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Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen)

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André Otto
Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen)
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen)

In diesem Video geht es um die Eigenschaften von Kunststoffen. Dazu wird zuerst die Anforderungen an die Eigenschaften des Kunststoffes eingegangen und dann wird erklärt wie diese Eigenschaften durch Änderung der molekularen Struktur erhalten werden können. Im Anschluss werden einige Kunststoffe (Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid) näher vorgestellt, bevor zum Schluss das Recycling und der Abbau näher betrachtet werden.

Transkript Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen! Dieses Video heißt "Eigenschaften von Kunststoffen (Leistungskurs)", der Film gehört zur Reihe "Kunststoffe". Als notwendige Vorkenntnisse solltest du das chemische Wissen bis zur 10. Klasse mitbringen. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video die grundlegenden Vorstellungen über die Eigenschaften von Kunststoffen zu vermitteln. Der Film ist in 7 Abschnitte untergliedert: 1. Anforderungen an einen Kunststoff, 2. Eigenschaften und ihre Veränderungen, 3. Polyethylen, 4. Polystyrol, 5. Polyvinylchlorid, 6. Recycling und Abbau und 7. Zusammenfassung.

  1. Anforderungen an einen Kunststoff Bei Kunststoffen handelt es sich um künstliche Polymere. Für einen Kunststoff sind kostengünstige Herstellung und ein damit verbundener annehmbarer Preis wichtig. Als Konstruktionsmaterial soll ein Kunststoff über gute Gebrauchseigenschaften verfügen. Wichtig ist eine gute Verarbeitbarkeit des Rohmaterials und schließlich sind Recycling und biologischer Abbau von großer Bedeutung. Die letzten drei Punkte wollen wir im Video erörtern. Zu Herstellung und Preis möchte ich einige Worte sagen. Kunststoffe werden großtechnisch, wie in dieser Fertigungsanlage, produziert. Für die ungefähren Preise habe ich für den September 2011 folgende Werte im Internet gefunden. Zunächst für Standardkunststoffe, das sind zum Beispiel Polyethylen oder PVC: Eine Tonne kostet zwischen 1100 und 1600 Euro. Die Preise für technische Kunststoffe, zu ihnen gehört Plexiglas, sind höher: 2500 bis 3500 Euro pro Tonne.

  2. Eigenschaften von Kunststoffen und ihre Veränderungen Kunststoffe haben gute Gebrauchseigenschaften. Sie sind leicht, spanbar pressbar und korrosionsbeständig. Kunststoffe sind beständig gegen Säuren und Basen, außerdem sind sie beständig gegen Wasser. Sie sind schlechte Wärmeleiter. Kunststoffe sind elektrische Isolatoren. Einige Kunststoffe sind recycelbar, jedoch nur ein kleiner Teil lässt sich biologisch abbauen. Ein großer Nachteil der meisten Kunststoffe ist ihre geringe mechanische Festigkeit. Man kann sie jedoch mit Zusatzstoffen vermischen. Im Ergebnis erhält man eine verbesserte Stabilität. Manche Kunststoffe sind spröde und hart, daher werden ihnen Weichmacher zugegeben. Im Ergebnis werden sie weich und verarbeitbar. Die meisten Herstellungsverfahren für Kunststoffe liefern Moleküle unterschiedlicher Kettenlänge. Im Ergebnis gibt es keine exakte, sondern eine mittlere molare Masse. Daher schmelzen Kunststoffe nicht scharf, sondern in einem Intervall. Es ist möglich, durch eine gezielte Synthese das Schmelzintervall einzuengen. Interessant für Verarbeitung und die Gebrauchseigenschaften sind Polymere mit einer regelmäßigen Struktur. Moleküle solcher Kunststoffe bezeichnet mal als isotaktisch. Sie sind das Ergebnis einer gezielten Synthese. Ein hoher isotaktischer Anteil führt zu einem hohen Kristallinanteil. Das bedeutet für den Kunststoff gute Verarbeitungseigenschaften. Zwischen den Molekülketten, den Kunststoffen, können unterschiedlich viele Bindungen vorliegen. Zum Beispiel gar keine oder einige wenige, eine größere Anzahl oder sehr viele. Wir sprechen hier vom Vernetzungsgrad, der von links nach rechts wächst. Von der Tendenz her erhält man Elastomere, Thermoplaste oder Duroplaste. Bei geringer Vernetzung haben wir Gummi. Thermoplaste sind mehrfach formbar, Duroplaste sind nach dem Aushärten nicht mehr verformbar. Kunststoffstücke besitzen keine glatte Oberfläche. Sie weisen Vertiefungen und Aushöhlungen auf. Dort können sich bei einigen Kunststoffen Lösungsmittelteilchen einlagern. Der Kunststoff wird größer, er quillt auf. Den Vorgang bezeichnet man als Quellen. Mitunter erfolgt bei Lösungsmittelzugabe zu einem Kunststoff eine Auflösung. Es bildet sich keine echte, sondern eine kolloidale Lösung. Manche Kunststoffe werden von Säuren und Basen angegriffen und fast alle von oxidierenden Stoffen. Die dargestellten Prozesse sind stark vom Kunststoff abhängig, bis auf den mit * markierten Prozess sind sie eher selten.

  3. Polyethylen Der Kunststoff Polyethylen hat diese Formel. Viele Gebrauchsgegenstände, wie zum Beispiel diese Flasche, werden aus Polyethylen gefertigt. Polyethylen ist etwas leichter als Wasser. Man kann es kristallin herstellen. Polyethylen ist milchig trüb. Es schmilzt in einem Bereich von 130 bis 145 °C. Polyethylen ist beständig gegenüber Säuren, Laugen, Öl, Alkohol und Benzin. Polyethylen nimmt kaum Wasser auf. Bei Temperaturerhöhung ist Polyethylen in 1,2,4-Trichlorbenzol und in Xylol löslich. Polyethylen kann verspant und umgeformt werden.

  4. Polystyrol Das ist die Formel von Polystyrol. Viele Gebrauchsgegenstände und Verpackungsmaterial werden aus Polystyrol gefertigt. Polystyrol ist physiologisch unbedenklich. Seine Dichte liegt bloß leicht über der von Wasser. Frisch synthetisiertes Polystyrol ist glasklar. Polystyrol schmilzt höher als Polyethylen, zwischen 240 und 270 °C. Es ist unempfindlich gegenüber heißem Wasser. Polystyrol ist beständig gegenüber Laugen und Alkoholen. Organische Lösungsmittel greifen Polystyrol an, wie Ester, Ether, Ketone und Kohlenwasserstoffe. Der Kunststoff kann gut umgeformt werden, wie zum Beispiel durch Spritzguss. Polystyrol ist vollständig wiederverwendbar. Bei seiner Verbrennung bilden sich ausschließlich Kohlenstoffdioxid und Wasser.

  5. Polyvinylchlorid, kurz: PVC Das ist die Formel von Polyvinylchlorid. Es ist ein klassischer Rohstoff, wird heute für viele Sachen verwendet, wie für dieses Rohr und auch noch für Schallplatten. Im Unterschied zu Polyethylen ist PVC amorph und spröde, um das zu umgehen, werden Weichmacher zugesetzt. PVC ist klar schwerer als Wasser. Frisch hergestellt erhält man ein weißes Pulver. Durch Wasser wird PVC kaum verändert. Löslich ist es in Aceton und Ester. PVC ist beständig gegenüber Alkalien, Säuren und Benzin. Der Kunststoff ist schwer entflammbar, einmal in Brand gesetzt entwickeln sich Chlorwasserstoff, Dioxin und aromatische Verbindungen. PVC ist nicht biologisch abbaubar.

  6. Recycling und Abbau Aus Kunststoffen werden verschiedene Gebrauchsgegenstände gefertigt, diese altern und gehen entzwei. Wir sind umweltbewusst und überlassen sie nicht der Natur. Eine Möglichkeit der Entsorgung ist das Recycling. Hier gibt es die Möglichkeit, den Rohstoff durch Pyrolyse rückzugewinnen. Es bilden sich Kohlenstoffmonoxid, Benzol, Chlorwasserstoff, Aromaten sowie C1 bis C2 Moleküle. Ich habe hier den Fall für PVC skizziert. Alternativ ist es möglich, über Recycling direkt den Werkstoff zu gewinnen, das ist für Polyethylen gut möglich. Neben dem Recycling ist der biologische Abbau möglich, er erfolgt durch Kompostieren. Die Zersetzung besorgen Mikroorganismen. Gut geeignet für Kompostieren sind halbsynthetische Polymere, wie Celluloseacetat. Der Anteil an biologisch abgebauten Polymeren betrug 2007 weniger als 1 Prozent. Auch das Verbrennen zählt zum Recycling. Es ist billig, setzt jedoch Schadstoffe frei.

  7. Zusammenfassung Für die Verwendung von Kunststoffen sind einige Faktoren wichtig: Herstellung, Preis, Gebrauchseigenschaften, Verarbeitbarkeit, Recycling und biologischer Abbau. Bis auf den letzten Punkt sind alle Bedingungen zufriedenstellend erfüllt. Kunststoffe sind leicht, sie sind Isolatoren und schlechte Wärmeleiter. Kunststoffe sind formbar. Im Video habe ich die Kunststoffe Polyethylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid vorgestellt. Kunststoffe sind streng genommen Stoffgemische und schmelzen daher nicht scharf. Wasser kann den meisten Kunststoffen nichts anhaben, auch Säuren und Laugen vertragen die meisten Kunststoffe. Bei den organischen Lösungsmitteln gibt es schon gewisse Ausnahmen. Der Vernetzungsgrad von Kunststoffen bestimmt ihre Eigenschaften. Es gibt Elastomere, Thermoplaste und Duroplaste. Zu bestimmten Kunststoffen muss man Weichmacher zusetzen. Recycling und biologischer Abbau sind in wichtigen Punkten schon gelöst, allerdings sind diese Probleme noch entwicklungsfähig.

Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen!

5 Kommentare

5 Kommentare
  1. Ja.

    Von André Otto, vor mehr als 3 Jahren
  2. hallo bist du lehrer

    Von Fabio M., vor mehr als 3 Jahren
  3. Ah okay :)

    Von Easyfreezy, vor mehr als 9 Jahren
  4. Ich habe lediglich die Tendenzen dargestellt. In manchen Büchern wird es allerdings auch so abgebildet, wie du es vorschlägst.

    Alles Gute

    André Otto

    Von André Otto, vor mehr als 9 Jahren
  5. Ich glaube bei 4:23 wurden die Begriffe Elastomere und Thermoplaste über den Abbildungen vertauscht...

    Von Easyfreezy, vor mehr als 9 Jahren

Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eigenschaften von Kunststoffen (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne wichtige Eigenschaften von Kunststoffen.

    Tipps

    Kunststoffe sind mechanisch bearbeitbar.

    Kunststoffe haben keine metallischen Eigenschaften.

    Kunststoffe leiden nicht unter den Mängeln unedler Metalle.

    Kunststoffe erinnern in ihren Eigenschaften an langkettige organische Verbindungen.

    Lösung

    Kunststoffe sind organische Verbindungen und damit leicht:

    Genau wie die Alkane und Halogenalkanen können Luft und Wasser den Kunststoffen nichts anhaben. Sie sind korrosionsfest.

    Von Ausnahmen, wie Teflon, abgesehen, sind Kunststoffe, wie die meisten organischen Verbindungen, nicht temperaturbeständig.

    Da die Moleküle der meisten Kunststoffe nicht über ausgedehnte delokalisierte Elektronensysteme verfügen, sind sie schlechte Wärmeleiter und elektrische Isolatoren. In der Regel besitzen die Moleküle der Kunststoffe keine farbgebenden oder farbverstärkenden Gruppen. Sie sind daher nicht farbig.

  • Ordne die Eigenschaften den Kunststoffen zu.

    Tipps

    Die Dichten genügen der Abfolge: unsubstituiert < großer Substituent < kleiner Substituent

    Ätzende Stoffe greifen viele Kunststoffe nicht an.

    Lösung

    Die Dichten betragen 0,87 - 0,97 (PE), 1,05 (PS) sowie 1,2 - 1,4 (PVC), in Gramm pro Kubikzentimeter. Der höhere Wert von PS im Vergleich zu PE erklärt sich aus dem dominierenden aromatischen Anteil im Kunstoff PS. Die Dichte des PVC ist noch größer. Hauptursache dafür ist die höhere Masse eines Chlor-Atoms im Vergleich zu einem Wasserstoff-Atom.

    PE schmilzt bei 130-145°C, PS bei 240-270°C. Der Unterschied ist das Ergebnis der stärkeren zwischenmolekularen Wechselwirkung zwischen aromatischen Molekülen im Vergleich zu aliphatischen Teilchen.

    Alle drei Kunststoffe sind stabil gegenüber Laugen. Das ist bei PE und PS nicht verwunderlich. Bei PVC ist diese Tatsache nicht selbstverständlich und sie verdient eine spezielle Diskussion.

    Die Anfälligkeit von Polystyrol gegenüber Benzin ist offensichtlich auf einen Bruch der zwischenmolekularen Bindungen zurückzuführen. Daher löst auch Xylol beim Erwärmen PE.

    PVC liefert beim Verbrennen Chlorwasserstoff und das sehr starke Gift Dioxin.

  • Zeige wichtige Probleme beim Recycling von Kunststoffen auf.

    Tipps

    Die Grundlage für einen Kunststoff wächst in der Natur.

    Halogenoxide sind schwer herstellbar.

    Die geringe Dichte von Schaumkunststoffen ist nicht immer von Vorteil.

    Lösung

    Bis auf Celluloseacetat sind alle genannten Kunststoffe nicht biologisch abbaubar (kompostierbar). Dennoch gibt es massive Unterschiede.

    Polyethylen:
    Die Verbrennung führt zu Kohlenstoffdioxid und Wasser. So widersinnig es klingen mag, wird Polyethylen aus Bioethanol über die Stufe Ethylen hergestellt, so spricht man ganz offiziell von Biokunststoff. Achtet beim Erwerb von Einkaufstaschen einmal darauf. Vielleicht kommt euch ein solches Bioprodukt unter.

    Polyvinylchlorid:
    Eigentlich gehört dieser Kunststoff ins Museum. Aber weil er so schön billig ist und nicht verrottet, wird er nach wie vor in riesigen Mengen hergestellt. Weichmacherzusätze sind ein gravierender Mangel. Daneben wird bei der Verbrennung Chlorwasserstoff frei. Das allerschlimmste aber ist, dass eben dieser Chlorwasserstoff bei der Verbrennung autokatalytisch wirkt. Die Verbrennung wird noch beschleunigt. Also: Keine Dinge aus PVC in die Wohnung stellen! Gartenschläuche sind ein anderer Fall.

    Polystyrol:
    Klar, dass die Flamme hier rußend ist. Denn der aromatische Anteil ist hoch und damit auch der Gehalt an Kohlenstoff. Entsprechend brennt der Kunststoff auch schlechter als PE und PVC und es ist kein Wunder, dass bei der Verbrennung Styrol freigesetzt wird. Schaumplast hat eine sehr geringe Dichte. Daher können nur geringe Massen transportiert werden. Das bringt wirtschaftliche Unkosten mit sich und es entsteht ein Transportproblem.

  • Berechne die Wertsteigerung bei der Fertigung von Acrylglas aus Polymethylmethacrylat.

    Tipps

    Als Vereinfachung wird angenomen, dass:

    V (Acrylglases) = V (PMMA)

    Das Formelzeichen für die Dichte ist $\varrho$, ausgesprochen roh.

    Der Preis für PMMA ist das Produkt aus der Masse von PMMA und dem Preis für eine bestimmte Masse.

    Lösung

    Das Ergebnis errechnet sich als Differenz des Preis für Acrylglases und des Preises für PMMA.

    Das Volumen des PMMA (in $m^3$) errechnet sich durch Multiplikation von 800 $m^2$ und der Stärke (0,006 *m). Man erhält 4,8 $m^3$. Durch Multiplikation mit der Dichte von 1190 $\frac{kg}{m^3}$ ergibt sich eine Masse von 5712 kg. Durch weitere Multiplikation mit dem Preis von 2,5 $\frac{Euro}{kg}$ ergeben sich 14280 Euro für den Preis des PMMA.

    Der Preis für Acrylglas ergibt sich durch Multiplikation des Quadratmeterpreises von 51 Euro mit der verkauften Fläche von 800 $m^2$. Man erhält 40800 Euro. Man nimmt an, dass die Volumina von Acrylglas und PMMA gleich sind.

    Und schließlich die Schlussrechnung:
    Wertsteigerung = 40800 Euro - 14280 Euro = 26520 Euro

  • Benenne die Nachteile von Kunststoffe.

    Tipps

    Viele Kunststoffe besitzen ein starres makromolekulares Gerüst.

    Für gewisse Anwendungen ist Biegsamkeit des Materials erforderlich.

    Überlege, ob typische organische Verbindungen mit Wasser reagieren.

    Lösung

    Die meisten Kunststoffe sind natürlichen organischen Verbindungen nicht ähnlich. Sie sind daher nicht biologisch abbaubar.

    Sie sind nicht biegsam. Ausnahmen sind Naturgummi und synthetischer Gummi. Möchte man zum Beispiel PVC biegsam machen, muss man Weichmacher hinzugeben. Heute weiß man, dass das gesundheitlich nicht unbedenklich ist.

    Die meisten Kunststoffe sind verformbar und damit zerspannbar. Diese Eigenschaft ist ein Vorteil der Polymere. Kunststoffe sind weich. Das ist für den technischen Gebrauch nachteilig. Wichtig: Weich bedeutet nicht unbedingt elastisch. Einfach gesprochen werden weiche Feststoffe durch härtere Feststoffe geritzt.

    Kunststoffe sind nicht wasserempfindlich. Sonst wäre so manche Plasiktschüssel bald hinüber. Natürlich gibt es auch von dieser Regel Ausnahmen. Ein Großteil der Polymere ist spröde. Ein fester Block kann zerbrechen. Offensichtlich reichen die Länge der Polymerketten und die dazwischen wirkenden Kräfte nicht aus, um Materialbruch zu verhindern.

  • Stelle den Zusammenhang zwischen Dichte und strukturellem Aufbau von PE und PVC dar.

    Tipps

    Chlor besitzt die Ordnungszahl 17. Wasserstoff hat die Ordnungszahl 1.

    Was bedeuten diese unterschiedlichen Ordnungszahlen in Bezug auf molare Masse und Platzbedarf?

    Je weiter hinten ein Element im PSE steht, desto mehr Protonen und Elektronen besitzt es. Es wird also schwerer (auch innerhalb der Hauptgruppen).

    Lösung

    Die Dichte ist der Quotient aus Masse und Volumen. Wir haben somit die Massen (molaren Massen) und die Volumina (molekulare Volumina) der beteiligten Moleküle zu betrachten. Wir vergleichen die molaren Massen von PE und PVC und den Faktor, um von PE zu PVC zu gelangen. Ihr müsstet hier 28 $\frac{g}{mol}$, 62,5 $\frac{g}{mol}$ und als Quotient des größeren durch den kleineren Wert etwa 2,23 erhalten haben. Mit diesem Ergebnis wird dann die Dichte von PE multipliziert.

    Die Berechnung der Molekülvolumina ist ungleich schwerer. Als Näherung wurde hier 1,7 für das Verhältnis von PVC zu PE benutzt.

    Multipliziert man nun die Werte für die Untergrenze (0,87) und die Obergrenze (0,97) der Dichte (alle in $\frac{g}{cm^3}$) für PE mit 2,23 und dividiert durch 1,7), so erhält man Dichtewerte von 1,14 und 1,27 für PVC.

    Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten von 1,2 und 1,4. Es lässt sich schlussfolgern, dass die makromolekularen Ketten von PE und PVC ähnlich angeordnet sind; so sollte in beiden Fällen der Freiraum zwischen den Molekülen vergleichbar groß sein.

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