Chemie 8. Kunststoffe Lösungen

Lösungen zu Check-up

Kapitel 8 Kunststoffe

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Aufgabe 1

Es wird der Begriff Makromolekül definiert (originale Definition der IUPAC). Sinngemäße Übersetzung: Ein Makromolekül ist ein Molekül großer molarer Masse. Es besitzt eine Struktur, die sich grund­sätzlich aus einer vielfachen Wiederholung von Monomeren mit geringer molarer Masse ableiten lässt.

Aufgabe 2

Thermoplaste: Je nach Herstellungsart weiche oder feste Kunst­stoffe, die beim Erwärmen schmelzen und dabei verformbar werden. Makromoleküle linear, ggf. wenig verzweigt, aber nicht vernetzt. Zwischen den Molekülen wirken Van-­der-­Waals-­Kräfte, Dipol-­Dipol­-Kräfte oder Wasserstoffbrücken, die beim Erwärmen überwunden werden. Dadurch können die Makromoleküle an­ einander vorbeigleiten.

Duroplaste: Harte, feste Kunststoffe, die sich beim Erwärmen zer­setzen. Makromoleküle sind engmaschig vernetzt. Bei geringer Erwärmung fangen die Makromoleküle zu schwingen an, unter Beibehaltung der netzartigen Struktur. Bei höheren Temperaturen brechen die Elektronenpaarbindungen auf und das Polymer zer­fällt in kleinere Moleküle. Deshalb kommt es beim Erwärmen von Duroplasten nicht zum Schmelzen, sondern zur Zersetzung.

Elastomere: Elastische Kunststoffe. Weitmaschig vernetzte Makro­moleküle, die dafür sorgen, dass sich bei mechanischem Zug das Elastomer vorübergehend ausdehnen kann.

Aufgabe 3

a Es handelt sich um eine radikalische Polymerisation, bei der Polystyrol entsteht.

b Beim Erwärmen wird Polystyrol (PS) zunächst weich und schmilzt zu einer zähflüssigen Masse. Es besitzt keine Schmelz­temperatur, sondern einen Schmelztemperaturbereich. Da es sich bei Polystyrolmolekülen um sehr große Moleküle handelt, wirken zwischen ihnen ziemlich starke Van-­der-­Waals-­Kräfte. Bei Raumtemperatur ist PS deshalb ein Feststoff. Die Anzahl der Monomere, die sich zum Polymer verbinden, schwankt innerhalb weiter Grenzen. Daher verhält sich PS nicht wie ein Reinstoff, sondern wie ein Gemisch aus vielen Stoffen mit nahe beieinander­ liegenden Schmelztemperaturen.

c  Aus Dibenzoylperoxid entstehen durch Licht oder Wärme Radikale, die in einem ersten Schritt mit einem Styrolmolekül reagieren, wobei ein neues Radikal entsteht. Dieses wird mit einem weiteren Styrolmolekül umgesetzt usw. Ein Abbruch der Kette erfolgt beispielsweise, wenn zwei Radikale miteinander reagieren (Rekombination).

Startreaktion:   R–R ⟶ 2 R•
Kettenwachstum:       R• + S ⟶ R–S•   ;   R–S• + S ⟶ R–S–S• usw.
Abbruchreaktion:       R–S• + R–S–S• ⟶ R–S–S–S–R

Aufgabe 4

a

b

Bei der Polykondensation werden Monomere mit mindestens zwei funktionellen Gruppen zu Makromolekülen verknüpft. Dies trifft auf 4­-Hydroxybenzoesäure mit einer COOH-­Gruppe und einer OH­-Gruppe zu – im Unterschied zu Benzoesäure mit nur einer COOH­-Gruppe.

c Das Polykondensat ist ein lineares Makromolekül wie es für Thermoplaste typisch ist. Es sollte also beim Erwärmen schmelzen und verformbar sein.

Aufgabe 5

a Monomer: kleinste Baueinheit der Polymere.
Hier: zwei Mono­mere – Glycerinmolekül und Weinsäuremolekül

Polymer: Makromolekül aus vielen chemisch miteinander ver­bunden Monomeren, wobei sich die Eigenschaften des Polymers bei Hinzufügen oder Wegnehmen einzelner Monomere nicht ändern.
Hier: Polyester

b Voraussetzung für die Bildung eines Polyesters (Polykonden­sation) ist das Vorliegen mehrerer funktioneller Gruppen in den Molekülen des Ausgangsstoffs.

c Der gebildete Polyester ist ein Duroplast, weil die Monomere jeweils mehr als zwei funktionelle Gruppen enthalten (drei im Glycerinmolekül und vier im Weinsäuremolekül), wodurch ein stark vernetztes Makromolekül erzeugt wird.

Aufgabe 6

Nur mit den Ausgangsstoffen Diamin und Isocyanat ist eine Poly­addition zu Polyharnstoff möglich. Dimethylamin fehlt die für die Polyaddition notwendige zweite funktionelle Gruppe.

Aufgabe 7

Eine Schüssel aus HDPE, einem thermoplastischen Kunststoff, kann durch Spritzgießen hergestellt werden. Das Granulat wird in einem Extruder mit beweglicher Schnecke gefördert, durch Er­ wärmen plastisch gemacht und dann durch Vorwärtsbewegen der Schnecke in die gekühlte Form gespritzt. Später öffnet sich die Form und die fertige Schüssel fällt heraus. Flaschen aus PET, einem thermoplastischen Kunststoff, können durch Hohlkörper­ blasen hergestellt werden. Dabei drückt ein Extruder einen plastischen Schlauch in ein zweiteiliges Hohlwerkzeug mit der gewünschten Form. Durch Schließen des Werkzeugs wird der Schlauch luftdicht abgequetscht und durch Einblasen von Luft an die Wände der Form gedrückt. Nach kurzer Abkühlung wird die Form geöffnet und der Hohlkörper ausgeworfen.

Aufgabe 8

Bei der Leitung von elektrischem Strom entsteht im metallischen Leiter Wärme. Die Kunststoffummantelung darf aus Sicherheits­gründen nicht schmelzen, deshalb sollte sie aus einem duroplas­tischen Kunststoff hergestellt werden.

Aufgabe 9

Mehrere Lösungen sind möglich, z. B.:

Aufgabe 10

Durch statistische, alternierende Block­ oder Pfropf­-Copolymere können verschiedene Kunststoffe mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften gebildet werden, obwohl die gleichen Monomere verwendet werden.

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Glasfaserverstärkte Kunststoffe in Reparatur-Sets

Aufgabe 1

Aufgabe 2 Es findet eine Polykondensation statt. Für die Herstellung von Polyestern werden als Ausgangsstoffe Monomere mit mehreren Carboxy- und Hydroxygruppen eingesetzt, wie hier beispielsweise Dicarbonsäuren und Diole. Durch die Reaktion der Carboxygruppe der Carbonsäuremoleküle mit den Hydroxygruppe der Alkoholmoleküle entstehen der Ester und Wasser als Nebenprodukt. Die in der Anfangsphase gebildeten Ester reagieren in sich wiederholenden Kondensationen mit weiteren Monomeren oder aber untereinander. Es entstehen zunächst kurzkettige Polymere, die weiterhin reaktionsfähige funktionelle Gruppen aufweisen. Erst mit zunehmender Reaktionsdauer bildet sich ein langkettiger Polyester.

 

Aufgabe 3

Der Härter ist ein Radikalbildner (Initiator). Das Dibenzoylperoxid zerfällt in zwei Radikale. In einer radikalischen Polymerisation reagiert das Styrol während des Härtevorgangs mit dem ungesättigten Polyester zu einem stark vernetzten Produkt.

Aufgabe 4

Der ungehärtete, lineare Polyester gehört zu den Bei niedrigen Temperaturen sind diese hart. Mit steigender Temperatur werden sie weicher und biegsam.

Durch die Vernetzung mit dem Styrol beim Härten entsteht ein Duroplast. Diese wiederum haben eine hohe mechanische Belastbarkeit und sind beständig gegen Wärme und Lösungsmittel.

Glasfaserverstärkte Polyesterfasern sind trotz ihres geringen Gewichts sehr stark belastbar. Daher sind Reparaturen mit diesen verstärkten Kunststoffen besonders zur Behebung von Durchrostungen, Rissen oder Löchern an Autokarosserien, Wohnwagen oder Booten geeignet.

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Biologisch abbaubare Kunststoffe

Achtung! Diese Aufgaben sind in manchen Ausgaben nicht durchgehend nummeriert.

Aufgabe 1

(Aufgabe: Definieren Sie die Begriffe Duroplast, Thermoplast und Elastomer und … )

• Thermoplast: schwache zwischenmolekulare Kräfte wirken zwischen unverzweigten Makromolekülen Þ bei Erwärmung ist der Kunststoff leicht verformbar
• Duroplast: zwischen den Makromolekülen bestehen viele engmaschige Verknüpfungen über Elektronenpaarbindungen ⇒ der Kunststoff zersetzt sich eher, als das er sich plastisch verformen lässt.
• Elastomer: zwischen den Makromolekülen bestehen viele weitmaschige Verknüpfungen über Elektronenpaarbindungen ⇒ nach mechanischer Beanspruchung ist eine Rückverformung möglich Þ bei Erhitzen Schmelzen oder Zersetzen
• Zuordnung: Poly-L-lactid ist schmelzbar, aber relativ hart ⇒ Thermoplast

 

Aufgabe 2

(Aufgabe: Stellen Sie Unterschiede und Gemeinsamkeiten der beiden Polylactidsynthesen … )

Polylactidsynthese aus…	Gemeinsamkeiten	Unterschiede
einzelnen Milchsäuremolekülen	–    gleiche Monomere –    katalytisch gesteuert	–    Polykondensation –    Polymergröße bis 15 000 g/mol –    Säure als Katalysator
Dilactiden		–    Polymerisation –    Polymergröße über 20 000 g/mol –    Zinn(II)-chlorid als Katalysator

Die Synthese aus einzelnen Milchsäuremolekülen erfolgt bereits bei Raumtemperatur ⇒ Vorteil, da keine Energie zur Synthese aufgewendet werden muss. Entsprechend dem Info-Text ist jedoch die Entsorgung des Laufmittels problematisch und damit als Nachteil zu werten.

Bei der Synthese aus Dilactiden ist die zur Reaktion aufzuwendende Energie als nachteilig zu werten, weil dies mit Kosten verbunden ist. Vorteile können sich aus der höheren Festigkeit des Polymers ergeben.

 

Aufgabe 3

(Aufgabe: Beurteilen Sie aus den Daten zum Abbau von Polylactiden die Meinung der Betreiber …) 

Damit Biokunststoffe komplett abgebaut werden können, werden hohe Temperaturen und eine hohe Luftfeuchtigkeit benötigt. Diese werden nicht in jeder Kompostieranlage erreicht, sodass die Biokunststoffe nicht vollständig abgebaut werden können und somit die Qualität des Produkts herabgesetzt wird. Von daher ist es leichter, Biokunststoffe durch thermische oder rohstoffliche Verwertung zu entsorgen.

 

Aufgabe 4

(Aufgabe: In der Medizintechnik finden Polylactide als …)

a

Die Moleküle von PLA besitzen neben polaren Estergruppen (-COO-Gruppen) an jedem dritten Kohlenstoffatom eine Methylgruppe. PLA ist daher unpolar und hydrophob.

Die Moleküle von PLGA besitzen polare Estergruppen, und es sind nur an den Lactidbausteinen zusätzliche Methylgruppen gebunden. PLGA ist daher ein polarer, hydrophiler Kunststoff.

b Aufgrund seiner hydrophoben Eigenschaften eignet sich PLA z. B. zur Herstellung Kunststoffartikeln wie Einkaufstüten, die nicht so schnell von Mikroorganismen abgebaut werden sollen. (Mikroorganismen sind von Wasser abhängig und überleben ohne es nicht.)

PLGA ist aufgrund der hydrophilen Eigenschaften in der Medizintechnik einsetzbar, wo sich beispielsweise vernähte Wundfäden schnell zersetzen sollen.

 

 

 

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