Kunststoffe - entstehung von kunststoff

KUNSTSTOFFE Trivialname: Plastikbr / Vor 100 Jahren begannen Chemiker natürliche Makromoleküle wie Cellulose oder Proteine als halbsynthetische Kunststoffe für den Menschen nutzbar zu machen. Celluloid, Viscose und Kunsthorn waren die ersten Erfolge. Der erste vollsynthetische Kunststoff war 1909 Bakelit.
Hermann Staudinger untersuchte den Aufbau von Kunststoffen, gleichzeitig gab es eine Suche nach Ausgangsstoffen für die Kunststoffsynthese. Verschiedenste Arten von Makromolekülen, die auch technisch zu verwenden waren, wurden gefunden. Kunststoff entwickelte sich nach dem Zweiten Weltkrieg zu einem Massenprodukt. In den letzten zwanzig Jahren hat eine Wende in der Kunststoffchemie stattgefunden, Spezialkunststoffe werden immer wichtiger. Wie zum Beispiel: Kunststoffe, die sich als Stromleiter eignen; Licht sammelnde Kunststoffe; Makromoleküle, die die Funktion von Biomembranen übernehmen.
Herstellung: Durch Umwandlung von Naturstoffen (Zellulose) oder künstlich aus verschiedenen chemischen Grundstoffen, die vor allem in Kohle, Erdöl und Erdgas enthalten sind.
Verwendung: Kunststoffe sind vielseitig verwendbar. Sie lassen sich bei der Synthese mit gewünschten Eigenschaften erzeugen. Zudem ist ihre Erzeugung sehr preisgünstig.
Eigenschaften: Es gibt weiche, elastische, spröde und zähe Kunststoffe. Einige sind in organischen Lösungsmitteln löslich, andere quellen nur auf und die dritte Gruppe ist ganz unlöslich. Die meisten Kunststoffe haben eine sehr geringe Härte. Der Vorteil von vielen Kunststoffen ist ihre hohe Dehnbarkeit. Zudem weisen sie eine geringe Dichte auf, ihre Wärmeleitfähigkeit ist gering und die Schalldämpfung groß. Jedoch sind ihre Eigenschaften sehr stark temperaturabhängig. Bei niedrigen Temperaturen werden sie meistens sehr spröde, bei höheren hingegen nimmt ihre Festigkeit ab.
Das Makromolekülkonzept: Mitte des vorigen Jahrhunderts gab es die Vorstellung, dass Naturstoffe aus Riesenmolekülen zusammengesetzt sind. Der Chemiker Williams fand heraus, dass Kautschuk aus kettenförmigen Molekülen, die ihrerseits aus Isopren-Einheiten zusammengesetzt sind, besteht.
Die Kolloidchemie, die bei der Untersuchung von Seifenlösungen größere Teilchenaggregate fanden, die nicht durch Elektronenpaarbindungen, sondern durch zwischenmolekulare Bindungen zusammengehalten wurden, ersetzte diese erste Hypothese.
1920 griff Staudinger wieder auf die ursprüngliche Idee zurück. Er hydrierte Kautschuk und konnte nachweisen, dass der Naturkautschuk auch in hydrierter Form hochmolekular vorliegt. (Die Kolloidchemie hingegen glaubte, Kautschuk würde in kleine Einheiten zerfallen.) So konnte Staudinger beweisen, dass Kautschuk selbst aus Riesenmolekülen aufgebaut ist. Er prägte den Begriff des Makromolekül. Seine Vorstellung davon war ein stäbchenförmiges Riesenmolekül, das aus gleichartigen Bausteinen besteht.
Wiederverwertung: Auch Recycling genannt. Das Problem der Wiederverwertung ist ein Sortenproblem, denn die Wiederverwertung gelingt nur dann gut, wenn es sich nur um Kunststoffabfall handelt ohne Verunreinigungen. Sortenreine Kunststoffe werden zerkleinert, gemahlen und zusammen mit Neumaterialien zu hochwertigen Produkten verarbeitet. Jede Verunreinigung mindert die Qualität des Recyclingprodukts. Selbst Gemische ähnlicher Kunststoffsorten sind weniger vielfältig einsetzbar.(Bsp.: Müllsäcke aus Recycling-Polyethylen)
Die Verwertung von gemischten Kunststoffabfällen ist noch aufwendiger. Die zerkleinerten Kunststoffe werden in einem Hydrozyklon nach ihrer Dichte getrennt, um dann wiederverwertet zu werden. Ohne Trennung der Mischabfälle können nur Produkte für den Garten- und Landschaftsbau erzeugt werden, z.B.: Blumenkübel, Parkbänke, Fahrbahnabgrenzungen.
Verbrennung: Stark verschmutzte Kunststoffe können nach dem heutigen Stand der Technik nur verbrannt werden. Es handelt sich dabei um Energierecycling, denn Kunststoffe haben einen höheren Heizwert als der andere Müll, folglich muss weniger Heizöl verbraucht werden. Hierbei muss aber die Entstehung der gefährlichen Gase berücksichtigt werden, deshalb müssen in den entsprechenden Müllverbrennungsanlagen Luftfilter eingebaut werden, um so die Abgase zu entfernen und zu neutralisieren.
Pyrolyse: Kunststoffe werden unter Ausschluß von Luft auf eine Temperatur von 700°C erhitzt, die Makromoleküle zerfallen in kleinere Bruchstücke. Die entstehenden Stoffe lassen sich durch Destillation trennen, werden in der chemischen Industrie weiter eingesetzt.
Hydrierung: Kunststoffe werden zerkleinert und bei 500°C und 400 bar mit Wasserstoff zu Benzinen und Heizöl umgesetzt.
Etwa 7% des Hausmülls besteht aus Kunststoffabfällen, insgesamt kommen 50 verschiedene Kunststoffarten darin vor. Da die Trennung des Hausmülls von den Kunststoffabfällen mit der Hand erfolgen müsste, und das sehr unwirtschaftlich ist, entwickelte man ein Verfahren, um Kunststoffabfälle aus den Haushalten ohne Trennung zu verarbeiten. Der Müll wird zerkleinert, geschmolzen und dann zu Granulat verarbeitet. Verarbeitung für Palisaden für Gartenanlage, Lärmschutzwände.
Biologischer Kunststoff: Wird von lebenden Bakterien im Boden gebildet. Diese Bakterien verwenden die Makromoleküle als Energiespeicher. Polyhydroxybutansäure (PHB) ist ein Biokunststoff. Gehört zu den Polyestern und enthält als Baustein 3-Hydroxybutansäure. Ist jedoch verhältnismäßig spröde und schwierig zu verarbeiten, da er bei hohen Temperaturen sich schnell zersetzt.
Biochemikern ist es gelungen ein Bakterium herzustellen, dass ein Makromolekül erzeugt, das aus Hydroxybutansäure und Hydroxypentansäure besteht. Dieser Biokunststoff heißt Biopol. Er läßt sich leicht verarbeiten und ist vielseitig einsetzbar, z.B.: Verpackungsmaterial, Nahtmaterial in der Medizin, Mikrokapsel für Medikamente, Einwegwindel. Zur Zeit ist dieses Produkt jedoch relativ teuer.
Entstehung von Kunststoff
Monomere (kleine Moleküle) sind zur Bildung von Makromoleküle notwendig. Sie müssen Mehrfachbindungen oder mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen. Die Verknüpfung zu Polymeren kann durch drei verschiedene Polyreaktionen erfolgen:
Polykondensation: Produkt heißt Polykondensat
Monomere mit zwei funktionellen Gruppen im Molekül (Bsp.: Hydroxl - Gruppe, Carboxyl - Gruppe, Amino - Gruppe) verknüpfen sich zunächst zu Dimeren, durch weitere Kondensation entstehen letztlich Makromoleküle. Es spalten sich dabei aus zwei miteinander reagierende funktionellen Gruppen kleinere Moleküle ab.
Bei bifunktionellen Monomere führt die Polykondensation zu lineare, thermoplastische Makromoleküle ( = Plastomere; bestehen aus linearen, wenig verzweigten Molekülen unterschiedlicher Länge; sie können erweichen und schmelzen; lasse sich in jede Form pressen; nach dem Erkalten ein fester Zustand; auch beim Erhitzen und Schmelzen verändern sich die Makromoleküle nicht).
Bei trifunktionellen Monomeren bilden sich dreidimensional vernetzte Duromere (werden bei hohen Temperaturen nicht weich oder flüssig; netzartige Struktur der Makromoleküle; bei sehr hohen Temperaturen zerreißt dieses Netz, der Kunststoff zersetzt sich)
Polymerisation: Polymerisate
Ungesättigte Monomere und C=C Zweifachbindungen (als funktionelle Gruppe). Ist eine Kettenreaktion, die durch Initiatoren (Radikale, Ionen) ausgelöst wird. Bei der Reaktion eines Monomer und eines Radikal entsteht wieder ein Radikal. Die Kette wird durch Anlagerungen weiterer Monomere verlängert. Die Kettenlänge wird durch Regler - Moleküle beeinflusst. Es bilden sich thermoplastische Kunststoffe.
Polyadditon: Polyaddukte
Für die Additonsreaktion braucht man Monomere, die innerhalb ihrer funktionellen Gruppe eine Zweifachbindung besitzen, an die sich ein zweites bifunktionelles Molekül addieren lässt.
Bifunktionelle Monomere führen zu Plastomeren. Trifunktionelle Monomere ergeben Duromere