb. 65: Aufbau eines Hohlfaser-Membran-Moduls
a) schematisch b) aufgeschnittenes Modul mit austretenden Fasern
116

Aus einer Arterie wird dem Dialyse-Patienten Blut entnommen und in dem in Abbildung 65
gezeigten M odul über die Hohlfaser-Membran geleitet, deren mikroskopisch kleine Poren alle
Stoffwechselschlacken aus dem Blut passieren lassen. Auf der anderen Seite der Membran wird die
sogenannte Dialyse-Flüssigkeit vorbeigepumpt. Es geschieht nun folgendes: Da die schädlichen
Stoffe im Blut danach streben, in der Dialyseflüssigkeit die gleiche Konzentration zu erreichen wie
im Blut, durchdringen sie die Membran und diffundieren in die Dialyseflüssigkeit, mit der sie dann
ähnlich wie Abfallstoffe im Urin, weggespült werden. Zusätzlich zu dieser Osmose treibt der etwas
höhere Druck des Blutes auch Wasser und die darin gelösten Schadstoffe durch die Membran
hindurch (Ultrafiltration).
Mit dem neuartigen Membranmaterial werden bessere Reinigungsquoten insbesondere bei
mittelgroßen Schadstoffmolekülen, die ein besonderes Problem darstellen, erreicht. Die
Biokompatibilität ist gegenüber den herkömmlichen Cellulose-Materialien deutlich verbessert.
117

8.3 Neue Anwendungen mit „alten“ Polymeren
Als Superabsorbierende Polymerisate (SAP) bezeichnet man Verbindungen, die das Vielfache
ihres Eigengewichtes an Wasser speichern können. Sie bestehen aus schwach vernetzten
Polyacrylsäuren, die zu etwa 70% als Natriumsalz vorliegen.
COONa
COO H
CO ONa COONa COONa CO OH COO Na COONa
O
O
O O
COONa COONa CO OH COONa CO ONa
Derartige Polyacrylsäuresalze lassen sich beispielsweise durch Polymerisation von Acrylsäure in
Gegenwart geringer Mengen (ca. 1 bis 2 Gew.-%, bezogen auf Acrylsäure) an Vernetzern, wie z.
B. Glykoldiacrylat oder Divinylbenzol, herstellen. Die vernetzte polymere Carbonsäure wird
dann zu 70% mit NaOH neutralisiert, getrocknet, gemahlen und auf eine Korngröße im Bereich
von 100 bis 850 µm gesiebt. Zur Vermeidung des sog. „Gel-blocking“-Effektes werden die
fertigen SAP-Teilchen noch einer speziellen Vernetzungsreaktion an ihrer Oberfläche unterzogen.
Die auf diese Weise erhaltenen Superabsorber sind praktisch farblose Pulver. Sie finden in der
Medizin als superabsorbierende Pflaster für die trockene Wundheilung Anwendung. In der
Landwirtschaft werden Superabsorber-Granulate zur Speicherung von Regenwasser in ariden
Gebieten eingesetzt. Ein weiteres Verwendungsgebiet ist die Abdichtung von Elektrokabeln, um
Kurzschlüsse zu verhindern, die durch Eindringen von Wasser als Folge einer mechanischen
Beschädigung der Kabelummantelung entstehen können. Das größte Einsatzgebiet für SAPs liegt
allerdings auf dem Hygienesektor mit einem weltweiten Absatz von ca. 1 Million Tonnen im
Jahre 1999. Ca. 95% der weltweiten SAP-Produktion finden dabei Verwendung bei der
Herstellung von Babywindeln, Inkontinenzprodukten und Artikeln für die Damenhygiene.
118
COONa

Mit einem Gramm Superabsorber kann man 500 bis 1.000 ml destilliertes Wasser zu einem Gel
erstarren lassen oder anders ausgedrückt: mit einem Gramm Superabsorber kann man die
fünfhundert- bis tausendfache Menge an Wasser binden. Da SAPs aufgrund ihrer Struktur einen
sehr hohen Gehalt an –COO - - und Na + -Ionen aufweisen, bestimmt die Differenz zwischen der
Ionenkonzentration innerhalb eines superabsorbierenden Polymeren und der das Polymere
umgebenden wässrigen Lösung die Höhe des vorhandenen osmotischen Drucks. Dieser
osmotische Druck befähigt das superabsorbierende Polymerisat zur Absorption von großen
Wassermengen. Außerdem haben auch die hydrophilen –COOH- und –COONa-Gruppen der
SAPs eine starke Affinität zum Wasser, was ebenfalls mit zu dessen schneller Absorption
beiträgt. Resultierend daraus sollten SAPs unbegrenzte Wassermengen aufnehmen bis die
Ionenkonzentration innerhalb und außerhalb der Moleküle gleich ist. Um aber die Absorption von
Wasser bis zu einem gewünschten Niveau zu regulieren, muss ein SAP-Molekül mit einer
spezifischen Kautschukelastizität ausgestattet sein, welche es durch den Grad seiner Vernetzung
erhält. Die Kautschukelastizität eines Polymeren steigt mit seiner Vernetzungsdichte an. Als
Folge davon erreicht die Absorptionskapazität eines gegebenen SAP’s sein Maximum wenn seine
Kautschukelastizität mit seiner Aufnahmekraft für Wasser im Gleichgewicht ist.
Die Einsatzmengen von Superabsorbern in modernen Babywindeln liegen zwischen 12 und 15 g
pro Windel. Dabei wird das SAP-Granulat in ca. derselben Menge an Zellstoff gleichmäßig
verteilt. Dieser sog. Absorptionskern ist das zentrale Bauteil einer Windel. Durch die großen
SAP-Mengen kann somit der Anteil an voluminösem Zellstoff reduziert werden, was die
Konstruktion extrem dünner Windeln erlaubt. Im Vergleich zu destilliertem Wasser absorbieren
die SAPs ca. nur 1/10 der entsprechenden Mengen an Urin oder physiologischer Kochsalzlösung
(0,9% NaCl).
Der Grund für diese Tatsache liegt darin, dass diese wässrigen Lösungen zusätzliche positiv
geladene Ionen enthalten, die mit zunehmender Konzentration die negativen Ladungen der
Carboxylatgruppen besser abschirmen („Elektrolyteffekt“). Dadurch wird die Abstoßung der
Polymerketten untereinander geringer und damit auch das Bestreben, Wasser aufzunehmen.
119

Außerdem ist auch der vorhandene osmotische Druck niedriger. Daher kann man mit einem
Gramm Superabsorber "nur" ca. 50 bis 100 ml physiologische Kochsalzlösung in ein Gel
überführen.
Der Superabsorber lässt sich problemlos aus Windeln isolieren und für Experimente einsetzen!
9. Physikalische Untersuchungsmethoden
Am Ende dieser Ausführungen bleibt die Frage, wie man zu derartigen Aussagen über die
Eigenschaften der Kunststoffe und zu einem Einblick in ihren Aufbau aus Makromolekülen kommt.
Dabei hilft dem Chemiker die Physik.
Das Instrumentarium, mit dem diese Aufgaben gelöst werden, ist eindrucksvoll: Aus den Messungen
des Elastizitätsmoduls und der Schwingungsdämpfung als Funktion der Temperatur kann auf den
Einfluss spezieller Atomgruppierungen auf die Kettenbeweglichkeit und Konformation geschlossen
werden.
Durch Infrarot-Spektren werden Schwingungen einzelner Atomgruppen aufgezeigt. Die
Magnetische Kernresonanzspektroskopie macht Aussagen über den Bindungszustand und die
räumliche Umgebung bestimmter Atome. Dielektrische Messungen lassen Rückschlüsse nicht nur
auf die Eignung der Kunststoffe zu Isolierzwecken, sondern auch auf den Bewegungsmechanismus
einzelner Molekülabschnitte zu. Die Dilatometrie gestattet die kinetische Verfolgung der
Polymerisationen, die Differentialthermoanalyse liefert Angaben über Umwandlungspunkte, wie
auch die Refraktometrie und die Kalorimetrie. Mit der Röntgenanalyse werden Kristallstrukturen
und andere Ordnungszustände in Polymeren untersucht, mit dem Elektronenmikroskop ihre
Morphologie.
Eine ganze Gruppe von Methoden dient zur Erforschung des Lösungszustandes der Polymeren und
der Ermittlung von Daten über Molekulargewichte, Molekülausdehnung, Verzweigungen und
120

spezifischen Wechselwirkungen zwischen Lösemitteln und Polymeren. Hierher gehören
Osmometrie, Viskosimetrie, Lichtstreu-Experimente und Untersuchungen mittels Ultrazentrifuge.
121

10. Wiederverwertung von Kunststoffen
Höherer Wohlstand führt zu steigender Produktion und zu einem vermehrten Verbrauch von Gütern.
Damit entsteht letztlich auch mehr Abfall, dessen Entsorgung allen Industrienationen große
Schwierigkeiten bereitet. Die bestehenden Entsorgungswege reichen schon heute nicht mehr aus, alle
Probleme befriedigend zu lösen. Sie müssen früher oder später völlig versagen, wenn nicht neue
Wege gefunden werden, die Abfallentsorgung in der Zukunft diesen negativen Rand-erscheinungen
unserer Wohlstandsgesellschaft anzupassen.
Wohlstand ist sinnlos ohne eine intakte Umwelt. Deshalb ist ihre Erhaltung wichtigstes Ziel, nicht
nur für die Bevölkerung, sondern auch für die Industrie, die die technischen Lösungen dafür
erarbeiten muss. Dem Verbraucher ist vornehmlich die Hausmüll-Problematik gegenwärtig. Es wird
häufig übersehen, dass der gesamte Kunststoffanteil im Hausmüll zur Zeit bei maximal 7% liegt.
Weitere Abfälle entstehen bei der kunststofferzeugenden und -verarbeitenden Industrie.
Es ist sicherlich ein Versäumnis unserer Industrie-Gesellschaft, die Vorteile zu nutzen, die sich aus
technischen Weiterentwicklungen ergeben, ohne sich aber genügend darum zu kümmern, was mit
ausrangierten Wirtschaftsgütern und den Abfällen bei ihrer Erzeugung geschieht. Auch die
Kunststofferzeuger und -verarbeiter haben diesem Thema in der Vergangenheit zu wenig
Aufmerksamkeit geschenkt. Gerade in den letzten Jahren wurde jedoch viel dazugelernt.
Es hat sich heute schon weitgehend die Erkenntnis durchgesetzt, dass in einer ganzheitlichen
Betrachtung nicht nur Herstellung und Gebrauch von Kunststofferzeugnissen, sondern auch die
umweltgerechte Wiederverwertung oder Entsorgung berücksichtigt werden müssen. Hinzu kommt
ein elementares wirtschaftliches Interesse. Kunststoffabfälle sind eben kein Müll im herkömmlichen
Sinne, sondern vielfach wichtige Rohstoffe, die natürliche Ressourcen schonen können. Die
Dynamik dieser Entwicklung ist daran zu erkennen, dass es heute bereits über 160 Firmen in
Deutschland gibt, die sich mit Kunststoff-Recycling beschäftigen. In der "Entwicklungsgesellschaft
122

für die Wiederverwertung von Kunststoffen m.b.H." (kurz: EWK) bilden Bayer, BASF und Hoechst
gemeinsam eine "Drehscheibe für vorhandenes Know-how" bilden. Ende 1989 wurde vom
europäischen Kunststoffhersteller-Verband das "Plastics Waste Management Institute" (kurz:
PWMI) mit Sitz in Brüssel gegründet.
Das gegenwärtige Entsorgungskonzept besteht konkret aus folgenden Elementen:
1. Verringerung des Materialeinsatzes
Für die Entwicklung von Kunststoffanwendungen ist die Minimierung des Materialeinsatzes eine
grundsätzliche Zielvorgabe. Dadurch können die Vorteile der Kunststoffe gegenüber anderen
Werkstoffen noch besser genutzt werden. Moderne Techniken - wie Computer Aided Engineering -
sind u.a. auch deshalb entwickelt worden, um immer mehr an die Leistungsgrenzen der Kunststoffe
herangehen zu können, d.h. mit immer weniger Materialverbrauch die geforderten Funktionen zu
erfüllen. Der Wettbewerb unter den Werkstoffen, auch unter den Kunststoffen selbst, ist die
treibende Kraft, die diesen Prozess auch in der Zukunft in Gang hält. Weniger Materialeinsatz aber
bedeutet auch Ressourcenschonung und weniger Umweltbelastung.
2. Stoffliche Verwertung (Materialrecycling)
a) von Produktionsabfällen
Gängige Praxis zur Abfallvermeidung bei der Herstellung von Kunststoffartikeln ist das
innerbetriebliche Materialrecycling. Darüber hinaus werden Produktionsabfälle auch durch
darauf spezialisierte Unternehmen außerhalb der Produktionsbetriebe verwertet.
Zum Beispiel verarbeitet die Firma Janßen und Angenendt, Krefeld, heute schon über
5000 jato thermoplastische Produktionsabfälle von Bayer und von Bayer-Kunden. Diese
Firma stellt aus hochwertigen Rohstoffen Produkte mit Qualitätszertifikat her. Dabei hat
sie sich auf weitgehend sortenreine Kunststoffabfälle konzentriert und kann deshalb dem
Markt Regranulate anbieten, die sich für Kunstsstoffartikel mit etwas geringeren
Qualitätsanforderungen eignen.
123

) gebrauchter Teile
Für das Materialrecycling gilt allgemein das Prinzip, dass die Wiederverwertung am
einfachsten und damit auch am wirtschaftlichsten ist, wenn die Kunststoffe sortenrein
getrennt sind. Die hierfür nötige "Ordnungswirtschaft" ist leider, insbesondere beim
Hausmüll noch unzureichend organisiert.
Besonders im Automobilbau arbeitet man deshalb an recyclinggerechten Konstruktionen, die
das Ausbauen von Kunststoffteilen erleichtern sollen. Eine zusätzliche Materialco-dierung
ermöglicht dann nach dem Ausbau eine sortenreine Trennung. Das gibt den
Aufbereitungsfirmen eine breitere Materialbasis.
Das Materialrecycling von ausgedienten Folien, Flaschen und Säcken ist schon gut
etabliert.
Wichtig ist, dass für jedes Regenerat auch ein aufnahmefähiger Markt vorhanden sein bzw.
entwickelt werden muss. An dieser Stelle ist auch weiterhin Kreativität gefordert.
Minderwertige Produkte sind nämlich oft nur Scheinlösungen, da sie durch vorzeitigen
Verschleiß häufiger ersetzt werden müssen. Es kann deshalb kein Zweifel daran bestehen,
dass für anspruchsvolle Anwendungen nur hochwertige Originalwerkstoffe eingesetzt
werden sollten. Denn nur hiermit ist gewährleistet, dass umfassende Qualitätssicherung,
Einhaltung enger Spezifikationen und minimaler Materialeinsatz realisierbar sind.
3. Thermische Verwertung ("Energie-Recycling")
Eine weitere wichtige Verwertungsschiene für Kunststoffabfälle ist die Nutzung ihres
Energieinhaltes, der vergleichbar mit dem von Erdöl ist. Das bedeutet: Kunststoffe sind hochwertige
Energieträger (s. Abb. 66).
124

Abb. 66: Energieinhalt von Kunststoffabfällen
10 200 kcal 11 000 kcal 4 800 kcal
1 kg Heizöl
1 kg Kunststoffabfall
z.B.
Polyolefine
125
1 kg
Braun
kohle
Das sogenannte "Energie-Recycling" stellt in entsprechend ausgelegten Anlagen einen
umweltgerechten Entsorgungsweg dar, der neben dem Materialrecycling schnellstens weiter
ausgebaut werden muss. Moderne Müllheizkraftwerke mit der erforderlichen Rauchgasreinigung
gehören nach dem Maßstab der TA Luft zu den saubersten Verbrennungsanlagen, die es in
Deutschland gibt. Mit dieser Technik ist neben der Wiederfreisetzung gespeicherter Energie eine
beträchtliche Volumenreduktion der zu entsorgenden Abfälle gewährleistet. Das spart knappen
Deponieraum. Schließlich stellt die zu deponierende Schlacke aus der Verbrennung eine geringere
Umweltbelastung dar als der unverbrannte Abfall. Ebenso müssen die Abfälle aus der Rauchgas-
Wäsche und -Entstaubung umweltgerecht entsorgt werden.
Würde in Deutschland der gesamte Hausmüll in Müllheizkraftwerken energetisch verwendet,
entstünden ca. 7 Milliarden kWh Strom. Das entspricht ungefähr zwei 600-MW-Kraftwerken auf
Basis fossiler Brennstoffe. Der Energieinhalt der Kunststoffe kann also zur Ressourcenschonung
genutzt werden.
4. Chemische Verwertung
Unter chemischem Recycling versteht man die Rückführung von Kunststoffabfällen in Chemie-Roh-
stoffe. Hierfür sind verschiedene Verfahren bekannt, die sich aber z.T. noch in der Entwicklungs-
phase befinden und deren Wirtschaftlichkeit noch nicht abschließend bewertet werden kann.

Man kann die verschiedenen Methoden des chemischen Recyclings nach Art der
"Aufschlußreaktion", wie folgt, einteilen:
- Hydrolyse
- Alkoholyse
- Pyrolyse
- Hydrierung
Bei der Alkoholyse z.B. von Polyurethanen oder Polyestern entstehen Polyole als Regenerate.
Bereits heute realisiert ist die Verwendung von gut standardisierten Regenerat-Polyolen in der
amerikanischen Polyurethan-Hartschaumindustrie. Man gewinnt jährlich aus diesen Abfällen ca.
27 000 t Polyole. Bayer vermarktet in den USA Systeme und Know-how für die Herstellung von
Hartschaumstoffen aus solchen "Abfall"-Esterpolyolen. In den USA werden auch sortenreine
Polyethylenterephthalat-Abfälle aus Getränkeflaschen und Röntgenfilmen durch Alkoholyse
gespalten.
Welche Kriterien müssen also für die Entscheidung zugunsten eines klassischen Materials bzw.
zugunsten eines Kunststoffes herangezogen werden?
Die Entscheidung, für ein bestimmtes Bauteil einen "klassischen" Werkstoff oder einen Kunststoff
zu verwenden, hängt heute nicht nur von der wirtschaftlichen Gesamtbewertung, sondern auch von
der Berücksichtigung von Ressourcenschonung und Umweltbelastung ab. Die notwendige
ganzheitliche Betrachtung muss den gesamten Energieaufwand von der Herstellung über den
Gebrauch bis zur Entsorgung des Bauteils umfassen. Diese Bilanz kann immer nur von Fall zu Fall
und nicht pauschal aufgestellt werden. Dafür zwei Beispiele:
Eine im Jahre 1987 aufgestellte ganzheitliche Betrachtung für Kunststoffverpackungen zeigt, dass
der Ersatz aller Kunststoffe in Verpackungen durch Papier, Glas oder Metall eine ganze Reihe von
Nachteilen brächte:
- Anstieg des Materialverbrauchs auf über 400%
- Verdoppelung des Abfallvolumens
126

- Verdoppelung des Energieverbrauchs und der daraus resultierenden Umweltbelastung
- Anstieg der Kosten auf über 200%
Die langjährigen, erfolgreichen Bemühungen, Materialverbrauch sowie Gewicht und Volumen bei
Packmitteln laufend zu reduzieren, wären bei einfachem Ersatz durch klassische Materialien in
sinnloser Weise in Frage gestellt.
Auch eine kritische Betrachtung der in der Automobilindustrie benutzten Materialien ergab eine
vorteilhafte Ökobilanz für Kunststoffe: Die unbestrittene Tatsache der niedrigeren Herstellungs-
kosten einfach geformter Bauteile aus Kunststoffen im Vergleich zu Stahl geht Hand in Hand mit
bisher nicht sichtbaren "ökologischen Nebenkosten". So wird der enorme Energieaufwand bei der
Erzeugung von Stahl aus Kohle und Erz, verglichen mit dem sehr viel niedrigeren Energieaufwand zur
Herstellung von Kunststoffen, im allgemeinen nicht unter ökologischen Gesichtspunkten betrachtet.
Während der Lebensdauer des Fahrzeuges bringt der konstruktiv sinnvolle Einsatz von Kunststoffen
deutliche Gewichtsvorteile und führt dadurch zur Verringerung des Treibstoffverbrauchs, die bei
einer angenommenen Fahrstrecke von 100.000 km bereits dem Gesamtgewicht des Fahrzeuges
entspricht. Daraus ergibt sich, dass der akkumulierte Energieverbrauch für die Herstellung und das
Betreiben eines Kraftfahrzeuges bei Verwendung von Kunststoffen deutlich geringer ist als bei
metallischen Werkstoffen. Bis zu diesem Punkt der Betrachtung ist eine Wiederverwertung des
Kunststoffs noch nicht einmal berücksichtigt.
Die Kunststoffteile können jetzt entweder für das Materialrecycling ausgebaut oder aber der
energetischen Verwertung zugeführt werden. Beide Wege schonen unsere Ressourcen.
127

11. VERSUCHSTEIL
Versuch Nr. 1: Orientierbarkeit von Makromolekülen
Versuchsdurchführung:
a) Ein Gummiband (am besten ein "Einweckgummi") wird bei Zimmertemperatur (kontrolliert
durch Anlegen des Stückes an die temperaturempfindliche Stirn) rasch hintereinander und
kräftig gedehnt. Durch erneutes Anlegen an die Stirn stellt man eine deutliche Temperatur
erhöhung fest. Bei Entspannung nimmt das Stück wieder seine ursprüngliche Länge ein und
zeigt wieder nur Zimmertemperatur an. Dieses Experiment lässt sich beliebig oft wiederholen.
Aufgrund der neuen Transportbestimmungen ist die Beschaffung von flüssigem Stickstoff äußerst
schwierig. Dennoch soll hier ein weiteres Experiment beschrieben werden:
b) Das Band wird wiederum stark gereckt, mit einem geeigneten Gegenstand gespannt und in
flüssigen Stickstoff getaucht. Das gedehnte Band behält seine Länge bei, auch wenn nun die
Spannung aufgehoben wird. Wird das Band wieder erwärmt, so zieht es sich wieder auf seine
alte Länge zusammen. Auch das lässt sich beliebig oft wiederholen.
Achtung: Berührung mit flüssigem Stickstoff vermeiden!
Entsorgung : Gummiband: Wiederverwenden oder Hausmüll (Entsorgungssatz E 3), flüssigen
Stickstoff → im Dewar-Gefäß verdampfen lassen
Erklärungen:
Gummibänder werden aus Naturkautschuk hergestellt, der im wesentlichen aus fadenförmigem cis-
Polyisopren besteht (s. Abb. 14, Seite 40). Die Moleküle liegen wirr durcheinander, sind unpolar
und völlig amorph. Durch Einwirkung von Zug und Druck erfolgt eine molekulare Orientierung in
eine bevorzugte Richtung. Die Parallellagerung der Moleküle vergrößert den Ordnungszustand und
verkleinert die Entropie. Aufgrund des "Gough-Joule-Effektes" wird bei der Orientierung
128

"Kristallisationswärme" erzeugt. Der gedehnte hochmolekulare Körper besitzt eine etwas geringere
spezifische Wärme als der ungedehnte.
Die eingetretene entropieelastische Verformung wird im orientierten Körper die ursprüngliche
Verknäuelung wieder herzustellen suchen. Wird also die Belastung aufgehoben, so schrumpft das
Kautschukteil auf seine Anfangslänge, die Moleküle verknäueln sich und das Material ist wieder
amorph. Dabei wird "Schmelzwärme" verbraucht. Zum Beweis seien zwei Röntgenaufnahmen einer
ungedehnten und einer gedehnten Kautschukprobe aufgeführt.
Abb. 67: a) Diagramm von ungedehntem, b) Faserdiagramm von gedehntem
nicht gefrorenem Kautschuk Kautschuk
Hieraus ist zu erkennen, dass es beim gedehnten Kautschuk zu einer Parallelorientierung (die aber
nicht vollständig ist!) der kristallinen Bereiche (Texturbildung) und unter Umständen zu einer
Vergrößerung der Kristalle gekommen ist. Darauf deuten die im Röntgenbild zu findenden
äquatorialen Reflexe und manchmal Sicheln hin.
Wird das gespannte Gummiband stark abgekühlt, so werden die Kettenbewegungen der
Makromoleküle "eingefroren". Auch nach Entlastung bleiben die ausgerichteten Moleküle in einem
Zustand des Zwanges, das Kautschukteil behält seine neue Länge. Erst bei Zufuhr von Wärme,
129

wenn die Molekülbewegung gesteigert und der Spannungszustand überwunden wird, geht der Faden
in seine ursprüngliche Länge zurück. Es liegt dann wieder der regellose, amorphe Zustand vor.
130

Versuch Nr. 2: Kaltverstreckbarkeit von Makromolekülen
Versuchsdurchführung:
Ein Perlonfaden, unverstreckt, so wie er heißflüssig als "mono-file" aus der Spinndüse kam, wird
gereckt und an die Stirn gelegt. Man fühlt ebenfalls Temperaturerhöhung (freigewordene
Kristallisationswärme!). Beim Entspannen bleibt die neue Länge auch bei Raumtemperatur erhalten.
Man legt ihn auf eine über 100 o C heiße Wärmeplatte; er büsst einen Teil seiner Länge ein.
Entsorgung : Perlonfaden: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Erklärungen:
Unter "Kaltverstreckbarkeit" versteht man die durch Zugreckung bei Raumtemperatur eintretende,
bleibende Dehnung eines linearen Hochpolymeren mit polaren Gruppen. Sie ist ein Charakteristikum
für fadenförmige Polyamide und Polyurethane, die um das 2- bis 5-fache ihrer Länge gestreckt
werden können. Dabei erfolgt eine erhebliche Steigerung der mechanischen Festigkeit.
Lineares Polyamid ist polar. In ungerecktem Zustand liegen seine Moleküle wie beim Kautschuk
durcheinander verknäuelt vor. Beim Strecken erfolgt eine Orientierung der Molekülketten in
Längsrichtung. Der Grad der Kristallinität nimmt zu; Kristallisationswärme wird frei. Beim
Entlasten behält der Faden im Gegensatz zum Kautschuk seine neue Länge bei; er ist
"kaltverstreckbar".
Der Grund für dieses Phänomen liegt in einer während des Reckens entstandenen Neben-
valenzverknüpfung in Form von Wasserstoffbrücken-Bindungen zwischen den polaren CO- und
NH-Gruppen benachbarter Fadenmoleküle (vergl. Abb. 13).
Unter Einfluss stärkerer Erwärmung allerdings wird diese Quasivernetzung durch die gesteigerte
Molekülbewegung aufgehoben; der alte Zustand der Unordung tritt wieder ein, der Faden schrumpft.
131

Versuch Nr. 3: Kalthärtung eines ungesättigten Polyesterharzes
Versuchsdurchführung:
In einem 200 ml-Becherglas oder Pappbecher mischt man unter gutem Rühren in 50 g
Roskydal K 27 (Polyesterharz in Styrol gelöst, ca. 70 %ige Lösung) 1,5 g BPO
(Benzoylperoxid) ein!
Anschließend wird diese Mischung - nach eventueller Formgebung - sich selbst überlassen.
Bei obiger Katalysator-Dosierung beträgt die Zeit bis zur beginnenden Verfestigung ungefähr
10, die gesamte Aushärtezeit etwa 20 min.
Zur Beachtung:
a) Roskydal K 27 ist verschlossen, kühl, trocken und vor Licht geschützt aufzubewahren. Es
enthält Styrol; bei seiner Verarbeitung sind die entsprechenden Vorsichtsmaßregeln zu
beachten.
b) Beim Umgang mit Peroxiden muss eine Schutzbrille getragen werden!
c) Im Abzug arbeiten!
d) Dieser Versuch darf nicht von Schülern ausgeführt werden!
Entsorgung : kalt gehärtetes Polyesterharz: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Erklärungen:
Die Harzkomponente ist ein ungesättigter Polyester. Die ungesättigten Polyester sind meist
Mischkondensate von gesättigten und ungesättigten Dicarbonsäuren (z.B. Maleinsäure) mit
2-wertigen Alkoholen (z.B. unterschiedliche Ethylenglykole). Sie kommen in Styrol gelöst in den
Handel (vergl. S. 48, 49).
Nach Zusatz eines Peroxid-Katalysators erfolgt Pfropf- und Copolymerisation des Styrols mit dem
ungesättigten Polyester, wobei Gelierung und schließlich Aushärtung eintritt, d.h. die ungesättigten
132

Gruppen des Polyesters reagieren mit denen des Lösemittels, wobei das Monomer Brücken
zwischen den langkettigen Polyestermolekülen bildet. Es entsteht ein räumliches Netzwerk:
vor der Härtung nach der Härtung
: ungesättigter Polyester
: Monomer, z.B. Styrol
Der Stryolgehalt beträgt etwa 30 - 40%. Die Reaktionstemperaturen liegen normalerweise zwischen
80 und 120 °C. Durch einen bereits im Roskydal K 27 enthaltenen Beschleuniger in Form eines
tertiären, aromatischen Amins kann bei Raumtemperatur gehärtet werden (Kalthärtung).
133

Versuch Nr. 4: "Nylon-Seil-Trick"
(Grenzflächenkondensation von Sebacinsäuredichlorid und Hexamethylendiamin zum Nylon-6,10)
Versuchsdurchführung:
In 0,55 g (4,7 mmol) Hexamethylendiamin und 45 ml Wasser werden 0,4 g (10,0 mmol, 2 Plätzchen)
festes NaOH in einem schmalen 100 ml Becherglas gelöst. Die Lösung wird mit wenig
Phenolphthalein angefärbt. Anschließend überschichtet man mit einer Lösung von 1 ml (4,7 mmol)
Sebacinsäuredichlorid in 20 ml Heptan. An der Trennfläche der beiden Lösungen entsteht eine dünne
Haut, die man mit einer Pinzette langsam abheben und zu einem Faden ausziehen kann. Der Faden
lässt sich z.B. über einen Holzstab oder auch mit Hilfe einer kleinen Winde kontinuierlich aufspulen
(Abb. 70). Wird das Polymer einige Male mit Wasser/Ethanol (50:50) gewaschen und bei 60 °C im
Vakuumtrockenschrank getrocknet, so lässt sich seine Schmelztemperatur bei etwa 215 °C
bestimmen.
Vermischt man die beiden Phasen mit einem Glas- oder Holzstab durch intensives Rühren, so
vergrößert sich die Grenzfläche derart, dass die Reaktion wesentlich schneller vor sich geht. Man
erhält eine "Qualle" - ein stark Lösemittel haltiges Polymergebilde. Nach etwa einer halben Stunde
entfärbt sich der Indikator vollkommen, was das Ende der Reaktion anzeigt. Das Diamin ist
praktisch quantitativ in das Polyamid übergeführt worden und die Natronlauge wird durch die
abgespaltene Salzsäure neutralisiert.
134

Abb. 70: Grenzphasenkondensation zum Nylon-6,10 (vergl. auch Abb. 24)
H Cl (CH )
2 8
N
N
H
H
O
O
(CH 2 ) 8
O
O
Cl
H
N
H
H
N
H
(CH2 ) 6 N
Entsorgung : Polyamidfaden einschließlich Aufrollstab und Zweiphasengemisch: in gekennzeichneten
Glasbehältern sammeln „organische Abfälle - halogen-haltig“ (Entsorgungssatz E 10),
dann der Sondermüllbeseitigung zuführen (Entsorgungssatz E 3). Adresse zu erfragen bei der
Kreis- oder Stadtverwaltung
135
- HCl
H
(CH 2 ) 6 N
H
O
Cl (CH 2 ) 8
O
(CH 2 ) 8
Sebacinsäurechlorid in Heptan
O
O
Cl
H
N
Hexamethylendiamin in H 2O und wenig Alkali
H
H
N

Versuch Nr. 5: Schmelzspinnen von Polyamid
Versuchsdurchführung:
Polyamid-Pulver oder -Granulat wird im Reagenzglas vorsichtig über dem Bunsenbrenner
aufgeschmolzen (bei Luftzutritt erfolgt leichte Gelb-Braun-Färbung, Kunststoff ist
oxidationsanfällig; Rückbildung der Monomeren).
Mit einem in die Schmelze getauchten Glasstab lassen sich zahlreiche seidenglänzende Fäden
"spinnen", die anschließend verstreckt werden können.
Entsorgung Schmelzspinnen Polyamid: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Die Kartuschen von "Schmelzklebepistolen" (Heimwerkermarkt) enthalten ein modifiziertes
Polyamid. Durch die Modifizierung wird die Schmelztemperatur erniedrigt und die Klebrigkeit
erhöht. Mit einer Schmelzklebepistole kann man das Schmelzspinnen praktisch ohne Abfall
demonstrieren. Man schaltet die Klebepistole an und stellt sie auf ein Stück Papier ab, bis sich aus
der Schmelzdüse ein Polymertropfen gebildet hat, der dann auf das Papier abtropft. Entfernt man
nun das Papier von der Düse, so bildet sich ein mindestens 2 m langer Faden. Übt man während
dieses Vorgangs einen leichten Druck auf den "Abzugshahn" der Klebepistole aus, so kann man ganz
leicht Fäden bis zu 100 m Länge und mehr spinnen.
Entsorgung Schmelzgesponnenes Polyamid: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
136

Versuch Nr. 6: a) "Nassspinnen" von Polyacrylnitril (PAN)
b) Folienherstellung
c) Trockenspinnen von Polyvinylacetat
Materialien: 10 %ige Lösung von Polyacrylnitril in Dimethylacetamid
Polyacrylnitril
Dimethylacetamid (DMA)
UHU ® nicht tropffrei!!!
Der Lösevorgang von PAN ist wie bei allen hochmolekularen Stoffen grundsätzlich sehr viel
langsamer als bei niedermolekularen. Die Ausgangsmaterialien PAN und DMA sind beigegeben, um
das Löseverhalten hochmolekularer Stoffe zu demonstrieren.
Versuchsdurchführung:
a) Ein 500 ml-Becherglas, das zu 1/3 mit Wasser gefüllt ist, wird mit einer Hand leicht bewegt.
Mit der anderen Hand gießt man einem dünnen, gleichmäßigen Strahl der 10 %igen PAN-
Lösung in DMA. Dabei fällt ein Polyacrylnitrilfaden aus.
Entsorgung Polyacrylnitrilfäden und die Lösungen: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln
„organische Abfälle - halogenfrei“ (Entsorgungssatz E 10), dann der Sondermüllbeseitigung zuführen
(Entsorgungssatz E 8). Adresse zu erfragen bei der Kreis- oder Stadtverwaltung
Erklärungen:
PAN ist in DMA löslich, in Wasser dagegen nicht. Wasser und DMA sind miteinander unbegrenzt
mischbar. Beim Eingießen fällt daher PAN unter Ausbildung eines Fadens aus. Dieses "Nass-
spinnen" (vgl. Abb. 26) wird auch heute noch technisch zur Herstellung von Polyacrylnitrilfäden
angewandt. In zunehmendem Maße werden PAN-Fasern nach dem Trockenspinn-Verfahren
hergestellt. Hierbei wird der Faden durch Verdunsten des Lösemittels aus der DMA-Lösung
erhalten. Siehe UHU-Versuch weiter unten.
137

) Ein kleiner Teil der PAN-Lösung wird auf einer Glasplatte ausgestrichen und diese zur
Entfernung des Lösemittels in einen Trockenschrank gelegt. Nach etwa 5 Minuten lässt sich
eine durchsichtige Folie von der Glasplatte abziehen.
Entsorgung: Polyacrylnitrilfolie: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
UHU ® ist eine 40%ige Lösung von Polyvinylacetat in Aceton/Methylacetat. Wegen der niedrigen
Siedepunkte der Lösemittel lässt sich hier der Trockenspinnprozess sehr schön demonstrieren (bitte
keinen tropffreien UHU verwenden!): Man gibt etwa ein halbes Gramm UHU auf ein Stück Papier.
Mit einem zweiten Stück Papier kontaktiert man die Polymermasse. Durch Vergrößerung des
Abstandes des Papiere bilden sich Fäden, die in Abhängigkeit vom Lösemittelgehalt unterschiedlich
lang sind. Mit etwas Übung kann man problemlos Fäden von 2m Länge erzeugen.
Entsorgung: UHU-Fäden und UHU-Reste:Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
138

Versuch Nr. 7: Redox-Fällungspolymerisation von Methacrylsäuremethylester
Versuchsdurchführung:
In einem 200 ml-Becherglas löst man in einer Mischung aus
60 ml Ethanol und 40 ml Wasser
5 g Methacrylsäuremethylester (stabilisiert).
Dazu gibt man unter Rühren mit einem Glasstab zuerst
1 g Kaliumperoxodisulfat K2S2O8, gelöst in 10 ml Wasser (etwas anwärmen),
und dann eine Lösung aus
1 g Natriumdisulfit Na2S2O5 und 10 ml Wasser.
Die zuvor farblose, klare Lösung wird innerhalb einer Minute trübe und es fällt zunehmend
Polymethacrylsäuremethylester aus. Man kann den Vorgang beschleunigen, indem man das
Becherglas in heißes Wasser stellt und unter Rühren auf ca. 50 °C erhitzt. Nach etwa 30
Minuten wird das Polymer durch Filtrieren abgetrennt, mit etwas Ethanol oder Wasser
gewaschen und durch Abpressen zwischen Filterpapieren getrocknet. Ausbeute: ca. 2,5 g
Polymerisat. Das erhaltene Polymerisat der nachstehenden Struktur lässt sich z.B. gut in
Toluol (5 ml) lösen.
Entsorgung : Polymer : Hausmüll (Entsorgungssatz E3), Reste: in gekennzeichneten
Glasbehältern sammeln „organische Abfälle – halogenfrei“ (E 10), dann der
Sondermüllbeseitigung zuführen. (E 8)
Erklärungen:
H2 C
CH 3
O OCH 3 n
139

Unter "Redox-Polymerisation" versteht man die zur Polymerisation eines Monomeren notwendige
Aktivierung durch Kombination eines Oxidationsmittels mit einem Reduktionsmittel. Da Spuren von
Schwermetallionen den Reaktionsablauf beschleunigen, sind mehrwertige Metalle in ihrer niedrigeren
Oxidationsstufe (vor allem Eisen) als Reduktionsmittel besonders geeignet.
Geeignete Systeme:
Oxidation Reduktion
H2O2
140
Sulfit oder Fe(II)-Salze
Peroxodisulfate Hydrogensulfit und Disulfit
Peroxide Thiosulfate oder Sulfinsäuren
Chlorate Mercaptane
Ein günstiges Aktivator-Redoxsystem für die Polymerisation von Acrylnitril ist z.B.
Wasserstoffperoxid/Eisen(II)-ammoniumsulfat, für die Methacrylsäuremethylester das System
Kaliumperoxodisulfat/Natriumdisulfit. Auch die Redox-Polymerisation ist im Grunde eine
Radikalpolymerisation. Durch die Oxidation des Reduktionsmittels werden nach HABER und
WILLSTAETTER Radikale gebildet. Folgenden Mechanismus formulierte z.B. KERN 1943 für das
System Peroxide/Eisen(II)-Salze:
1. + Fe2+ R O O R
2.
.
R O
+
Styrol
.
R O + Fe3+ R O
+
Radikal Anion
R
O
H2 C
.
CH
Polymerisation (s. Kap. 6.3)
usw.

Versuch Nr. 8: Copolymerisation von Methacrylsäuremethylester und Ethylenglykoldi-
methacrylat
Versuchsdurchführung:
- wie Versuch Nr. 7, jedoch wird statt des Methacrylsäuremethylesters ein Gemisch aus
2,5 g Ethylenglykoldimethacrylat (Vernetzer) und
2,5 g Methacrylsäuremethylester
verwendet.
Entsorgung : Polymer : Hausmüll (Entsorgungssatz E3), Reste: in gekennzeichneten
Glasbehältern sammeln „organische Abfälle – halogenfrei“ (E10), dann der
Sondermüllbeseitigung zuführen. (E 8)
Das erhaltene Polymerisat besteht praktisch aus einem einzigen stark vernetzten Makromolekül, das
in keinem Lösemittel mehr gelöst werden kann (vgl. Kap. 3.1.2.):
H2 C
CH 3
O OCH 3
H
2
C
CH 3
H
2
C
O OCH 3
H2 C
CH 3
O O
C
H 2
CH 2
O O
141
CH 3
H2 C
H2 C
CH 3
O OCH 3
CH 3
O OCH 3

Versuch Nr. 9: Fotopolymerisation von Methacrylsäuremethylester
Versuchsdurchführung:
10,0 g Methacrylsäuremethylester werden mit 0,1 g Benzildimethylketal vermischt und in ein
kleines Aluschälchen gegossen. Die Aluminiumschale wird in kurzem Abstand von oben mit
einer Hg-Dampflampe bestrahlt, wobei in Abhängigkeit von der Strahlungsleistung innerhalb
einiger Minuten die Polymerisation erfolgt. (Nach Beginn der Polymerisation steigt die
Viskosität deutlich an, so dass man einen flachen Gegenstand wie bemaltes Papier auflegen und
mit einer zweiten Schicht Methacrylsäuremethylester/Benzildimethylketol bedecken kann.
Hierdurch wird der Gegenstand zwischen "Plexiglasscheiben" einpolymerisiert).
Entsorgung : Polymer : Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Erklärungen:
Es handelt sich bei dieser Reaktion um eine radikalische Fotopolymerisation, die durch Radiale
initiert wird, welche beim durch Belichten ausgelösten Zerfall des Fotoinitiators Benzildimethylketal
entstehen. Das Benzildimethylketal zerfällt unter UV-Strahlung in einer sogenannten Norrish Typ I-
Reaktion zum Benzyl- und Dimethoxybenzyl-Radikal. Letzteres reagiert unter Abspaltung eines
Methylradikals weiter zum Benzoesäuremethylester:
O
OCH 3
OCH 3
.
OCH 3
OCH 3
hν
142
.
CH 3
O
.
+ O
+
OCH 3
OCH 3
.
OCH 3

143

Versuch Nr. 10: Vulkollan ® -Herstellung
Chemikalien (vgl. Kap. 6.4.1.)
100 g Desmophen 2000 ®
18 g Desmodur 15 ®
2 g 1,4-Butandiol
Versuchsdurchführung:
Die Desmophen ® -Komponente wird in einem mit Rührer ausgestatteten Becherglas (mit
Schliffdeckel) im Vakuum bei 125 - 130 o C im Verlauf einer Stunde sorgfältig entwässert.
Danach erst wird unter Rühren Desmodur ® zugegeben. Hierbei fällt die Temperatur auf ca.
110 °C ab, steigt aber im Verlaufe der exothermen Reaktion wieder auf 125 - 130 °C
selbständig an. Man wartet auf jeden Fall Temperaturkonstanz ab (ca. 15 Minuten); erst dann
wird der Vernetzer (1,4-Butandiol) von Hand eingerührt. Die fertige Mischung hat eine
Gießzeit von etwa 4 Minuten. Ihre Vernetzung nimmt bei 110 °C etwa 24 Stunden in
Anspruch.
Entsorgung : Vulkollan: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Anmerkung: Die Zugabe des Desmodur 15 ® , das Einrühren des Vernetzers und das evtl. Gießen des
Reaktionsgemisches in Formen oder auf ebene Flächen muss im Abzug erfolgen, da bei den hohen
Temperaturen Isocyanatdämpfe entweichen können. Bei allen Versuchen ist eine Schutzbrille zu
tragen, beim Umgang mit Isocyanaten zusätzlich Schutzhandschuhe. Die Arbeiten mit Diisocyanaten
erfordern einen gut ziehenden Abzug.
Weitere Erklärungen zum Versuch werden in Kap. 6.4.1. gegeben.
144

Versuch Nr. 11: Herstellung von Polyurethanschaum
Chemikalien (vgl. Kap. 6.4.1.)
50 g Desmodur 44 V20 ® (p,p´-Diisocyanatodiphenylmethan im Gemisch mit Isomeren
und Homologen)
33 g Desmophen ® /Aktivator-Gemisch
Versuchsdurchführung:
In ein 1-Ltr. Becherglas stellt man einen der Glaswandung angepaßten Polyethylenbeutel. In
diesen Beutel gibt man zuerst 33 g Desmophen ® /Aktivator-Gemisch und dann 50 g
Desmodur ® 44 V20. Diese Mischung wird mit einem Holzstab so lange gerührt, bis die
eintretende Gasentwicklung den Beginn der Reaktion anzeigt. Dann überlässt man die
Schaumbildung sich selbst. Man kann den Versuch natürlich auch direkt im Becherglas
ausführen. Dann bereitet allerdings die Säuberung des Gefäßes Schwierigkeiten; denn beim
Herausdrehen des erkalteten Produktes bleiben immer Schaumreste an den Wandungen des
Becherglases kleben, die nur schwer zu entfernen sind (großer Verbrauch an Lösemittel).
Entsorgung : Polyurethanschaum: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Anmerkung: Der Versuch muss so durchgeführt werden, dass kein Desmophen ® bzw. Desmodur ®
auf die Haut gelangt. Sollte dies trotzdem geschehen, so ist sofort die betreffende Hautstelle unter
fließendem Wasser intensiv abzuspülen.
Erklärungen: siehe Kap. 6.4.1.
145

Versuch Nr. 12: Kalthärtung eines Epoxidharzes
Versuchsdurchführung:
80 g Lekutherm E 320 ® (Epoxidharz aus "Bisphenol A" und Epichlorhydrin im Verhältnis 1:2,
s. Abb. 39) werden in einem Pappbecher oder einer sauberen Blechdose mit 16 g eines
Kalthärters (z.B. T 3, siehe unten) gut verrührt und dann - nach entsprechender Formgebung -
sich selbst überlassen (im Abzug). Nach etwa 30 - 40 Minuten geliert (d.h. verfestigt) sich die
Mischung unter kontinuierlichem Temperaturanstieg (exotherme Reaktion) bis auf ca. 230 °C.
Entsorgung : Epoxidharz: Hausmüll (Entsorgungssatz E 3)
Erklärungen:
Die Überführung der Epoxidharze in den duroplastischen Zustand erfolgt durch Zugabe von
Härtungsmitteln (Härtern). Dies sind polyfunktionelle Verbindungen mit reaktionsfähigen
Wasserstoffatomen oder Carbonsäureanhydride, die unter Polyaddition mit den Epoxidgruppen und
sekundären OH-Gruppen reagieren und ohne Abspaltung von Nebenprodukten eine
Molekülvergrößerung unter dreidimensionaler Vernetzung herbeiführen. Je nach der zur Anwendung
gelangenden Temperatur unterscheidet man zwischen Heißhärtung und Kalthärtung. Die Wahl
zwischen diesen beiden richtet sich nach den gewünschten Verarbeitungsbedingungen, vor allem aber
nach den geforderten Eigenschaften der Endprodukte. Bei der Kalthärtung werden als Härter meist
aliphatische (Poly)Amine oder (Poly)Amide benutzt, z.B.
Triethylentetramin H2N-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH2
Dipropylentriamin H2N-CH2-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-CH2-NH2
Pentaethylenhexamin H2N-(CH2-CH2-NH)4-CH2-CH2-NH2 (Kalthärter T3)
Allgemeines Reaktionsschema (vergl. auch Abb. 40):
146

Bei der Heißhärtung werden für die Vernetzung folgende Stoffe eingesetzt:
z.B. Härter P: Phthalsäureanhydrid
Härter H: Hexahydrophthalsäureanhydrid
Allgemeines Reaktionsschema:
147

Versuch Nr. 13: Thermischer Abbau von Polyvinylchlorid (PVC)
Chemikalien: Polyvinylchlorid: 2 x 10 g Vestolit S 6058
Versuchsdurchführung:
Stabilisator: 0,4 (± 0,1) g 2-Phenylindol (Stabilisator I, Bayer)
Indikator: Kongorot- oder Universalindikatorpapier
10 g PVC-Pulver werden mit 0,4 g Phenylindol in einer Reibschale gut gemischt und in ein
Reagenzglas gefüllt. Das zweite Reagenzglas füllt man mit 10 g reinem PVC-Pulver. Zu beiden
Proben fügt man einen Streifen angefeuchtetes Indikatorpapier, und erhitzt in einem Heizbad
auf 170 - 180 o C. Bei Erreichen der Zersetzungstemperatur beobachtet man:
a) stabilisierte Probe und Indikatorpapier bleiben unverändert
b) die andere Probe verfärbt sich, der Farbumschlag zeigt einen sauren pH-Bereich an.
Entsorgung :Alle Reste: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln „organische Abfälle –
halogenhaltig“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung zuführen (E8). Adresse zu erfragen bei
der Kreis- oder Stadtverwaltung
Erklärungen:
Unter den technisch verwendeten synthetischen Hochpolymeren nimmt PVC einen der ersten Plätze
ein; gerade dieses Polymere zeigt aber in besonders auffälliger Weise Zersetzungserscheinungen, die
bei Temperaturen oberhalb von ca. 100 o C bemerkbar werden. Unter Abspaltung nachweisbarer
Mengen von Chlorwasserstoff entstehen Ketten mit konjugierten Doppelbindungen. Sie sind an der
während der Zersetzung auftretenden Farbänderung (nach braunrot) zu erkennen.
148

Die Ursache dieses Abbaues liegt in einem katalytischen Effekt von Eisenspuren. Durch Zugabe
eines geeigneten Stabilisators kann die Zersetzung verhindert werden (Bindung der Eisenspuren).
149

Versuch Nr. 14: Weichmachung von Polyvinylchlorid (PVC)
Versuchsdurchführung:
a) Polyvinylchlorid-Pulver wird auf eine Heizplatte (150 - 160 o C) gestreut und fest mit
einer Metallplatte (z.B. Bügeleisen) angedrückt. Wenn überhaupt, so bildet sich ein
harter, spröder, trüber Kunststoff-Film.
b) Mischt man dagegen PVC-Pulver mit gleichen Teilen eines Weichmachers (z.B.
Dioctylphthalat = DOP), gießt die erhaltene, dünne, weiße Flüssigkeit auf eine
Heizplatte (110 o C) und drückt kurz mit einer Metallplatte an, so kann man kurz danach
eine klare, geschmeidige Folie abziehen, die eine erhebliche Festigkeit aufweist und sich
dehnen lässt.
Entsorgung : Alle Reste: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln „organische Abfälle –
halogenhaltig“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung zuführen (E8) Adresse zu erfragen bei
der Kreis- oder Stadtverwaltung
Erklärungen:
Die Atome des Polymeren sind durch starke "primäre" Bindungen verknüpft. Die Makromoleküle
wiederum werden untereinander durch sogenannte Sekundärkräfte (s. Kap. 3.2.) zusammengehalten.
In einem PVC-Molekül stellen die Chloratome stark polare Gruppen dar, welche die Anziehung
zwischen den Molekülen verstärken; diese Anziehungskraft nimmt aber mit dem Abstand der
Moleküle voneinander ab.
Die weichmachende Wirkung durch das DOP beruht nun darauf, dass die zwischenmolekularen
Kräfte geschwächt werden, das Molekül insgesamt also weicher und geschmeidiger wird.
Ein wirksamer Weichmacher muss aber ebenfalls eine gewisse Polarität aufweisen, um zwar in der
Lage zu sein, die zwischenmolekularen Kräfte des Polymerisates zu schwächen, aber gleichzeitig an
deren Stelle ein System von Polymerisat-Weichmacher-Polymerisat-Wechselwirkungen herzustellen.
150

Bei den polaren Gruppen der PVC-Weichmacher handelt es sich in den meisten Fällen um Ester-
Gruppierungen. Weichmachung erzielt man durch Zusatz von Substanzen, die eine lösende oder
quellende Wirkung auf das Polymere haben. Für PVC sind besonders geeignet Adipinsäureester,
Phosphorsäureester, Phthalsäureester (z.B. DOP), Sulfonsäureester als sogenannte monomere
Weichmacher oder auch Polymerisate wie z.B. Polybutadienacrylnitril- oder Ethylenvinylacetat-
Copolymerisate als sogenannte Polymerweichmacher.
151

Versuch Nr. 15: Herstellung von elektrisch selbstleitendem Polypyrrol
Versuchsdurchführung:
Reagenzien
2 ml 6%ige FeCl3-Lösung in Wasser (1 g FeCl3 x 6H2O in 9 ml H2O oder 0,6 g FeCl3
wasserfrei in 9,4 ml H2O)
0,25 ml Pyrrol-iso-Propanol-Gemisch (1:1)
In eine Kristallisierschale legt man ein Filterpapier (Durchmesser ca. 7 cm) und beträufelt es mit 2 ml
6% Eisen-III-chloridlösung. Nachdem das Filterpapier vollständig benetzt ist, tropft man auf die
Mitte des Filterpapiers 0,25 ml Pyrrol/iso-Propanol-Gemisch. Man beobachtet sofort eine
Dunkelfärbung. Nach 10 - 15 Minuten nimmt man mit einer Pinzette das nun schwarze Filterpapier
aus der Kristallisierschale und wäscht es gründlich mit Wasser. Nach dem Trocknen (mindestens 2
Stunden) zeigt das Filterpapier einen Widerstand von 5 000 bis 10 000 Ω, gemessen mit einem
Universalmessgerät durch Aufdrücken der Kontakte in einem Abstand von 1 cm. In Abhängigkeit
von der Art des Filterpapiers kann die Leitfähigkeit auf das Zentrum oder auch auf nur eine Seite des
Filterpapiers beschränkt sein.
Vor der Behandlung hat das Filterpapier einen Widerstand von mindestens 10 10 Ω. Durch den
Einbau des Polypyrrol reduziert sich der elektrische Widerstand also sehr stark.
Die Trockenzeit kann durch Verwendung eines Trockenschrankes (nicht über 50°C) auf unter 30
min. verkürzt werden. In einem Parallelversuch mit einem mit FeCl 3-Lösung getränkten Filterpapier
sollte gezeigt werden, dass keine Artefakte gemessen werden.
Entsorgung : Papierfilter mit Polypyrrol: Hausmüll (Entsorgungssatz E3); überschüssige
Eisen-III-chloridlösung: stark mit Wasser verdünnen 152 und in den Ausguss geben (E 1)

11.2. Inhaltsverzeichnis der verwendeten Chemikalien
Bei der Durchführung der Versuche sind die Vorgaben der Schulbehörden streng zu
berücksichtigen!
Die Einstufung der Chemikalien entspricht der Gefahrstoff-Verordnung (GefStoffV) und der
Mitteilung der Senatskommission zur Prüfung gesundheitsschädlicher Arbeitsstoffe "Maximale
Arbeitsplatzkonzentrationen und biologische Arbeitstoleranzwerte", herausgegeben von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft. Da sich hier häufig Änderungen in den Einstufungen ergeben,
werden diese als Extrablätter zum Manuskript geliefert. Soweit möglich, sind die Buchstaben der
Gefahrensymbole, die R- und S-Sätze, die Einstufung nach der Verordnung für brennbare
Flüssigkeiten (VbF) und die Wassergefährdungsklasse (WGK), angegeben.
153

11.3. Gefahrensymbole und Gefahrenbezeichnungen
Seit 1995 ist anstelle des Begriffs "mindergiftig" der Ausdruck "gesundheitsschädlich" vorge-
schrieben.
1.4. Hinweise auf die besonderen Gefahren (R-Sätze)
R 1 In trockenem Zustand explosionsgefährlich
R 2 Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen explosionsgefährlich
R 3 Durch Schlag, Reibung, Feuer oder andere Zündquellen besonders xplosionsgefährlich
R 4 Bildet hochempfindliche explosionsgefährliche Metallverbindungen
R 5 Beim Erwärmen explosionsfähig
R 6 Mit und ohne Luft explosionsfähig
R 7 Kann Brand verursachen
154

R 8 Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen
R 9 Explosionsgefahr bei Mischung mit brennbaren Stoffen
R 10 Entzündlich
R 11 Leichtentzündlich
R 12 Hochentzündlich
R 13 Hochentzündliches Flüssiggas
R 14 Reagiert heftig mit Wasser
R 15 Reagiert mit Wasser unter Bildung leicht entzündlicher Gase
R 15.1 Reagiert mit Säure unter Bildung leicht entzündlicher Gase
R 16 Explosionsgefährlich in Mischung mit brandfördernden Stoffen
R 17 Selbstentzündlich an der Luft
R 18 Bei Gebrauch Bildung explosionsfähiger/leichtentzündlicher
Dampf-Luft-Gemische möglich
R 19 Kann explosionsfähige Peroxide bilden
R 20 Gesundheitsschädlich beim Einatmen
R 21 Gesundheitsschädlich bei Berührung mit der Haut
R 22 Gesundheitsschädlich beim Verschlucken
R 23 Giftig beim Einatmen
R 24 Giftig bei Berührung mit der Haut
R 25 Giftig beim Verschlucken
R 26 Sehr giftig beim Einatmen
R 27 Sehr giftig bei Berührung mit der Haut
R 28 Sehr giftig beim Verschlucken
R 29 Entwickelt bei Berührung mit Wasser giftige Gase
R 30 Kann bei Gebrauch leicht entzündlich werden
R 31 Entwickelt bei Berührung mit Säure giftige Gase
R 31.1 Entwickelt bei Berührung mit Alkalien giftige Gase
R 32 Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase
R 33 Gefahr kumulativer Wirkungen
R 34 Verursacht Verätzungen
R 35 Verursacht schwere Verätzungen
R 36 Reizt die Augen
R 37 Reizt die Atmungsorgane
R 38 Reizt die Haut
R 39 Ernste Gefahr irreversiblen Schadens
R 40 Irreversibler Schaden möglich
R 41 Gefahr ernster Augenschäden
R 42 Sensibilisierung durch Einatmen möglich
R 43 Sensibilisierung durch Hautkontakte möglich
R 44 Explosionsgefahr bei Erhitzen unter Einschluss
R 45 Kann Krebs erzeugen
R 45.1 Kann Krebs erzeugen (Gefahrstoffverordnung Gruppe I)
R 45.2 Kann Krebs erzeugen (Gefahrstoffverordnung Gruppe II)
R 45.3 Kann Krebs erzeugen (Gefahrstoffverordnung Gruppe III)
155

R 46 Kann vererbbare Schäden verursachen
R 47 Kann Mißbildungen verursachen
R 48 Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition
R 49 Kann Krebs erzeugen beim Einatmen
R 50 Sehr giftig für Wasserorganismen
R 51 Giftig für Wasserorganismen
R 52 Schädlich für Wasserorganismen
R 53 Kann in Gewässern längerfristig schädliche Wirkung haben
R 54 Giftig für Pflanzen
R 55 Giftig für Tiere
R 56 Giftig für Bodenorganismen
R 57 Giftig für Bienen
R 58 Kann längerfristig schädliche Wirkungen auf die Umwelt haben
R 59 Gefährlich für die Ozonschicht
156

11.5. Sicherheitsratschläge (S-Sätze)
S 1 Unter Verschluss aufbewahren
S 2 Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen
S 3 Kühl aufbewahren
S 4 Von Wohnplätzen fernhalten
S 5 Unter ... aufbewahren (geeignete Flüssigkeit ist vom Hersteller anzugeben)
S 5.1 Unter Wasser aufbewahren
S 5.2 Unter Petroleum aufbewahren
S 6 Unter ... aufbewahren (inertes Gas ist vom Hersteller anzugeben)
S 6.1 Unter Stickstoff aufbewahren
S 6.2 Unter Argon aufbewahren
S 6.3 Unter Kohlendioxid aufbewahren
S 7 Behälter dicht geschlossen halten
S 8 Behälter trocken halten
S 9 Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren
S 12 Behälter nicht gasdicht verschließen
S 13 Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln fernhalten
S 14 Von ... fernhalten (inkompatible Substanzen sind vom Hersteller anzugeben)
S 14.1 Von Reduktionsmitteln, Schwermetallverbindungen, Säuren und Alkalien fern halten
S 14.2 Von oxidierenden und sauren Stoffen sowie Schwermetallverbindungen fernhalten
S 14.3 Von Eisen fernhalten
S 14.4 Von Wasser fernhalten
S 14.5 Von Säuren fernhalten
S 14.6 Von Laugen fernhalten
S 14.7 Von Metallen fernhalten
S 14.8 Von oxidierenden und sauren Stoffen fernhalten
S 14.9 Von brennbaren, organischen Substanzen fernhalten
S 14.10 Von Säuren, Reduktionsmitteln und brennbaren Materialien fernhalten
S 14.11 Von brennbaren Substanzen fernhalten
S 15 Vor Hitze schützen
S 16 Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen
S 17 Von brennbaren Stoffen fernhalten
S 18 Behälter mit Vorsicht öffnen und handhaben
S 20 Bei der Arbeit nicht essen und trinken
S 21 Bei der Arbeit nicht rauchen
S 22 Staub nicht einatmen
S 23 Gas/Rauch/Dampf/Aerosol nicht einatmen (geeignete Bezeichnungen
sind vom Hersteller anzugeben)
S 23.1 Gas nicht einatmen
S 23.2 Dampf nicht einatmen
S 23.3 Aerosol nicht einatmen
S 23.4 Rauch nicht einatmen
157

S 23.5 Dampf/Aerosol nicht einatmen
S 24 Berührung mit der Haut vermeiden
S 25 Berührung mit den Augen vermeiden
S 26 Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren
S 27 Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen
S 28 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel ... (ist vom Hersteller
anzugeben)
S 28.1 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser
S 28.2 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser und Seife
S 28.3 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser und Seife,
möglichst auch mit Polyethylenglycol 400
S 28.4 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Polyethylenglycol 300
und Ethanol (2:1) und anschließend mit viel Wasser und Seife
S 28.5 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Polyethylenglykol 400
S 28.6 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Polyethylenglykol 400
und anschließend Reinigung mit viel Wasser
S 28.7 Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser und saurer Seife
S 29 Nicht in die Kanalisation gelangen lassen
S 30 Niemals Wasser hinzugießen
S 33 Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen
S 34 Schlag und Reibung vermeiden
S 35 Abfälle und Behälter müssen in gesicherter Weise beseitigt werden
S 35.1 Abfälle und Behälter dürfen erst nach Behandeln mit 2%iger Natronlauge
beseitigt werden
S 36 Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen
S 37 Geeignete Schutzhandschuhe tragen
S 38 Bei unzureichender Belüftung Atemschutzgerät tragen
S 39 Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen
S 40 Fußboden und verunreinigte Gegenstände mit ... reinigen (ist vom Hersteller
anzugeben)
S 40.1 Fußboden und verunreinigte Gegenstände mit Wasser reinigen
S 41 Explosions- und Brandgase nicht einatmen
S 42 Beim Räuchern/Versprühen geeignetes Atemschutzgerät anlegen (geeignete
Bezeichnung(en) sind vom Hersteller anzugeben)
S 43 Zum Löschen ... (ist vom Hersteller anzugeben) verwenden.
Wenn Wasser die Gefahr erhöht, anfügen: Kein Wasser verwenden
S 43.1 Zum Löschen Wasser verwenden
S 43.2 Zum Löschen Wasser oder Pulverlöschmittel verwenden
S 43.3 Zum Löschen Pulverlöschmittel, kein Wasser verwenden
S 43.4 Zum Löschen Kohlendioxid, kein Wasser verwenden
S 43.5 Zum Löschen Halone, kein Wasser verwenden
S 43.6 Zum Löschen Sand, kein Wasser verwenden
S 43.7 Zum Löschen Metallbrandpulver, kein Wasser verwenden
S 43.8 Zum Löschen Sand, Kohlendioxid oder Pulverlöschmittel, kein Wasser verwenden
158

S 44 Bei Unwohlsein ärztlichen Rat einholen (wenn möglich, dieses Etikett vorzeigen
S 45 Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich, dieses Etikett
vorzeigen
S 46 Bei Verschlucken sofort ärztlichen Rat einholen und Verpackung oder Etikett
vorzeigen
S 47 Nicht bei Temperaturen über ... °C aufbewahren (ist vom Hersteller anzugeben)
S 48 Feucht halten mit ... (geeignetes Mittel ist vom Hersteller anzugeben)
S 48.1 Feucht halten mit Wasser
S 49 Nur im Originalbehälter aufbewahren
S 50 Nicht mischen mit ... (ist vom Hersteller anzugeben)
S 50.1 Nicht mischen mit Säuren
S 50.2 Nicht mischen mit Laugen
S 50.3 Nicht mischen mit starken Säuren, starken Basen, Buntmetallen und deren Salze
S 51 Nur in gut belüfteten Bereichen verwenden
S 52 Nicht großflächig für Wohn- und Aufenthaltsräume zu verwenden
S 53 Exposition vermeiden - vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen
S 54 Vor Ableiten in Kläranlagen Einwilligung der zuständigen Behörden einholen
S 55 Vor Ableitung in die Kanalisation oder in Gewässer nach dem Stand der
Technik behandeln
S 56 Nicht in die Kanalisation oder die Umwelt ableiten, an genehmigte Sondermüllsammelstelle
abgeben
S 57 Durch geeigneten Einschluss Umweltverschmutzungen vermeiden
S 58 Als gefährlichen Abfall entsorgen
S 59 Informationen zur Wiederverwendung/Wiederverwertung beim Hersteller/
Lieferanten erfragen
S 60 Dieser Stoff und/oder sein Behälter sind als gefährlicher Abfall zu entsorgen
Selbstverständlich können R- und S-Sätze auch in Kombination auftreten!
Wassergefährdungsklasse
Einstufungen
WGK 0 Im Allgemeinen nicht gefährdende Stoffe
WGK 1 Schwach wassergefährdende Stoffe
WGK 2 Wassergefährdende Stoffe
WGK 3 Stark wassergefährdende Stoffe
Verordnung für brennbare Flüssigkeiten
Einstufungen
A I Flammpunkt < 21°C
A II Flammpunkt 21 - 55°C
159

A III Flammpunkt >55 - 100°C
B Flammpunkt < 21°C, Flüssigkeiten, die oder deren brennbaren Bestandteile
mit Wasser bei 15 °C beliebig mischbar sind.
160

12. Weiterführende Literatur
A) PRAKTIKUMS BÜCHER
Wiskamp, V., M. Hörter, B. Köhler und B. Nau, „Abfallfreie Versuche zur Polymerchemie“
26 (1992) 6, 232 ff
.
Braun, Cherdron, Kern, "Praktikum der makromolekularen organischen Chemie",
3. Aufl., Alfred Hüthig Verl. 1979 (334 Seiten).
Haenle, Gnauck, Harsch, "Praktikum der Kunststofftechnik",
Carl Hanser Verl. 1972 (336 Seiten).
R. Flügel, "Kunststoffe, Versuche in Loseblatt-Form", Phywe 1963.
W. Sorensen, T. Campbell, "Präparative Methoden der Polymeren-Chemie",
Verl. Chemie 1962 (323 Seiten).
G. D´Alelio "Kunststoff-Praktikum", Carl Hanser Verlag 1952 (201 Seiten).
Rau, "Kunststoff-Schule", Mappen mit Kunststoffproben und Erläuterungen, Pickardt Verlag.
B) LEHRBÜCHER
B. Vollmert, "Grundriss der makromolekularen Chemie", Band 1 - 5,
E. Vollmert-Verl. 1985 (5 Taschenbücher von ca. 250 Seiten).
H. Batzer, "Polymere Werkstoffe, Bd. I - Chemie und Physik", Thieme Verl. 1985 (734 Seiten).
(Band II ("Technologie 1") und III ("Technologie 2") beschreiben u.a. die Verarbeitung und
Modifizierung von Polymeren einschließlich Verbundwerkstoffe, Elastomere, Film- und
Faserstoffe.)
Elias, Vohwinkel, "Neue polymere Werkstoffe für die industrielle Anwendung - Struktur, Synthese,
Eigenschaften, Verarbeitung", Carl Hanser Verl. 1983 (408 Seiten).
Elias, "Makromoleküle, Struktur - Eigenschaften - Synthesen - Stoffe - Technologie",
4. Aufl., Hüthig & Wepf Verl. 1981 (1097 Seiten).
G. Menges, J. Thim, H. Kaufmann, "Lernprogramm Technologie der Kunststoffe",
2. Aufl., Carl Hanser Verl. 1981 (218 Seiten).
G. Menges, "Werkstoffkunde - Kunststoffe", 3. Aufl.,
161

Carl Hanser Verl. 1990 (309 Seiten).
162

Becker, Braun, "Kunststoff-Handbuch Bd. I - Chemie, Physik, Technologie",
Carl Hanser Verl. 1990 (1089 Seiten).
(Die 10 Folgebände beschäftigen sich mit einzelnen Stoffklassen.)
H. Domininghaus, "Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften", 3. Aufl.,
VDI Verl. 1988 (905 Seiten).
Mair, Roth, "Elektrisch leitende Kunststoffe", 2. Ausgabe,
Carl Hanser Verl. 1989 (569 Seiten).
Houben-Weyl, "Methoden der Organischen Chemie", 4. Aufl., Bd. E 20
Makromolekulare Stoffe / Teil 1 bis 3, Thieme Verl. 1987.
J. Cowie, "Chemie und Physik der Polymeren", Verl. Chemie 1976 (321 Seiten).
Hellerich, Harsch, Haenle, "Werkstoff-Führer Kunststoffe", 5. Aufl., Carl Hanser Verl. 1989.
K. Biederbick, "Kunststoffe - kurz und bündig", 3. Aufl., Vogel Verl. 1974 (272 Seiten).
H. Domininghaus, "Kunststoffe Bd. I - Aufbau und Eigenschaften, Kunststoffsorten,
Anwendungen", VDI Verl. 1972 (223 Seiten).
C) ARTIKEL AUS FACHZEITS CHRIFTEN ZU S PEZIELLEN THEMEN
Chemie in unserer Zeit:
34 (2000) 276 B. Huckestein, Plesnivy, Th., „Möglichkeiten und Grenzen des
Kunststoffrecycling“
33 (1999) 279 A. Lendlein, „Polymere als Implantatwerkstoffe“
32 (1998) 197 D. Paul, „Polymermembranen für die Stofftrennung“
29 (1995) 260 A. Steinbüchel, „Mikrobielle und chemische Synthese von biologisch
abbaubaren Polyestern
28 (1994) 197 M. Aulbach, F. Kuber, „Metallocene – maßgeschneiderte Werkzeuge zur
Herstellung von Polyolefinen“
24 (1990) 135 D. Dieterich, "Polyurethane - nach 50 Jahren immer noch jung"
Angewandte Chemie:
102 (1990) 1302 P.M. Hergenrother, "Entwicklungsperspektiven für hochtemperaturbeständige
Polymere"
102 (1990) 1296 J. Economy, "Hochleistungsmaterialien - Trends und Möglichkeiten am Beispiel
flüssigkristalliner Polymere"
99 (1987) 840H. Finkelmann, "Flüssigkristalline Polymere"
163

Nachrichten aus Chemie, Technik und Laboratorium:
38 (1990) 333 "Verwertung von polymeren Abfallstoffen durch Pyrolyse"
38 (1990) 23 "K wie Abfall"
Spektrum der Wissenschaft:
April 1988, 54 R.B. Kaner, A.B. MacDiarmid, "Elektrisch leitende Kunststoffe"
Praxis der Naturwissenschaften - Chemie:
39 (1990) 29 R. Becker, L. Preis, "Glasfasern als Verstärkungselemente in Hochleistungsverbundwerkstoffen
mit Polymermatrix"
38 (1989) 2 K. Großberger, A. Schleip, "Kleben im Alltag"
37 (1988) 29 G. Streckert, R. Köntges, "Bestimmung der molaren Massen von Polymeren
über Viskositätsmessungen" (mit Versuchsbeschreibung)
164

13. Sachregister
2
2,2-Bis-(4-hydroxyphenyl)propan...............52, 53, 85
2-Phasenmodell.......................................... 31, 33
A
Abax ater........................................................67
ABS .....................................................105, 106
Aggregatstruktur......................................... 14, 36
AIBN.............................................................69
amorph.............................................53, 132, 133
anisotropes Verhalten.......................................108
Asbest-Ersatz ...................................................64
ataktisch ................................................... 18, 68
Azo-bis-isobutyronitril.......................................69
B
Bakelit ...........................................................49
Benzoylperoxid ..............................................135
Bindungen ......................24, 32, 92, 104, 108, 151
kovalente .............................................. 12, 24
Bindungskräfte........................................... 24, 32
Bisphenol A..................................................148
Biuret....................................................... 80, 81
BPO.......................................................69, 135
C
Carothers ........................................................55
CFC............................................................100
Copolymerisate ................................... 66, 68, 101
Copolymerisate: ...............................................68
D
Dendrite..........................................................34
Dibenzoylperoxid..............................................69
Dispersionskräfte...............................................25
Duromer ................................................... 38, 40
Duroplast .................................................. 38, 40
E
Elastomer.............................................38, 40, 42
Emulsionspolymerisation ............................. 69, 70
Epoxidharze............................... 5, 72, 85, 86, 148
F
Fällungspolymerisation......................................70
Faltblattstruktur................................................26
Faserstruktur.........................................30, 31, 41
FCKW..................................................... 82, 83
Flammwidrigkeit ..............................................91
Fransenmizelle ........................................... 28, 34
Füllstoff .........................................................50
G
Galvanisierung .................................................91
Gel .....................................................22, 23, 70
Gelpunkt.........................................................23
165
Grenzflächenkondensation................................. 137
gummielastisch................................................39
Guttapercha.......................................5, 18, 42, 43
H
Hämodialyse........................................... 119, 120
Hart-PVC .......................................................64
Hartschaum................................................81, 82
Härtung..........................................40, 50, 85, 88
HDPE............................................................63
Hexamethylendiisocyanat ...................................73
HIPS.............................................................63
Hohlfaser...................................................... 120
Homopolymerisat .............................................20
I
Integralschaum.................................................81
Ionomere ...................................................... 101
isotaktisch..................................................18, 68
isotropes Verhalten.......................................... 108
K
Kautschuk.............. 5, 42, 43, 63, 70, 133, 134, 161
Kettenreaktion..................................................69
Knäuel ...........................................................27
Kohlenstoff-Glas ............................................ 100
Kohlenstoff-Schaum ........................................ 100
Konfiguration ....................................... 15, 17, 18
Konformation ...........................................15, 125
Konstitution......................................... 11, 15, 17
Kopf-Kopf-Struktur......................................15, 16
Kopf-Schwanz-Struktur......................................15
Kristallite........................................29, 31, 32, 34
Kristallzustand.................................................31
Kunstfasern.......................................... 10, 30, 41
Kunststoff....... 9, 10, 20, 31, 90, 102, 113, 130, 139
L
Latex .............................................................70
LCP .............................................. 108, 109, 112
Lösungspolymerisation.................................69, 70
Lösungsspinnen ...............................................58
M
Makromolekül9, 14, 18, 19, 20, 22, 44, 55, 56, 83, 144
Mesogene .............................................. 110, 111
Mesophasen ........................................... 108, 110
Mischpolymerisate.......................................19, 70
Molekulargewicht ......12, 38, 42, 44, 45, 46, 63, 103
Molekulargewichtsverteilung..........................45, 46
Molekülformeln ...............................................46
N
Naturkautschuk ................................3, 14, 17, 132
Novolake........................................................50

Ö
Ökobilanz .....................................................131
Oligomere................................................. 12, 50
P
Parakristallbereiche............................................33
PC/ABS-Blend ..............................................105
Perlpolymerisation ............................................71
Phenol-Formaldehyd-Harz...................................49
Phenoplast ......................................................49
Fotopolymerisation .........................................145
Plaste.............................................................10
Poly(1,4-phenylenterephthalamid).......................111
Poly(1,4-phenylenterephthalester)........................111
Polyacetylen ....................................................97
Polyacrylnitril.............. 41, 55, 64, 65, 99, 100, 140
Polyaddition.........................5, 13, 46, 72, 83, 148
Polyamid.................31, 59, 95, 108, 134, 137, 139
Polyaryle .................................................. 92, 93
Polybenzimidazol ....................................... 95, 96
Polybutadien................................................5, 14
Polybutylenterephthalat .............................107, 114
Polycarbonat.............52, 53, 85, 105, 106, 107, 120
Polyester.........5, 41, 48, 49, 53, 54, 76, 77, 85, 135
ungesättigte .................................................86
Polyethylen
high density......................... 5, 7, 14, 35, 45, 62
Polyharnstoff-RIM ............................................85
Polyimid .................................................. 94, 95
Polyisopren............................................... 17, 43
all-trans-1,4 .................................................17
Polykondensation5, 13, 32, 46, 48, 50, 52, 55, 56, 95,
111
Polymer14, 15, 22, 55, 92, 97, 98, 108, 112, 137, 141
Legierung.............................................20, 104
Polymer......................................................22
Polymerisation5, 13, 16, 22, 23, 32, 46, 47, 55, 60, 61,
67, 68, 69, 70, 71, 76, 97, 98, 99, 142, 145
Polymerisation:................................................71
Polymerisationsgrad .................................... 22, 44
Polymethacrylsäuremethylester....................... 5, 141
Polymethylmethacrylat................................. 66, 69
Polypropylen ...............................7, 14, 19, 41, 71
ataktisches...................................................19
syndiotaktisches ...........................................19
Polypyrrol................................................97, 152
Polystal ® ...............................................114, 117
Polystyrol................. 5, 14, 30, 46, 63, 70, 71, 105
Polyterephthalsäureglykolester .............................48
Polytetrafluorethylen..........................................67
Polyurethan............................... 53, 73, 77, 79, 81
kautschukelastisches ......................................77
Polyvinylacetat.................................... 9, 140, 141
Polyvinylalkohol..........................................9, 26
Polyvinylcarbazol..............................................66
Polyvinylchlorid...............5, 7, 64, 70, 71, 150, 151
Polyvinylidenchlorid .........................................66
Polyvinylpyrrolidon ..........................................65
PPS......................................................... 93, 94
PVC.......................64, 90, 99, 105, 150, 151, 152
166
Q
Quellung ........................................................22
R
Recycling .............................................. 129, 130
Redox-Polymerisation ..................................... 142
Reppe ............................................................65
Resol.............................................................50
S
SAN..............................................................63
Schichtlaminat............................................... 117
Schmelzspinnen ........................................57, 139
Sekundärstruktur ................... 14, 15, 24, 26, 27, 36
Sekundenkleber................................................67
Silikone ................................................5, 11, 49
Startreaktion....................................................56
Staudinger ...........................................3, 5, 9, 44
Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ............ 14, 36, 42
Styropor ® .......................................................63
Substanzpolymerisation .....................................70
Superabsorber................................................ 122
Suspensionspolymerisation............................69, 70
T
Taktizität............................................. 18, 68, 71
Tauchkoagulation ........................................... 102
Teflon ® ..........................................................67
Tempern.........................................................33
Tertiärstruktur...............26, 28, 34, 38, 99, 101, 119
Terylen ® ....................................................41, 48
Thermoplast ....................................38, 40, 62, 73
Trevira ® ............................................... 41, 48, 54
Trockenspinnen.........................................58, 140
U
Uneinheitlichkeit.........................................45, 46
V
Verbundwerkstoffe............................ 113, 116, 160
Vernetzer ..........................................22, 144, 146
Vernetzung...... 23, 40, 42, 46, 54, 80, 146, 148, 149
intermolekulare ............................................23
intramolekulare ............................................23
Vernetzungsdichte........................................22, 23
Verordnung für brennbare Flüssigkeiten ............... 159
Vulkollan ® ..........................................73, 77, 146
Vycra ® ...........................................................41
W
Wassergefährdungsklasse.............................. 159
Weichmacher..............................64, 102, 151, 152
Weich-PVC.....................................................64
Weichschaum...................................................81
WGK........................................................... 159
Z
Ziegler-Katalysatoren.........................................60

Stand Januar 2001
Inhaltsverzeichnis
der verwendeten Chemikalien
mit
Einstufungen
aus dem Manuskript von
Dr. M. Müller
"Kunststoffe aus Makromolekülen"
11.2. Inhaltsverzeichnis der verwendeten Chemikalien mit

Kennzeichnung entsprechend Gefahrstoffverordnung
Bei der Durchführung der Versuche ist die Technische Regel für Gefahrstoffe (TRGS) 450
in der jeweils neuesten Fassung zu beachten!
Die Einstufung der Chemikalien entspricht der Gefahrstoff-Verordnung (GefStoffV, Stand
06.08.1986).
Die mit * gekennzeichneten Materialien werden nicht verschickt.
Versuch 1: * Flüssige Luft: O, R 8-34, S 21
* Gummiband: /
Versuch 2: Perlonfäden: /
Versuch 3: Dieser Versuch darf nicht von Schülern durchgeführt werden,
da Benzoylperoxid als explosionsgefährlich eingestuft wird!
Roskydal ® (enthält Styrol): Xi, R 10-20-36/38, S 23, fruchtschädigend
Klasse C
Benzoylperoxid: X i, E, R 3-36/37/38, S 3/7/9-14, 9-27-37/39
Versuch 4: Hexamethylendiamin: C, R 21/22-34-43, S 26-36/39
Natriumhydroxid: C, R 35, S 2-26-37/39
* Phenolphthalein: /
Sebacinsäuredichlorid: C, R 34, S 26
Heptan: F, R 11, S 9-16-23-29-33
* Ethanol: F, R 11, S 7-16
Versuch 5: Da bei zu starkem Erhitzen Pyrolyseprodukte gebildet werden
können, ist der Versuch unbedingt im Abzug durchzuführen!
Polyamid-Pulver: /

Versuch 6: Dimethylacetamid (DMAC): X n, R 20/21-36, S 26-28-36
fruchtschädigend Klasse C
Polyacrylnitril (PAN) in Dimethylacetamid (10%ig):
wie DMAC
Polyacrylnitril: /
Versuch 7: Ethanol: F, R 11, S7-16
fruchtschädigend Klasse D
Methacrylsäuremethylester: X i, F, R 11-36/37/38-43,
S 9-16-29-33,
fruchschädigend Klasse C, Gefahr der Sensibilisierung
Kaliumperoxodisulfat: X n, R 22-42/43, S 17-26-43
Natriumdisulfit: X i, R 31-36/37, S 26
Versuch 8: Methacrylsäuremethylester: siehe Versuch 7
Ethylenglykoldimethacrylat: X i, R 36/37
Versuch 9: Methacrylsäuremethylester: siehe Versuch 7
Benzildimethylketal: R 20/21/22, S 14.8-26-28.2-46
Versuch 10: Dieser Versuch muß unter dem Abzug durchgeführt
werden, da in sehr geringen Mengen HCN freiwerden kann!
Desmophen ® 2000 (Polyesterpolyol): /
Desmodur ® 15 (Naphtylen-1,5-diisocyanat): X n, R 20-36/37/38-42,
S 22-26-28-38-45
1,4-Butandiol: X n, R 22
Versuch 11: Desmodur ® 44V20 (Gemisch von Diphenylmethandiisocyanaten
(MDI)-Isomeren mit polymeren Anteilen): X n, R 20-36/37/38-42,
S 26-28-38-45
Desmophen/Aktivatorgemisch: /
Versuch 12: Lekutherm ® E 320 (Bisphenol-A-Epichlorhydrin): X i,
R 36/38-43, S 28-27/39

Kalthärter ® T3 (Pentaethylenhexamin): C, R 34/43,
S 26/36/37/39
Versuch 13: Dieser Versuch muß unter dem Abzug durchgeführt
werden, da Pyrolyse-Produkte freigesetzt werden!
Polyvinylchlorid (PVC): /
Stabilisator I (Phenylindol): X i, R 20/21/22-36/38,
S 26-28, 2-44-45-46
Versuch 14: PVC-Pulver: siehe Versuch 13
Mesamoll: /
Unterliegt nicht der VbF
Versuch 15: Eisen(III)-chlorid 6H 2O: X n, R 22-38-41, S 26
Pyrrol / iso-Propanol-Gemisch (1/1): F, R 11, S 7-6
/ = Das Produkt ist aufgrund der vorliegenden Erkenntnisse kein gefährlicher
Stoff bzw. keine gefährliche Zubereitung im Sinne von Anhang I, Nr. 1.1.

der GefStoffV.
Die beim Umgang mit Chemikalien üblichen Vorsichtsmaßregeln sind
jedoch zu beachten.

Entsorgungsvorschläge zu den Experimenten des Manuskripts Dr. Müller „Kunststoffe
aus Makromolekülen“
Die Empfehlungen beziehen sich auf die „Richtlinien zur Sicherheit im naturwissenschaftlichen
Unterricht - Empfehlung der Kultusministerkonferenz“. Dementsprechend sind auch die
Entsorgungsratschläge (E-Sätze) angegeben. Für übriggebliebene Ausgangsprodukte gelten die
Hinweise auf dem Sicherheitsdatenblatt.
Versuch Nr. 1: Gummiband: Wiederverwenden oder Hausmüll (E 3)
Versuch Nr. 2: Perlonfaden: Hausmüll (E 3)
Versuch Nr. 3: kaltgehärtetes Polyesterharz: Hausmüll (E 3)
Versuch Nr. 4: Polyamidfaden einschließlich Aufrollstab und Zweiphasengemisch: in
gekennzeichneten Glasbehältern sammeln „organische Abfälle - halogenhaltig“
(E 10), dann der Sondermüllbeseitigung zuführen.* (E 8)
Versuch Nr. 5: Schmelzspinnen Polyamid: Hausmüll (E 3)
Versuch Nr. 6a: Polyaacrylnitrilfäden und die Lösungen: in gekennzeichneten Glasbehältern
sammeln „organische Abfälle - halogenfrei“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung
zuführen.* (E8)
Versuch Nr. 6b: Polyacrylnitrilfolie: Hausmüll (E 3)
Versuch Nr. 7: Polymer: Hausmüll (E3); Reste: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln
„organische Abfälle - halogenfrei“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung
zuführen.* (E8)
Versuch Nr. 8: Polymer: Hausmüll (E3); Reste: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln
„organische Abfälle - halogenfrei“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung
zuführen.* (E8)
Versuch Nr. 9: Polymer: Hausmüll (E3)
Versuch Nr. 10: Vulkollan: Hausmüll (E3)
Versuch Nr. 11: Polyurethanschaum: Hausmüll (E3)
Versuch Nr. 12: Epoxidharz: Hausmüll (E3)
Versuch Nr. 13: Alle Reste: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln „organische Abfälle -
halogenhaltig“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung zuführen.* (E 8)
Versuch Nr. 14: Alle Reste: in gekennzeichneten Glasbehältern sammeln „organische Abfälle -
halogenhaltig“ (E 10), dann der Sondermüllbeseitigung zuführen.* (E 8)
Versuch Nr. 15: Papierfilter mit Polypyrrol: Hausmüll (E3); überschüssige Eisen-III-chloridlösung:
stark mit Wasser verdünnen und in den Ausguß geben (E 1).
* Adresse zu erfragen bei der Kreis- oder Stadtverwaltung