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Schaumstoffe und Schäumungsverfahren 08:20 min

Textversion des Videos

Transkript Schaumstoffe und Schäumungsverfahren

Hallo, ich bin Mathias. Willkommen zu deinem Chemieunterricht. Hast du dich schon mal gefragt warum es im Winter bei euch drinnen wohlig warm und draußen bitterkalt ist? Wie wird die Wärme denn eigentlich drinnen gehalten? Es funktioniert zum Beispiel durch Isoliermaterialien in Form von Schaumstoffen. 2 Vertreter dieser Schaumstoffe werde ich dir in diesem Video zeigen. Das Video gliedert sich folgendermaßen. Als erstes gehe ich auf Polystyrol ein. Dafür zeige ich dir wie aus dem Monomer ein Polymer wird. Dann sehen wir uns das Verfahren zur Herstellung an. Im Anschluss wirst du etwas zu den Eigenschaften und der Verwendung von Polystyrol erfahren. Als zweiten Schaumstoff stelle ich dir Polyurethan vor. Dafür zeige ich dir zuerst wie er hergestellt und geschäumt wird. Darauf folgen dann die Arten von Polyurethan-Schaumstoffen und deren Verwendung. Zum Schluss folgt die Zusammenfassung. Sehen wir uns nun zuerst einmal Polystyrol an. Es wird aus dem Monomer Styrol hergestellt. Mono steht für Eins oder einzeln. Poly für viele. Styrol besteht aus einem Benzolring und einer Vinylgruppe. Sie enthält eine Doppelbindung. Diese ist recht reaktionsfreudig. So können die Monomere zusammen lange Ketten formen und das Polymer Polystyrol bilden. Polystyrol ist allerdings noch kein Schaumstoff. Dafür bedarf es eines weiteren Schrittes.

Angewandt wird hier die Suspensionspolymerisation. Dabei wird ein Gemisch aus Styrol und einem bei niedriger Temperatur siedenden Kohlenwasserstoff in einer Form erhitzt. Durch die Wärme wird die Polymerisation gestartet und gleichzeitig verdampft der Kohlenwasserstoff. Dadurch wird das entstehende Polystyrol aufgeschäumt und die Form wird ausgefüllt. Dabei werden Luft und das Kohlenwasserstoff-Gas in den Kugeln eingeschlossen. Erfunden hat dieses Verfahren Dr. Fritz Stanstny von der Firma BASF. Daher stammt auch der Name Styropor. Er ist ein firmeneigener Markenname. Im Allgemeinen heißt dieser Schaumstoff expandiertes Polystyrol, kurz EPS Aus der Beschaffenheit die durch die Herstellung erzielt worden ist, können wir nun einige Eigenschaften ableiten. Aufgrund der vielen eingeschlossenen Luft, 99% des Volumens, hat das EPS eine sehr geringe Dichte. Luft ist ein sehr schlechter Wärmeleiter. Daher trägt das Polystyrol diese Eigenschaft nun ebenfalls. Es hat ausserdem eine geringe Wasseraufnahme und neigt zu Spannungsrissen.

Aus diesen Eigenschaften wiederum lassen sich nun Verwendungsmöglichkeiten ableiten. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit wird es als Isoliermaterial im Bauwesen verwendet. Dies ist auch die Hauptanwendung von EPS. Desweiteren wird es für Verpackungen eingesetzt. Und auch bei Schwimmhilfen kommt es zur Anwendung.

Nun hast du gelernt wie Polystyrol strukturell aufgebaut ist und wie es hergestellt wird. Aus den so erreichten Eigenschaften kann man sich die Anwendungsgebiete überlegen, die du nun auch kennst. Nun sehen wir uns den zweiten Schaumstoff genauer an. Polyurethan. Zur Herstellung benötigt man 2 verschiedene Ausgangsstoffe. Zum einen bi- oder trifunktionelle Ioscyanate. Das heißt, dass sie 2 oder 3 funktionelle Gruppen haben. Die funktionelle Gruppe Isocyanat sieht so aus. Ausserdem benötigt man mehrwertige Alkohole, also Alkohole mit mehreren OH- Gruppen. Die Herstellungsreaktion ist eine Polyaddition. Die Hydroxygruppen und Isocyanatgruppen bilden Urethan-Gruppen. Dies passiert an den meisten funktionellen Gruppen, wodurch sich ein großes, vernetztes Molekül bildet.

Was für einen Einfluß haben denn die verschiedenen Ausgangsstoffe? Beim Einsatz von bifunktionellen Isocyanaten entstehen lange Ketten. Es ergibt sich ein sogenannter Thermoplast. Er ist weich und lässt sich in Wärme gut verformen. Bei trifunktionellen Isocyanaten entstehen räumlich vernetzte Polymere. Es sind Duroplasten. Sie sind hart und formstabil bei Wärme. Wir haben nun also große Polymere erhalten aber auch hier muss noch geschäumt werden. Wie das Schäumungsverfahren funktioniert werde ich dir jetzt erklären. Es kann auf 2 Arten passieren. Zum einen physikalisch. Dafür werden dem Reaktionsgemisch niedrigsiedende Alkane zugegeben. Sie fungieren als Treibmittel indem sie durch die Reaktionswärme verdampfen und so das Polymer aufschäumen. Die andere Möglichkeit ist die chemische Aufschäumung. Dafür läuft die Herstellungsreaktion in Gegenwart einer kleinen Menge Wasser ab. Dadurch reagieren einige Isocyanatgruppen zu Aminogruppen und CO2. Dieses schäumt das Ganze dann auf.

Je nach Art der Ausgangsstoffe erhalten wir nun unterschiedliche Produkte. Es gibt den Hartschaum. Er ist eng räumlich vernetzt und hat geschlossene Zellen, in denen sich das Aufschäumgas und Luft befindet. Daher isoliert es gut. Diese Art des PU-Schaums wird als Hochleistungsdämmstoff und für Surfbretter verwendet. Ein weiteres Produkt ist der hochelastische Schaum. Er besitzt nur einen mittleren Vernetzungsgrad und ebenfalls geschlossene Zellen. Diese sind jedoch kleiner als beim Hartschaum. Er wird zum Beispiel für Schuhsohlen verwendet. Als letztes gibt es noch die Weichschäume. Sie besitzen Ketten zwischen den Verbindungsstellen wodurch eine Stauchung möglich wird. Sie besitzen offene Zellen. Dadurch kann Luft und Wärme gut ausgetauscht werden. Anwendung finden sie im Bereich von Polstern und Matrazen.

Nun weißt du auch viel über Polyurethan und die daraus erzeugten Schaumstoffe. Ich werde nun das Video noch einmal kurz zusammenfassen.

Schaumstoffe bestehen aus aufgeschäumten Polymeren, die aus Monomeren aufgebaut sind. Beispiele für Schaumstoffe sind geschäumtes Polystyrol und Polyurethan. Die Aufschäumung geschieht durch Gase. Sie besitzen meist eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Dadurch werden sie hauptsächlich als Dämmstoffe verwendet.

Du hast heute wieder eine Menge gelernt. Ich wünsche dir weiterhin noch viel Erfolg beim Lernen. Bis zum nächsten mal, dein Mathias.

Schaumstoffe und Schäumungsverfahren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Schaumstoffe und Schäumungsverfahren kannst du es wiederholen und üben.

  • Erkläre die Unterschiede zwischen Kunststoff und Schaumstoff.

    Tipps

    Die eigentliche Polymerisationsreaktion und die Aufschäumung sind zwei verschiedene Prozesse. Styrol kann also auch zu Polystyrol reagieren, ohne dabei aufzuschäumen.

    Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist zum Beispiel bei Kochtöpfen erwünscht, damit die Wärme der Herdplatte möglichst schnell auf das Wasser oder die im Topf befindlichen Speisen übergehen kann. Demnach sind Kochtöpfe aus guten Wärmeleitern wie Metallen gefertigt.

    Lösung

    Wenn Styrol zu Polystyrol reagiert, bildet sich ein Kunststoff bestehend aus langen Polymerketten. Dieser ähnelt aber dem aufgeschäumten Kunststoff noch nicht. Erst durch das gleichzeitige Aufschäumen des Styrols – entweder auf chemischem oder physikalischem Weg – entsteht ein sehr leichter Stoff, den man umgangssprachlich als Styropor bezeichnet. Beim Aufschäumen wird Luft zwischen den Polymerketten eingeschlossen, die am Ende ca. 99% des gesamten Volumens ausmacht. Daher ist aufgeschäumtes Polystyrol auch viel leichter als ungeschäumtes. Der gute Wärmeisolationseffekt beruht darauf, dass die eingeschlossene Luft ein sehr guter Wärmeisolator ist. Es entstehen keine wärmeisolierenden Stoffe aus der Reaktion zwischen Luft und Styrol.

    Geschäumtes Polystyrol hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als ungeschäumtes Polystyrol, weil die eingeschlossene Luft die Wärme sehr viel schlechter leitet als das umgebende Polymer.

  • Beschreibe Schäumungsverfahren der Polyurethane.

    Tipps

    Bei der chemischen Aufschäumung reagieren Stoffe miteinander.

    Lösung

    Physikalische Aufschäumung

    Polymere werden bei der Polymerisation hergestellt. Durch bestimmte Zusätze erfolgt die Aufschäumung. Alkohole haben aufgrund ihrer polaren Hydroxygruppe höhere Siedetemperaturen als Alkane. Da zur Schäumung aber gerade niedrig siedende Verbindungen geeignet sind, werden Alkane verwendet.

    Chemische Aufschäumung

    Setzt man dem Gemisch kleine Mengen Wasser zu, so können einige Isocyanatgruppen mit diesem reagieren und es entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid. Dieses Gas verursacht dann die Aufschäumung des Polymers.

  • Benenne die Edukte, Produkte sowie die Reaktionstypen bei folgenden Polymerisationen.

    Tipps

    Denke an die Regeln der chemischen Nomenklatur. Moleküle mit Doppelbindung besitzen die Silbe -en im Namen.

    Werden Teile des Moleküls in Klammern gesetzt und erhalten ein n oder m, bedeutet das, dass sie n- bzw. m-mal wiederholt werden.

    Lösung

    Bezeichnung der Reaktionstypen

    Für die Bezeichnung der beiden Reaktionen stehen drei Namen zur Verfügung: Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition. Wir können die Polykondensation direkt ausschließen, denn bei diesem Reaktionstyp entsteht als Nebenprodukt Wasser, was bei unseren beiden Reaktionen nicht der Fall ist. Die zweite Reaktion muss die Polyaddition sein, denn bei Additionsreaktionen reagieren zwei Ausgangsstoffe zu einem Produkt unter Aufspaltung einer Doppelbindung. Im Beispiel ist es die Doppelbindung zwischen Stickstoff und Kohlenstoff im Isocyanat, die aufgebrochen wird. Für die erste Reaktion bleibt demzufolge nur der Begriff Kettenpolymerisation.

    Bezeichnung der Reaktionsprodukte

    Das Reaktionsprodukt der ersten Reaktion ist das Polystyrol. Das Reaktionsprodukt der zweiten Reaktion ist Polyurethan. Man erkennt die Zugehörigkeit zu dieser Gruppe an der Urethan-Gruppe $-O-CO-NH-$.

    Bezeichnung der Ausgangsstoffe

    Das Monomer des Polystyrols kann auch einen systematischen Namen tragen. Man kann das Molekül auf mindestens zwei Arten lesen: Entweder man argumentiert, dass ein Ethen-Rest an einem Benzolring hängt, oder dass ein Benzol-Rest am Ethen hängt. Die zweite Variante ist zielführend. Ein Benzolrest wird als Phenyl bezeichnet und daraus ergibt sich der Name Phenylethen.

    Der erste Ausgangsstoff in der zweiten Reaktion hebt sich von den anderen dadurch ab, dass er bereits ein Polymer ist. Um den Namen ausfindig zu machen, sollte man die eckigen Klammern ignorieren und den Namen des Stoffes finden, der sich daraus ergibt. Es ist der zweiwertige Alkohol, der sich vom Ethan ableitet. Nach systematischer Nomenklatur mit Ethan-1,2-diol bezeichnet, wird er viel öfter Ethylenglykol genannt. Fügen wir für unserem Makromolekül wieder die charakteristische Vorsilbe an, erhält man den Namen Polyethylenglykol.

    Der zweite Ausgangsstoff der zweiten Reaktion trägt auf jeden Fall die chemische Bezeichnung Toluol im Namen, da er einen Benzolring mit Methylgruppe enthält. Es stehen die beiden Bezeichnungen 2,6-Dinitroltoluol und 2,6-Toluoldiisocyanat zur Auswahl, wovon nur die Letztere korrekt ist, da das Molekül zwei Isocyanatgruppen $-NCO$ und nicht zwei Nitrogruppen $-NO$ trägt.

  • Beschreibe Eigenschaften und Verwendung von aufgeschäumtem Polystyrol.

    Tipps

    Durch seine Eigenschaften kannst du auf die Verwendungen schließen.

    Lösung

    Nomenklatur

    Die Abkürzung EPS verrät schon, dass das Wort in der ersten Lücke mit dem Buchstaben „E“ beginnen muss, denn „PS“ steht bereits für Polystyrol. Das E steht für expandiert und bedeutet, dass sich das Polystyrol durch die Schäumung ausgedehnt hat.

    Aufgebaut ist Polystyrol aus kleinen Monomer-Einheiten, dem Styrol. Polystyrol ist nichts anderes als viele aneinander gereihte Styrol-Moleküle. Der Wortteil „Poly-“ steht dabei für viele.

    Eigenschaften

    Da expandiertes Polystyrol aufgeschäumt wird, muss es zu einem Großteil aus Luft bestehen. Luft hat eine geringe Dichte und aufgrund des hohen Volumenanteils an Luft im expandierten Polystyrol hat auch dieses eine niedrige Dichte.

    Wenn ein Stoff gut isoliert, bedeutet das im Umkehrschluss, dass er die Wärme nicht gut leitet. Die Wärmeleitfähigkeit von Polystyrol ist also gering.

    Da Polystyrol nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, ist dieses Molekül unpolar. Demzufolge nimmt es so gut wie kein Wasser auf.

    Verwendung

    Durch seine guten Isoliereigenschaften findet Styropor im Bauwesen Verwendung als Isoliermaterial. Die geringe Dichte und die wasserabweisenden Eigenschaften von Styropor rechtfertigen die Verwendung dieses Materials zur Herstellung von Schwimmhilfen.

  • Unterscheide die Eigenschaften von „Hartschaum“ und „Weichschaum“.

    Tipps

    Welche Begriffe schließen sich logisch aus, können also nicht zu ein und demselben Überbegriff gehören?

    Lösung

    Weichschaum

    Weichschaum besteht aus vielen langkettigen Polymersträngen, die untereinander nicht bzw. kaum vernetzt sind, sowie darin eingelagerten Gasen. Diese Ketten entstehen aus bifunktionellen Isocyanaten, weil diese an jedem Ende über genau ein reaktives Zentrum verfügen, das immer für eine Kettenverlängerung sorgt. Aufgrund der fehlenden Querverbindungen entstehen eher offene Zellen. Die wenigen Verknüpfungsstellen zwischen den Polymerketten sorgen dafür, dass sie leichter aneinander vorbeigleiten können, ein Charakteristikum für Thermoplasten.

    Hartschaum

    Hartschaum kann man sich auf molekularer Ebene als ausgedehnte Polymernetze mit eingelagertem Gas vorstellen. Von dieser Vernetzung rührt die Härte her und somit die Klassifikation als Duroplast. Aufgrund des Einsatzes trifunktioneller Isocyanate zur Herstellung des Hartschaums entstehen nicht nur lange Ketten, diese Ketten können auch Querverbindungen zu anderen Ketten ausbilden. Dabei entstehen vornehmlich geschlossene Zellen.

  • Untersuche die abgebildeten Moleküle auf ihre strukturellen Merkmale.

    Tipps

    Manche Gruppen tauchen in den Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten auf, andere Gruppen sind durch Reaktion im Produkt nicht mehr vorhanden.

    Die Urethan-Gruppe entsteht aus der Reaktion von Hydroxygruppe und Isocyanatgruppe.

    Lösung

    Isocyanatgruppe

    Die Isocyanatgruppe ist $-NCO$, wobei sowohl zwischen N und C als auch zwischen C und O eine Doppelbindung auftritt. Diese funktionelle Gruppe taucht im Edukt auf.

    Butylgruppe

    Der Name Butylgruppe leitet sich von dem Alkan Butan mit der Summenformel $C_4H_{10}$ ab. Dementsprechend ist die Butylgruppe die Kohlenstoffkette mit vier Kohlenstoffatomen und zugehörigen Wasserstoffatomen. Sie tritt sowohl im Eduktmolekül als auch im Polyurethan auf, da sie an der Reaktion nicht beteiligt ist.

    Hydroxygruppe

    Die Hydroxygruppe ist die funktionelle Gruppe $-OH$. Sie ist das charakteristische Element aller Alkohole. Sie taucht im zweiten Eduktmolekül auf. Im Produktmolekül, dem Polyurethan, tauchen die Hydroxygruppen nicht mehr auf, da sie an der Reaktion beteiligt sind.

    Urethan-Gruppe

    Die Urethan-Gruppe ist $-NH-CO-O-$. Sie darf nicht verwechselt werden mit der Peptid-Gruppe $-NH-CO-$, die in allen Proteinen auftritt. Die Urethan-Gruppe taucht in den Molekülen der Ausgangsstoffe nicht auf, da sie erst aus Hydroxygruppe und Isocyanatgruppe gebildet wird. In der Wiederholungseinheit des Produktmoleküls taucht sie allerdings gleich zweimal auf.