Abbaumechanismen von Kunststoffen

Präsentation zum Thema: "Abbaumechanismen von Kunststoffen"—  Präsentation transkript:

1 Abbaumechanismen von Kunststoffen
J. K. Fink Institut für Chemie der Kunststoffe, Montanuniversität Leoben

2 Arten des Abbaus von Kunststoffen
Hauptkette: Zerstörung von makromolekularen Strukturen und damit der Verlust der für Makromoleküle typischen Eigenschaften, gewollt und ungewollt. Seitenkette: Seitenketten können abgespalten werden.

3 Klassifizierung nach den Ursachen des Abbaus
Abbau durch Wärme Pyrolytischer Abbau Thermooxidativer Abbau Abbau durch energiereiche Strahlung Abbau durch Licht Abbau durch Röntgen- oder Gammastrahlung

4 Klassifizierung nach den Ursachen des Abbaus
Abbau durch Chemikalien Hydrolyse: UP Alkoholyse: PU Ozonolyse Industriechemikalien Chemikalienbeständigkeit ist tabelliert

5 Spaltung M*  R1 + R2. Norrish Typ I Prozeß:
M* angeregte Spezies R1., R2. Radikale Norrish Typ I Prozeß: R1-CO-R2 + hn  R1-CO. + R2 Norrish Typ II Prozeß: R1-CO-CH2-CH2-CH2-R2 + hn  R1-CO-CH3 + CH2=CH-R2

6 Abbau durch Organismen Abbau von synthetischen Polymeren durch Mikroorganismen
Standardtests des Abbaus von synthetischen Polymeren mit Mikroorganismen Die meisten Polymeren sind gegen den Angriff durch Mikroorganismen stabil. Biodegradierbar sind Polymere mit Gruppen, die in der Natur vorkommen: aliphatische Polyester, Polyether, Polyurethane, Polyamide

7 Abbau durch Organismen Enzyme spalten Hauptketten in natürlichen Polymeren
Vorkommen Kohlenhydrate Amylase Amylose Malz, Hefe Cellulase Cellulose Bakterien Proteine Pepsin Magen Trypsin Bakterien

8 Abbau durch Organismen Höhere Organismen
Verbiß von Tieren Vandalismus

9 Abbau Mechanischer Abbau
Scheren in Lösung bei polymeren Schmiermitteln Ultraschall Anwendungen: früher Mastifizierung von Naturkautschuk, Synthese von Copolymeren

10 Wechselwirkung von Kunststoffabbau und Metall-Korrosion
Spuren von bestimmten Metallen im Kunststoff können durch Redox-Reaktionen einen verstärkten Abbau der Kunststoffe herbeiführen Deswegen Zusatz von Metalldesaktivatoren Schlecht ausgehärtete Reaktionsharze können reaktive Gruppen enthalten, die im Kontakt mit Metallen diese schädigen können

11 Klassifizierung nach den Abbau-Bedingungen
Abbau bei der Herstellung PVC muß stabilisiert werden Abbau bei der Verwendung Das Material muß dem Anforderungsprofil entsprechen. Einsatz im Freien, bei erhöhter Temperatur Abbau von ausgedientem Material Entsorgung durch Pyrolyse, Verbrennen, Verhalten in der Deponie

12 Analytische Techniken
Beginnender Abbau Molmassenbestimmung, Differential Scanning Calorimetry, Differentialthermoanalyse, Thermogravimetrie Analyse von Abbauprodukten Gaschromatographie, Massenspektrometrie, Infrarotspektroskopie, kernmagnetische Resonanz

13 Mechanismen des Abbaus, Reaktionen
Abbau der Hauptkette Abbau der Seitenkette Depolymerisation Cyclisierung Vernetzung Initiierung Random Scission

14 Mechanismen des Abbaus, Reaktionen
Zufällige Spaltung im Inneren der Kette Weak Links Heteroatome in der Kette, Verzweigungen, Kopf-Kopf-Verknüpfungen Reißverschlußmechanismus

15 Brennen von Kunststoffen
Aufheizen Abbau der Kette Flüchtige Produkte Gasphasenoxidation Thermische Rückkopplung Zurück zu Schritt 1.

16 Bindungsenergien Bindung E/kJ/mol O-O 147 C-H 320 - 420 C-C 260 - 400
C-O 330

17 Ceiling Temperature Freie Bildungsenthalpie des Polymeren aus dem Monomeren : DG(g,c) = = D G(P,c) - D G(M,g) – RT*ln(pM/p0)

18 Standardpolymersiationsenthalpien und -entropien für verschiedene Monomere
Zustand- DH0[kJ/mol] -DS0[J/(K*mol)] Ethen g,c 110 174 Propen l,c 84 109 Styrol l,a 75

19 Freie Bildungsenthalpien in Inkrementen
Gruppe DG0f(T) [J/mol] -CH3 *T -OH * T -CH2- * T -COOH * T =CH2 * T -COO- * T =CH- * T -Cl * T 6-Ring * T -CH2* * T Aromat * T -NH2 *T

20 Kinetik des Abbaus Unimolekularer Abbau Statistischer Abbau
Abbau schwacher Bindungen P  2 P. Bimolekularer Abbau Bildung von thermolabilen Gruppen P. + O2  PO2

21 Ausbeute an Monomeren 510 Polymer Halbwertszeit von 30 min. bei [°C]
Monomer-ausbeute % bei  °C Polyoxymethylen - 100 Polytetrafluorethylen 510 96 Polymethylmethacrylat 330 95 Polystyrol 360 41 Polyethylenoxid 350 4 Polyethylen 1 Polypropylen 400 Polyvinylchlorid 260 Polyvinylacetat 270

22 Van Krevelen-Diagramm