Referent: Stefan Burgemeister Kunststoffe Referent: Stefan Burgemeister Datum: Donnerstag, 10.07.2003 1615 – 1700 Uhr

"Physik ist, wenn es nicht gelingt; Chemie ist, wenn es kracht und stinkt"

Gliederung Ein feuriger Beginn Celluloid (Demo 1) Grundlegende Kunststoffsynthesen und Strukturen Bakelit – der 1. vollsynthetische Kunststoff (Versuch 1, Demo 2) Vom Polystyrol zum Styropor (Versuch 2a und 2b) Der Universalkunststoff Polyurethan (Versuch 3) Verbrauch und Verwendung von Kunststoffen Additive in Kunststoffen (Versuch 4) Kunststoffmüll Recycling einer PET-Flasche (Versuch 5) Reduktion von Metalloxiden mit PE (Versuch 6)

Ein feuriger Beginn „Kunststoffe sind makromolekulare organische Werkstoffe, die durch Umwandlung von Naturprodukten oder aus niedermolekularen Stoffen hergestellt werden“ 1846: C. F. Schöninger entdeckt „Schießbaumwolle“ (Demo 1)

1869: Die Brüder Hyatt erfinden Celluloid durch Einwirken von Campher auf Cellulosenitrat 1883: J. W. Swan entwickelt Verfahren zur Herstellung von Kunstseide aus Cellulosenitrat 1885: Spitteler und Krischa stellen „Kunsthorn“ aus Casein und Formaldehyd her

Grundlegende Synthesen und Strukturen 1907: Bakelit, der erste vollsynthetischen Kunststoff (Versuch 1) Reaktionsmechanismus: eine Polykondensation ” ” ” OH + H2O - H2O ” ” ” H2O  -OH - H2O

” ” ” + + n H2O

Struktur Bakelit – Beispiel eines Duroplasten  Vernetzungsgrad Eigenschaften chemisch und thermisch sehr widerstandsfähig

Verwendung als Ionenaustauscher (Demonstration 2) + NO2-(aq) + Cl-(aq) + 2 H3O+(aq) + + 4 H2O + Cl- - HCl

Vom Polystyrol zum Styropor (Versuch 2) Reaktionsmechanismus: eine radikalische Polymerisation 1. Bildung der Startradikale    2 Dibenzoylperoxid Phenylradikal

2. Kettenstart 3. Kettenwachstum   +   +

4. Kettenabbruch   A + m n m n   + R B n n  Disprop. 2 + C n n n

Polystyrol – Beispiel eines Thermoplasten Struktur  Polymerisationsgrad amorph teilkristallin

Erweichen beim Erwärmen Eigenschaften Erweichen beim Erwärmen Erhöhung der Kristallinität bewirkt  eine Zunahme der Dichte und der Festigkeit  eine Abnahme des Verformungsvermögens und der Transparenz Mit zunehmendem Polymerisationsgrad  erhöht sich die Zugfestigkeit, die Härte und die Schlagzähigkeit  verringert sich die Fließfähigkeit und die Kristallisationsneigung

Der Universalkunststoff Polyurethan (Versuch 3) Reaktionsmechanismus: eine Polyaddition Funktion des Aktivators Diphenylmethan-4, 4-diisocyanat Ethylenglykol +  - +  - Triethylamin

- - Reaktion des Dialkohols mit Diisocyanat + + Urethan-Bindung +  - ++  - - + + - Urethan-Bindung

Reaktionsmechanismus für die räumliche Vernetzung Abspaltung von CO2 + H2O + CO2

Polyurethan – Beispiel eines Elastomers Struktur  Vernetzungsgrad Eigenschaften Bei Raumtemperatur gummielastisch Mit zunehmendem Vernetzungsgrad erhöht sich die Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit

Zwischenbilanz Kunststoffklassen stark vernetzt Thermoplaste: Duroplaste: stark vernetzt chemisch und thermisch widerstandsfähig Thermoplaste: unvernetzt plastisch, in der Wärme verformbar Elastomere: schwach vernetzt gummielastisch

Reaktionsmechanismen

Verbrauch und Verwendung von Kunststoffen Weltverbrauch an Kunststoffen 2002 (Gesamtbedarf 210 Mio. t)

Verwendung von Kunststoffen

Additive in Kunststoffen (Versuch 4) Weichmacher Farbmittel Flammschutzmittel Füllstoffe Gleit- und Trennmittel Schlagzähmodifikatoren Stabilisatoren Treibmittel PVC-Additive Produktgruppen Füllstoffe Weichmacher Stabilisatoren Pigmente Fensterprofile 0 - 12 % - 2 – 4 % 2 – 5 % Rohre 0 - 4 % 2 – 3 % 2 % Fußbodenbeläge 25 – 50 % 10 – 20 % 0,5 – 1 % 1 % Kabelmassen 10 – 50 % 25 – 40 % 1 – 3 %

Bestimmung des PVC-Gehaltes nach Schöninger Verbrennung von PVC: Titration: H3O+(aq) + OH-(aq)  2 H2O + 2,5 O2(g)  2 CO2(g) + HCl(g) + H2O n Produkt PVC-Gehalt Füllstoff-Gehalt Weichmacher-Gehalt PVC-Schlauch 66 % - 30 % PVC-Rohr 89 % 7 %

Funktionsweise von Weichmachern

Funktionsweise von Weichmachern + - - + - + + - + - - + - + + - + - - + - + + - + - - +

Funktionsweise von Weichmachern + - - + + - - + + - - + - + - + + - - + - + + - Trikresylphosphat + - - +

Kunststoffmüll Recycling einer PET-Flasche (Versuch 5) + OH  n n + y ” + OH  n n + ” y x

Nachweis von Ethylenglykol mit Cerammoniumnitrat-Reagenz + ” y x n + n Na ” Na ” di-Natriumterephthalat Ethylenglykol Nachweis von Ethylenglykol mit Cerammoniumnitrat-Reagenz [Ce(NO3)6]2-(aq) + ROH(aq)  [Ce(OR)(NO3)5]2-(aq) + HNO3(aq)

Reduktion von Metalloxiden mit PE (Versuch 6) Cracken von PE: „C2H4“(s) 2 C(s) + 2 H2(g) Reduktion von Eisen(III)-oxid: Fe2O3(s) + 3 H2(g)  2 Fe(s) + 3 H2O(g) PE: n -2 +1  Cracken +3 +1

Schlussbetrachtung Bedeutung von Kunststoffen: Tendenz steigend Kunststoffe: ein Thema für die Schule