Kunststoffe und Polymerisation

Kunststoffe

Die Chemie der Kunststoffe ist ein großes Gebiet der organischen Chemie. Tausende von Menschen arbeiten in den Industriebranchen der Kunststoffherstellung und der Verarbeitung von Kunststoffen. Die Kunststoffprodukte, die wir umgangssprachlich als Plastik bezeichnen, bestimmen unsere Alltagswelt. Sieh dich einmal in deinem Zimmer um. Wie viele Gegenstände siehst du, die aus Kunststoff oder Plastik bestehen? Von Zahnbürsten bis zu Tablets, von Strohhalmen bis zu Modellbauflugzeugen: Kunststoffe werden in einer Vielzahl von Produkten verarbeitet und das seit über 150 Jahren. Ihre Grundbausteine sind die Monomere, die man aus Erdöl gewinnt. Obwohl Kunststoffe die unterschiedlichsten Eigenschaften haben, sind sie alle nach dem gleichen Prinzip aus diesen Monomeren aufgebaut.

Kunststoffe – Definition

In der Kunststoffchemie verstehen wir unter Kunststoffen synthetisch hergestellte Makromoleküle, die Polymere. Diese wiederum sind aus sich wiederholenden Grundbausteinen, den Monomeren, aufgebaut.

Kunststoffe – Polymerisation

Bei vielen Kunststoffen haben die zugrunde liegenden Monomere Doppelbindungen des Typs $\ce{C=C}$. Diese Doppelbindungen werden aufgebrochen, um eine Bindung mit dem nächsten Monomer zu bilden. Dieser Vorgang wiederholt sich viele Male, man nennt ihn Polymerisation. Schließlich liegen nach einer Kettenpolymerisation kettenförmige Polymere vor.

Beispiel: Polymerisation von Ethen zu Polyethylen
Polyethylen entsteht bei der radikalischen Polymerisation von Ethenmolekülen. Radikale besitzen ungepaarte Elektronen und reagieren mit dem Ethen unter Aufbruch der Doppelbindung zwischen den Kohlenstoffatomen.

Im ersten Schritt reagiert ein anfangs zugegebenes Radikalmolekül $\ce{R}\,{\color{red}\cdot}$ mit einem Ethenmolekül:

$\ce{R}\,{\color{red}\cdot} + ~\ce{H2C=CH2} ~\longrightarrow~ \ce{H2RC-CH2}\,{\color{red}\cdot}$

Dabei wird unter Aufbruch der Doppelbindung wieder ein Radikal gebildet, das mit dem nächsten Ethenmolekül reagiert:

$\ce{H2RC-CH2}\,{\color{red}\cdot} + \ce{H2C=CH2} ~\longrightarrow$ $\ce{H2RC-CH2-CH2-CH2}\,{\color{red}\cdot}$

Diese Stufenpolymerisation wiederholt sich Tausende Male und bewirkt ein stetiges Kettenwachstum:

$\ce{H2RC-CH2-CH2-CH2}\,{\color{red}\cdot} + \ce{H2C=CH2} ~\longrightarrow$ $\ce{H2RC-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2}\,{\color{red}\cdot} \quad$ usw.

Der letzte Schritt ist die Kettenabbruchreaktion, dabei verbinden sich zwei radikalische Kettenstücke zu einer Polyethylen-Kette:

$\ce{2 H2RC-CH2-CH2-CH2}\,{\color{red}\cdot} ~\longrightarrow$ $\ce{H2RC-CH2-CH2-CH2}\,{\color{red}-}\,\ce{CH2-CH2-CH2-CRH2}$

Man stellt schnell fest, dass man wegen der Kettenlänge das Polymer kaum zeichnen kann. Tatsächlich bestehen solche Polymerketten aus Tausenden von Monomeren! Deswegen bedient man sich einer Kurzform in eckigen Klammern mit $\color{red}n$ Kettengliedern. Diese Kurzform sieht für Polyethylen so aus: $\ce{–[H2C-CH2]_{\color{red}{n}} –}$
Andere Kunststoffe wie Polypropylen oder das unter der Abkürzung PVC bekannte Polyvinylchlorid sowie das Polystyrol, besser bekannt als Styropor, werden ganz analog über die radikalische Polymerisation hergestellt:

$\begin{array}{lcl} \text{Ethen} & \longrightarrow & \text{Polyethylen} \\ \text{Propen} & \longrightarrow & \text{Polypropylen} \\ \text{Vinylchlorid} & \longrightarrow & \text{Polyvinylchlorid} \\ \text{Styrol} & \longrightarrow & \text{Polystyrol} \end{array}$

Kunststoffe – Beispiele

Die nachfolgende Übersichtstabelle zeigt im Sinne eines Steckbriefs die chemische Struktur einiger wichtiger Kunststoffe auf Basis von Ethen und die Strukturformeln der zugrunde liegenden Monomere.

Kunststoffe – Eigenschaften

Der Grund für die unterschiedlichen Eigenschaften der Kunststoffe liegt nicht nur darin, dass sie aus verschiedenen Monomeren hergestellt werden. Entscheidend ist auch, wie die Polymerketten angeordnet und verbunden sind. HD‑Polyethylen bzw. PE‑HD hat eine hohe Dichte, da seine schwach verzweigten Polymerketten sehr eng aneinanderliegen. HD steht dabei für hohe Dichte oder im Englischen für high density. Es ist steif und stabil. Deshalb werden daraus Plastikflaschen hergestellt.
Verzweigte Polymere können nicht so eng aneinander liegen. Sie haben eine geringere Dichte. Deshalb werden aus dem leichten und biegsamen LD‑Polyethylen oder PE‑LD Folien hergestellt. LD leitet sich aus dem Englischen für low densitiy, zu Deutsch niedrige Dichte, ab. Die Anziehungskraft zwischen den Polymeren hat ebenfalls Einfluss auf die Beschaffenheit. Je stärker diese intermolekularen Kräfte wie beispielsweise die Van‑der‑Waals‑Wechselwirkungen sind, desto härter ist der Kunststoff und desto höher ist der Schmelzpunkt. Allerdings gibt es bei Kunststoffen meist keine fixen Schmelzpunkte, sondern Schmelzbereiche. So hat HD‑PE einen Schmelzbereich von $130 - 145\,^\circ\text{C}$. Andere Kunststoffe wie PVC zersetzen sich bei höheren Temperaturen, anstatt erst zu schmelzen.

Wenig vernetzte Kunststoffe auf Basis von Ethen – also PE, PP, PVC und PS – verhalten sich alle thermoplastisch, d. h. sie lassen sich mittels Erwärmung verformen. Der Prozess ist bei diesen Kunststoffen umkehrbar, also reversibel. Nach Abkühlung kann erneut erwärmt und verformt werden. Kunststoffe aus sehr stark vernetzten Polymeren sind meist nicht mehr thermisch reversibel verformbar, sie sind duroplastisch.

Die meisten Kunststoffe zeichnen sich durch eine hohe chemische Beständigkeit aus. Bestimmte Kunststoffe, die viele abwechselnd folgende Doppelbindungen aufweisen, sind sogar elektrisch leitfähige Kunststoffe.

Steuerung der Eigenschaften von Kunststoffen
Die Eigenschaften der Polymere können durch bestimmte Zusätze, die Additive, verändert werden. Vernetzungsstoffe erzeugen starke kovalente Bindungen zwischen benachbarten Polymerketten. So wird der Kunststoff steifer, härter und hitzebeständiger. Weichmacher dagegen machen den Kunststoff flexibler. Sie liegen zwischen den Polymerketten und schwächen so die Anziehungskräfte.

Kunststoffen – Verwendung

• Polyethylen, PE, wird für die Herstellung von Folien, Flaschen oder Plastiktüten eingesetzt.
• Polypropylen, PP, nutzt man für Flaschen, Verpackungen, Baumaterialien wie Rohre sowie Armaturen in Autos.
• Aus Polyvinylchlorid, PVC, bestehen viele Bodenbeläge und Kabelisolationen.
• Polystyrol, PS, wird als Verpackungs- und Dämmmaterial und für zahlreiche Plastikprodukte wie Partygeschirr genutzt.

Schaue Dir die Produkte aus Plastik einmal genauer an. Dann wirst du die Kürzel PE, PP, PS und PVC sicher finden. Übrigens sind die meisten reinen Kunststoffe wiederverwertbar, deshalb kommt Plastikmüll bei der Mülltrennung in die gelbe Tonne.

Kunststoffe – Einordnung

Hier haben wir die Frage Was sind Kunststoffe? im Sinne einer Einführung beantwortet. Zum besseren Verständnis solltest du bereits Kenntnisse in der Chemie der Alkane und Alkene haben.

Übungen und Arbeitsblätter
Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein neues Wissen über Kunststoffe zu testen.

Ausblick
Neben der radikalischen Polymerisation bei den Monomeren auf der Basis von Ethen gibt es auch andere Arten der Polymerisation wie die Polyaddition oder die Polykondensation. So führt beispielsweise die Polykondensation zu Polyestern, eine Gruppe von Kunststoffen, aus denen auch viele Kleidungsstücke hergestellt werden.