Polymere
Zusammenfassung
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Lernkarten
Was ist ein Polymerwerkstoff?
Werkstoff, die im wesentlichen aus makromolekularen organischen Verbindungen bestehen, synthetisch oder durch Umwandlung von Naturprodukten
was ist ein Makromolekühl
- besteht aus vielen, gleichen Grundbausteinen
- Molmassen 10^4 bis 10^7
- lineare Makromoleküle streben Knäulgestalt an, Substituenten seitlich angebunden
- Verzweigungen, Vernetzungen mgl.
- werden durch chem. oder phys. Bindkräfte zusammengehalten
Arten der Synthese
- Polymerisation
- Polyaddition
- Polykondensation
Polymerisation
Polymeraufbau unter Aufspaltung Doppelbindung zu freien Valenzen
meist unter Einsatz von Kat
ohne Nebenprodukte
z.B. Polystyren, Polyethylen, PVC, Polyacrylnitril, Plexiglas
Styrol zu polystyrol oder radikalisches Styren zu ataktischem Polystyren
Anwendung: Schaumstoff, Wärmeisolierungen
Polyaddition
Polymeraufbau unter Entstehung von stabilen Zwischenprodukten ohne Aufspaltung von nierdermolekularen Verbindungen
z.B. Polyurethan, Epoxidharze
PU: aus Hexan 1-6 diisocyanat und Butan-1,4-diol
Anwendung:Amaturen, Damenstrümpfe, Seile, Behölter, Fallschirme
Polykondensation
Polymeraufbau unter Freiwerden von niedermolekularen Verbindungen
z.B. Polyester, Polyamide, Polycarbonat
PC aus Bisphenol + Phosgen
Anwendung: CDs, Mehrweg- Getränkeflaschen
Molekulare Architektur
bestimmt Eigenschaften von Kunststoffen: biegsam, fest, elastisch, spröde
Anordnung Monomere: Homopolymere nur A: AAAAA
Copolymere, alternierend A+B: ABABAB
copolymere, statistisch A+B: AABABBBBAAAA
Blockpolymere A+B: AAAABBBB
Kettenstrucktur: linerar, verzweigt, Dentrimer, netzwerkartig
Überstrucktur und Dimensionen von Polymeren
amorph: Thermoplast, Durolast, teilkristallin Thermoplast, kristallin
→zunehmende Ordnung
eigenschaften von Polymeren
- niedrige Dichte
- Flexibilität/ Festigkeit
- niedrige Verareitungstemp.
- niedrige Leitfähigkeit
- teilweise transparent
- hohe chem. Beständigkeit gegen Säuren, Laugen, Salze(oft in LM löslich)
- Permeation und Diffusion in Gasen
- Recycling mgl.
Monomer
enthält ungesättigte Bindungen oder reaktionsfähige Endgruppen
Strukturelement
kleinste, ständig wiederkehrende Einheit
Polymerisationsgrad n
Zahl Monomere bei gleichartigen Grundbausteinen bzw. der Strukturelemente bei ungleichartigen Grundbausteinen
Grunfbaustein
dem Monomeren entsprechende Einheit im Makromolekül
Ablau der Polymerisation
- Aktivierugsenergie muss überschritten werden
- Geschwindigkeit: dc/dt = k(1-c)^n
c...Anteilumgesetzter Monomere
k... Geschwindigkeitskonstante
n...Reaktionsordung
- Reaktionschritte: 1. Startreaktion, 2. Wachstumsreaktion, 3. Abbruchreaktion
- wichtigste Reaktionsarten: radikalische und ionische Polym.
- bifunktionelle Monomere: polymerisieren zu Thermoplasten
- tri- o. mehrfunktionelle Monomere polymerisieren zu netzartigen Polymeren
- Aktivatoren, Initiatoren lösen Startreaktion aus
- Regler beenden Wachstumsreaktion
- Einstellen der Molmasse Verhältnis Startgewicht zu Wachtumsgeschw., Zahl der Aktivatoren
Radikalische Polymerisation
- wichtigste Polymerisationsart
- Aktivatoren bilden unter Reaktionsbedingungen Radikale, die Doppelbindungen der Monomere aufbrechen
- Bsp. R-O-O-R ⇔ R-O• + •O-R
- Kettenabbruch durch Radikalkombination
ionische Polymerisation
- Aktivator is Ion (ungesättigte Ringe brechen Doppel-/Dreifachbindung auf)
- Abbruchreaktion durch Verunreinigung oder Regler
- anionische oder kationische Polymerisation mgl.
Polymerisationsverfahren
- Substanzpolymerisation
mit reinen Monomeren
gewöhnlich strke Erwärmung
breite Molmassenverteilung
sehr reines Polymerisat
PS, PMMA PE- LD(Hochdruckpolyethylen)
- Lösungspolymerisation
in Lösungsmitteln (Verdünnung) bei Siedetemp. des LM
Herstellung von Lacken und Klebstoffen
- Fällungsp.
Spezialfall LM-Polym. Polsmer nicht löslich→fällt aus
PVC, PAN
- Suspensions- und Perlp.
in Dispergiermittel zu feinverteilten perlförmigen Polymeren
monomere in H2O dispergieren
Größen 0,01..1mm
Polymer nicht sehr rein
- Emulsionspolymerisation
in Dispergiermittel, Monomere dispergieren zu Tröpfchen
stabilisiert durch Emulgatoren
ordnen sich zu Micellen→ im Zentrum durch Aktivatoren ausgelöste Polymerisation der Monomere
hohe Molmassen: PVAC, PVC, ABS, SB
Homo- und Copolymerisation
- Homop. nur eine Monomerart, symmetrisch oder unsymmetrisch Kopf- kopf- Bindung: CH2-CH-CH-CH2
Kopf-Schwanz-Bindung CH2-CH-CH2-CH; bei PV- verb. überwiegend Kopf-Schwanz
- Copolymerisation, mehrere Monomerarten, statistisch, alternierend, Blöcke, homogene Kette mit gestopften Seitenketten
Zeil: Eigenschaften gezielt verändern
Ablauf Polykondensation
Reaktion mehrfunktioneller Moleküle uner Abspaltung niedermolek. Nebenprodukte (meis H2O)
- bifunktionelle Monomere ergeben unvernetzte Makromoleküle (Thermoplasten)
- ist endotherm, durch Abstellen der Wärmezufuhr angehalten, enge Molmassenverteilung
- PF, PA, PBT, PET, PC, SI
Ablauf Polyaddition
Moleküle mit 2 reaktiven Endgruppen (bifunktionelle Moleküle) reagieren mit Molekülen, die ebenfalls 2 reaktive Endgruppen besitzen
- reaktive Endgruppen: H, OH, COH, COOH, NH2, CONH2, NCO, CHOCH2
- keine abspaltung von Nebenprodukten
- EP, PUR
- keine C-C Hauptkette, C, O, N, in Hauptkette
Einteilung der Polymere
- Thermoplasten
lineare oder verzweigte Moleküle
könnenwiederholt geschmolzen oder gelöst werden
bei RT: weich bis zäh oder hart, spröde
- Elastomere:
weitmaschige Vernetzung, nicht schmelzbar, nicht löslich, quellbar, kautschukelastischer Zustand
über Quellung Grad der Vernetzung bestimmbar: quellt stark wenig vernetzt
-Duromere(- plasten):
starke Vernetzung, nicht mehr quellbar, mit zunehmender Vernetzung Werkstoff härter und spröder
Kristallisation von Thermoplasten
Makrom. können sich bei regelmäßigem und linearem Kettenaufbau in Teilbereichen an einander legen, teilkrisalline Thermoplasten
amorphe Thermoplasten
unregelmäßiger Aufbau der Makromoleküle, Knäulstruktur, transparent (organisches Glas)
Cellulosebasis Werkstoffe
- Baumwolle, Flachs, Hanf, Holz, Sroh
- Struktur: Strukturelement aus 2 Glukosemolekülen, hydroxylgruppen
- wegen starker H-Brücken ist Cellulose nicht formbar
- interessante Werkstoffgruppen: Celluloseester: Celluloseacetat, C- propionaat, C- acetobutyrat
- Besonderheiten: alle 3 amorph, thermoplastisch
enthalten Weichmacher
glasklar
hohe Zähigkeit
geringe elek.stat Aufladung
große Wasseraufnahme
nicht lebensmittelecht
Anwendug: Brillengestelle, Fahrzeugleuchten, Werkzeuggriffe, Spielwaren
Proteinbasis Werkstoffe
- aus Milcheiweiß (Casein)
- 2 alpha Aminosäuremoleküle
- Eiweißbausteine durch Vernetzungsreaktion: Umsetzung der Aminogruppe mit Formaldehyd
- Kunsthorn (mit Weichmachern): Knöpfe, Spangen, Caseinwolle
Polyolefine Werkstoffe
- Polymere aus kohlenwasserstoffen der Formel CnH2n mit Doppelbindung
- teilkristaline Thermoplasten, gute chem. Beständigkeit, elek. Isolatoren
- wichtigste Kunstoffgruppe
- Bsp. PE, PP, Polybutyln(PB), PVC, PS, Polymethylmethacrylat PMMA, POM, PC, PA, PES
Polyethylen PE
Herstellung:
Hochdruckverfahren, Polymersisation von Ethylen bei 200bar, 200°C
Niederdruckverfahren, Polymerisation durch Einleiten von Ethylen in Aufschwemmung von metallorgan. Mischkat.
Verbreiterung Eigenschaftsspektrum über Metallocenkatalyse
Eigenschaften:
unpolar
teilkristalliner Thermoplast, milchig weiß
elek. stat. Aufladbar
beständig gegen verdünnte Säuren und Laugen
nicht beständig gegen Oxitationsmittel, Kohlenwasserstoffe, Strahlenbelastung
gasdurchlässig
lebensmittelecht
leicht klebbar, verschweißbar
mit Erhöhung der Kristallinität: steigt Dichte, Wärmeformbeständigkeit, Steifigkeit, Festigkeit
Anwendung: breit gefächert
Maschinenbau
E-Technik
Bauwesen
Spielzeug
Polypropylen (PP)
- Herstellung
niederdruck-Fällungs-Polymerisation von Propen mit Zieglerkatalysatoren
- Eigenschaften
unpolar, lebensmittelecht
hohe Steifigkeit, Härte, Festigkeit
niedrige Kerbschlagzähigkeit,
neigt zur Oxitation
beständig gegen schwache Säuren
nicht beständig gegen Oxidationsmittel und KW
schlechtklebbar, gut verschweißbar
Anwendung:
Maschinen-/Fahrzeugbau
Haushalt, E-Technik
Bauwesen
Polybuten PB
Herstellung: Polymerisation von Buten 1 mit Zieglerkat
Eigenschaften: ähnlich wie PP, PE aber höhere Spannungsrissbeständigkeit, Zeitstandfestigkeit
Anwendung: Behälterauskleidung, Warmwasserleitungen, Kabelummantelung
Polyvinylchlorid PVC
Herstellung: Emulsions- Suspensions- oder Fällungspolymerisation von Vinyl-Chlorid
Eigenschaften: polar, vorwiegend amorph
gute chem. Beständigkeit, nicht beständig gegen polare Lösungsmittel
schwer entflammbar, rußend
verschweißbar, geringe Neigung zur Spannungsrissbildung
Anwendung: sehr weite Beriche: Kunstleder bis spritzgussteil, extrusionsprofil
Verbessung der Eigenschaften durch Compountieren
Polystyrol PS
Herstellung: durch Anlagern von Ethylen an Benzol und Dehydrierung überwiegend Fällungspolym.
Eigenschaften: amorph, glasklar, steif, hart, spröde
guter elek. Widerstand, physiolgisch unbedenklich, verklebbar, verschweißbar
Anwendung: Verpackungsindustrie, Leuchtmittel, e-Technik, Haushalt
Polymethylmethacrylat PMMA
Herstellung: Mehrstufensynthese aus Aceton + HCN oder Isobutylen, oder radikalische Polymerisation
Eigenschaften: amorph, glasklar mit ohem OF- Glanz, optisch hochwertig, hart und spröde, weitgehend kratzfest
Anwendung: Optik, Haushalt, Fahrzeug(Leuchten, Verglasung), Bauwessen, E-technik, Werbetechnik
Polyoxymethylen POM
Herstellung: Polymerisation von Formaldeyhyd
Eigenschaften: hochkristallin, hohe härte, Steifigkeit, Festigkeit
gutes Gleit- und Abreibverhalten, schlecht verklebbar
Anwendungen: Feinwerktechnik, Laufräder, Lager, Gletelemente, Möbelindustrie
Polycarbonat PC
Herstellung: durch Polykondensation Aceton + Phenol
Eigenschaften: gute Isoliereigenschaften, Wärmeformbeständigkeit (bis 130°C), weitgehend amorph, transparent, physiologisch unbedenklich
Anwendung: E- Technik, Optik, Feinwerktechnik, Haushaltsartikel
Polyamid PA
Herstellung: 2 Ausgangstoffe über Polykondensation z.b. Diamin + Dicarbonsäure
Eigenschaften: gute Festigkeit, hohe Zähigkeit, gute Gleiteigenschaften, Verschleißwiederstand
kaum elektrostat. nicht beständig gegen Mineralsäuren, starke Laugen,
verklebbar, verschweißbar, teilkristallin
Anwendung: vielseitiger Konstruktionswerkstoff, Maschinenbauelemente, Medizintechnik, Sanitärtechnik, Möbelindustrie, Etechnik
Polyeter PET
Herstellung: Polykondensation aus Dicarbonsäure mit Diolen
Eigenschaften: gute Maßhaltigkeit, hohe Zeitstandfestigkeit, gute Gleit- und Verschleißverhalten, amorph und teilkristallin. PBT: hochkristallin
Anwendung: Feinwerktechnik, Gleitlager, Zahnräder, Haushaltsgeräte, Folien
Duromere Werkstoffe
- Netzwerke
- nach Kettenbildung noch vernetzungsstellen durch Doppelbindungen oder seitenständige reaktive Gruppen vorhanden
- Vernetzungsreaktion meist stufenweise: erst thermoplastisches oder flüssiges Vorprodukt, nach Zugabe Reaktionsfähigersubstanzen in Wärme vernetzt
- Form irreversible
- Vernetzung führt zu höherer Festigkeit, höherem Emodul, höherer Härte und therm. stabilität im Vgl zu Thermoplasten
- Duroplast meist gefüllt oder verstärkt
- in hausgehärtetem zustand unlöslich und unschmelzbar
was ist ein Blend?
durch Mischen unterschiedlicher Harze, oder durch Mischen von Harzen mit Thermoplasten oder Elastomeren gezielte Verbesserung bestimmter Eigenschaften
Phenoplaste PF
Pheno-Formaldehydharz
Polykondensation mit Phenol und Formaldehyd
Eigenschaften: meist gefüllt mit: Holzmehl, Zellstoff, Baumwollfasern, gewebeschnitzel, Mineralfasern →Erhöht Kerbschlagzähigkeit, Glimmer verbessert elek. Isoliereigenschaften
Anwendung: ETechnik, Haushaltsgeräte, Bauwesen, Bürogeräte und - maschinen
Aminoplaste
Herstellung: Polykondensation der Komponenten (Melamin-Formaldehyd)
Eigenschaften: gefüllt mit Holzmehl, mineralischenKurzfaser, Gesteinsmehl, Zellstoff → erhöhte Wärmeformbeständigkeit, verbesserte elek. Isoliereigenschaften
Anwendung: E-Technik, Haushaltsgeräte, Sanitätgegenstände, Küchenmöbel
