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Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen)

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

Beschreibung Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen)

In diesem Video geht es um die Eigenschaften von Kunststoffen. Dazu wird zunächst geklärt, was Kunststoffe eigentlich sind. Im Anschluss werden die Struktur und die wichtigsten Eigenschaften erläutert und die Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Lösungsmitteln gezeigt. Zum Schluss wird dann noch etwas zum Recycling und zum biologischen Abbau von Kunststoffen gesagt.

Transkript Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen)

Guten Tag und herzlich Willkommen!

Dieses Video heißt: "Eigenschaften von Kunststoffen" - für den Grundkurs. Der Film gehört zur Reihe: "Kunststoffe".

Als Vorkenntnisse solltet ihr die Grundlagen der organischen Chemie bereits beherrschen. Mein Ziel ist es, dir ein Verständnis der wichtigsten Eigenschaften von Kunststoffen zu vermitteln.

Der Film ist in 6 Abschnitte untergliedert: 1. Was sind Kunststoffe? 2. Struktur und Eigenschaften 3. Wichtige Eigenschaften 4. Lösungsmittel und Chemikalien 5. Recycling und biologischer Abbau und 6. Zusammenfassung

  1. Was sind Kunststoffe? Bei einem Kunststoff handelt es sich um ein Polymer. Wenn ich den Ausschnitt eines Polymers zeichne, dann sieht das etwa so aus. Zusammengesetzt ist das Molekül aus vielen gleichen Bausteinen. Einen solchen Baustein bezeichnet man als Monomer. Für uns von Interesse sind nur die künstlichen Polymere. "Poly" bedeutet übrigens "viel" - es besteht aus vielen Teilchen. Und dargestellt wurde nur ein kleiner Ausschnitt. In Wirklichkeit sind Polymer-Moleküle viel größer. Ein solches künstliches Polymer bezeichnet man als Kunststoff. Und die Namen solcher Kunststoffe habt ihr bestimmt schon einmal gehört. Kunststoffe gibt es inzwischen überall; wir treffen sie tagein, tagaus. PE bedeutet Polyethylen. PVC heißt Polyvinylchlorid. Vielleicht kommt euch auch Polystyrol bekannt vor? PMMA ist Polymethylmethacrylat - man nennt es auch Plexiglas.

  2. Struktur und Eigenschaften Kunststoffe besitzen in der Regel keine scharfe Schmelztemperatur. Wenn man sie erwärmt, schmelzen sie in einem Temperaturbereich. Eine Erklärung findet man, wenn man sich anschaut, wie lang die einzelnen Moleküle des Kunststoffes sind. Ein Kunststoff besteht aus Molekülen unterschiedlicher Größe. Man sagt auch: Sie besitzen verschiedene Polymerisationsgrade. Wir haben es mit einem Stoffgemisch zu tun und dieses kann keinen scharfen Schmelzpunkt aufweisen. Als weiteres übt die Vernetzung der Struktur der Kunststoffe einen Einfluss auf deren Eigenschaften aus. Ihr seht hier 4 verschiedene molekulare Strukturen von Kunststoffen. Der Vernetzungsgrad der Strukturen steigt von links nach rechts an. Polymere mit nicht oder wenig vernetzten Strukturen mit Elastomere. Man kann sie dehnen. Die mittleren Strukturen entsprechen den Thermoplasten. Man kann sie unter Erwärmung verformen. Stark vernetzte Strukturen gehören zu den Duroplasten; diese lassen sich nicht mehr verformen.

  3. Wichtige Eigenschaften Kunststoffe sind relativ leicht mit Dichten von 0,8 - 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter. Holz ist dagegen im Mittel leichter. Metalle wie Eisen und Kupfer hingegen, haben erheblich höhere Dichten. Was die Zugfestigkeit betrifft, so kann man hier eine klare Abfolge feststellen. Kunststoffe sind mechanisch weniger beständig als Holz und dieses wiederum hat eine viel geringere Zugfestigkeit als Eisen. Für die Verwendung als Baumaterial ist wichtig, dass Kunststoffe verformbar sind. Sie sind plastisch. Man kann auf die Kunststoffe die Urformverfahren, die Umformverfahren und die Fügeverfahren anwenden. Als 2 Beispiele möchte ich den Spritzguss und das Blasformverfahren nennen. Die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen ist sehr gering. Daher kann man aus ihnen Schaumstoffe und Dämmstoffe fertigen. Kunststoffe sind elektrische Nichtleiter mit einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit. Daher sind sie gut für die Isolation von Leitern geeignet.

  4. Lösungsmittel und Chemikalien Kunststoffe besitzen keine glatte Struktur, sie weisen Porösitäten und Öffnungen auf. In diese können bestimmte Lösungsmittelteilchen eindringen. Das Kunststoffteilchen wird durch die Lösungsmittelteilchen praktisch aufgepumpt; es wird größer. Den Vorgang nennt man Quellung. So wie beim Holz führt kaltes Wasser hier nicht zur Quellung. Wenn durch die Zugabe eines Lösungsmittels ein Kunststoff in Lösung geht, bildet sich keine gewöhnliche Lösung. Die gelösten Teilchen sind relativ groß. Man nennt das System auch kolloidal. Ich möchte nun einige unbeständige Kunststoffe nennen, die von Lösungsmitteln angegriffen werden oder durch Chemikalien zersetzt werden: Polyamid ist empfindlich gegenüber konzentrierter Essigsäure, konzentrierter Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure und teilweise gegenüber konzentrierter Natronlauge. Der Kunststoff Polystyrol wird von den Lösungsmitteln Aceton, Benzin und Chloralkane, zum Beispiel Chloroform, angegriffen. PMMA - erinnert euch, das ist Plexiglas - wird angegriffen von Aceton, Methanol und Chloralkane.

  5. Recycling und biologischer Abbau Nach der Herstellung wird ein Polymer zu einem wertvollen Gebrauchsgegenstand verarbeitet. Doch eines schönen Tages geht dieser entzwei und die Frage ist, wie diesen entsorgen? Ihn einfach in den Wald werfen, das tun wir als umweltbewusste Menschen nicht. Eine Möglichkeit der Entsorgung ist das Recycling. Hier besteht die Möglichkeit, den Rohstoff für die Polymerherstellung wiederzugewinnen. Aus diesen wird wieder der Kunststoff hergestellt. Der zweite Weg ist das Werkstoffrecycling, das direkt zum Polymer führt. Der dritte Weg besteht im thermischen Recycling: der Verbrennung. Alternativ zum Recycling ist der biologische Abbau möglich. Dieser erfolgt durch Kompostieren des Kunststoffes. Der Abbau erfolgt durch Mikroorganismen. Im Jahre 2007 waren weit weniger als 1 Prozent aller Kunststoffe biologisch abbaubar.

  6. Zusammenfassung Kunststoffe sind künstliche Polymere. Sie schmelzen in einem Bereich, was sich durch die unterschiedlichen Größen der beteiligten Moleküle erklären lässt. Polymere können mit verschiedenen Vernetzungsgrad vorliegen. Ist der Vernetzungsgrad gering, haben wir Elastomere; beim mittleren Vernetzungsgrad sprechen wir von Thermoplasten. Duroplaste besitzen einen hohen Vernetzungsgrad. Kunststoffe sind verformbar, schlecht wärmeleitend und elektrische Nichtleiter. Durch Lösungsmittel können sie quellen. Werden Kunststoffe durch Lösungsmittel gelöst, so entsteht eine kolloidale Lösung. Manche Kunststoffe werden durch Lösungsmittel, Säuren oder Laugen angegriffen. Die Entsorgung der Polymere erfolgt durch Recycling oder biologischen Abbau. Weit weniger als 1 Prozent aller Polymere war 2007 biologisch abbaubar. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen!

Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Eigenschaften von Kunststoffen (Vertiefungswissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff Kunststoff.

    Tipps

    Mono = eins

    Poly = viel

    Lösung

    Kunststoffe lassen sich sehr günstig und in großen Mengen aus Erdölprodukten herstellen. Die Eigenschaften können sehr unterschiedlich sein und lassen sich durch die Wahl der Monomere und des Herstellungsverfahrens sehr fein variieren. Daher sind Kunststoffe für viele Anwendungen die idealen Werkstoffe.

    Kunststoffe werden mit bestimmten chemischen Reaktionen aus Vorläuferverbindungen der Monomere hergestellt. Nach einer ersten Reaktion, in der ein erstes Kettenglied des Polymers hergestellt wird, läuft die Reaktion in einer Art Kettenreaktion von alleine weiter. In jedem Reaktionsschritt wird die Polymerkette um ein Monomer erweitert. Dies wird als Kettenfortpflanzung bezeichnet. Die Reaktion kann gestoppt werden, wenn die gewünschte Kettenlänge erreicht ist. Auch damit lassen sich die Eigenschaften der Kunststoffe beeinflussen.

  • Nenne einige wichtige Kunststoffe.

    Tipps

    Die Vorsilbe Poly- wird auch bei Biopolymeren verwendet.

    Lösung

    Polymere sind Makromoleküle, die aus sehr vielen Kopien eines kleinen Moleküls (Monomer) aufgebaut sind, die über die stets gleiche kovalente Bindung zu einer langen Kette verknüpft sind. Polymere kommen in der Natur vor, können aber auch synthetisch hergestellt werden. Künstliche Polymere, die Kunststoffe, werden meist ausgehend vom Erdöl hergestellt und sind aus Monomeren aufgebaut, die kleine Kohlenwasserstoff-Moleküle sind.

    Ein einfacher Kunststoff ist das Polyethylen (PE). Dieses ist aus dem Ethylen-Monomer $-CH_2-CH_2-$ aufgebaut. Die Verknüpfung zum Polymer gibt man mit der Formel $[-CH_2CH_2-]_n$ an.

    Ein weiterer einfacher Kunststoff ist das Polyvinylchlorid, beim Monomer ist ein Wasserstoffatom des Ethylen gegen ein Chlor-Atom ausgetauscht: $[-CH_2-CHCl-]_n$.

    PMMA ist etwas komplizierter gebaut, da das Monomer Seitenketten mit funktionellen Gruppen trägt. Das Monomer des Polysyrols ist ein Ethylen-Monomer, bei dem ein Wasserstoff-Atom gegen eine Phenyl-Gruppe ausgetauscht ist.

  • Leite die Eigenschaften der Kunststoffe aus deren Struktur ab.

    Tipps

    Der Schmelzpunkt hängt vom Polymerisationsgrad ab.

    Die Verformbarkeit hängt vom Vernetzungsgrad ab.

    Lösung

    Styropor ist ein Beispiel für einen Kunststoff, der durch Aufschäumen mit Luft sehr leicht ist und gute Isoliereigenschaften aufweist. Es handelt sich um Polystyrol, dem während der Polymerisation ein Lösungsmittel zugesetzt wird. Durch die Reaktionswärme verdampft das Lösungsmittel während der Polymerisation und der Kunststoff schäumt auf. Durch die eingeschlossene Luft ist die Wärmeleitfähigkeit sehr gering.

    Der Vernetzungsgrad eines Kunststoffes entscheidet über die Verformbarkeit. Je stärker das Polymer vernetzt ist, desto fester und schlechter verformbar ist es. Leicht verformbare, elastische Kunststoffe werden als Elastomere bezeichnet, festere, thermisch verformbare Kunststoffe als Thermoplaste. Duroplaste sind hart und nicht verformbar.

    Die Kettenlänge der Polymere entscheidet über den Schmelzpunkt: Langkettige Polymere (hoher Polymerisationsgrad) schmelzen bei hohen Temperaturen, Polymere aus kürzeren Ketten bei niedrigeren Temperaturen. Je unterschiedlicher die Kettenlängen der einzelnen Ketten in einem Kunststoff, desto größer ist der Schmelzbereich des Kunststoffs.

  • Erläutere Vorteile von Kunststoffen gegenüber anderen Werkstoffen.

    Tipps

    Haben Kunststoffe eine höhere Zugfestigkeit als metallische Werkstoffe?

    Lösung

    Durch die Eigenschaften der Kunststoffe ergeben sich viele Vorteile, aber auch einige Nachteile bei der Nutzung als Werkstoff. Nachteilig ist vor allem die geringe Steifheit und Zugfestigkeit, die bei mechanisch stark belasteten Teilen notwendig ist. Dennoch ist es wegen des geringeren Gewichts von Kunststoffen im Vergleich mit metallischen Werkstoffen oft unumgänglich, Kunststoffe einzusetzen. Einen Ausweg bieten Verbundmaterialien mit hochfesten Kunstfasern, wie zum Beispiel beim Werkstoff Carbon.

    Bei der Verarbeitung sind die niedrigen Schmelztemperaturen von Kunststoffen ein großer Vorteil. Sie lassen sich leicht verflüssigen und in die gewünschte Form bringen. Die niedrigen Schmelzpunkte sind aber leider mit einer vergleichsweise leichten Entflammbarkeit verbunden. Hier sind Werkstoffe wie Glas und Keramik oder auch die Baumwolle klar im Vorteil.

    Kunststoffe sind wesentlich beständiger gegenüber Säuren und Laugen als viele organische Werkstoffe oder Metalle. Unbeständiger sind sie jedoch gegenüber organischen Lösemitteln. In diesen lösen sich viele Kunststoffe.

    Geringe elektrische Leitfähigkeit macht Kunststoffe als Isolator für elektrische Leitungen ideal. Die geringe Wärmeleitfähigkeit macht man sich beispielsweise bei Dämmmaterialien beim Hausbau zunutze.

  • Bestimme den Vernetzungsgrad der Kunststoffe.

    Tipps

    Senkrechte Linien deuten Verknüpfungen zwischen parallel verlaufenden horizontalen Polymeren an.

    Lösung

    Über Wechselwirkungen zwischen Seitenketten oder über kovalente Bindungen zwischen Polymerketten können Verknüpfungen zwischen benachbarten, parallel verlaufenden Polymerketten entstehen. Bei diesen Wechselwirkungen handelt es sich in der Regel um Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Seitenketten.

    Über die Wahl der Seitenketten und die funktionellen Gruppen, die diese tragen, lässt sich also der Vernetzungsgrad eines Kunststoffs bestimmen. Außerdem hat das Fertigungsverfahren darauf einen Einfluss. Bei langsamen Abkühlen ordnen sich die Polymerketten parallel an, so dass viele Verknüpfungen entstehen können. Beim plötzlichen Abschrecken liegen die Ketten wild durcheinander, es kommt zu wenigen Verknüpfungen.

  • Prüfe Anwendungsgebiete von biologisch abbaubaren Kunststoffen.

    Tipps

    Biopolymere zersetzen sich schnell durch biologischen Abbau.

    Lösung

    Bei Biopolymeren ergeben sich durch die gute biologische Abbaubarkeit einige Vorteile, da sich neben den üblichen Wegen des Recycling eine weitere, umweltschonende Möglichkeit ergibt: Die Kunststoffe können wie Bioabfälle kompostiert werden und schädigen die Umwelt dadurch deutlich weniger.

    Überall dort, wo der Kunststoff nach kurzem Gebrauch nicht weiter verwendet wird, ist der Einsatz von Biopolymeren daher sinnvoll: Plastiktüten werden häufig nur einmal verwendet, Müllbeutel werden gefüllt und landen danach häufig auf der Müllhalde. Küchenabfälle lassen sich in kompostierbaren Beuteln sammeln und mit dem Beutel kompostieren. Jedoch ist dies auf dem heimischen Komposthaufen schwierig, da die Beutel längere Zeit als anderer Biomüll zum Kompostieren benötigen.

    Fischernetze werden häufig von den Fischerbooten verloren und treiben als Falle durch den Ozean. Hier ist der Einsatz von Biopolymeren sinnvoll, da sich die verlorenen Netze nach einiger Zeit auflösen.

    Unsinnig ist der Einsatz von Biopolymeren überall dort, wo eine lange Haltbarkeit gefordert ist. Insbesondere Tanks, die umweltschädigende Stoffe enthalten, dürfen nicht schnell verrotten. Hier ist der Einsatz von Biopolymeren daher nicht sinnvoll.

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