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Schaumstoffe und Schäumungsverfahren 08:20 min

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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.