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Wichtige Polymere (Expertenwissen)

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Die Autor/-innen
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André Otto
Wichtige Polymere (Expertenwissen)
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Wichtige Polymere (Expertenwissen)

In diesem Video werden dir die wichtigsten Polymere beschrieben in ihrer Herstellung und ihren Eigenschaft sowie auf deren Verwendung eingegangen. Zu Beginn des Videos wird dir der Recycling-Code von Polymeren erklärt sowie die Kennzeichnung auf dem Polymer mit einer spezifischen Abkürzung. Danach werden dir verschiedenen Polymerisate wie Polyethylen und Polypropylen sowie viele weitere beschrieben. Im zweiten Teil des Videos werden dann noch Polykondensate und -addukte erklärt sowie die Gruppe der Mischpolymere eröffnet. Hinter denen sich chemische und physikalische Mischungen von Polymeren verbergen. Wenn du mehr dazu erfahren willst, dann schau dir das Video an.

Transkript Wichtige Polymere (Expertenwissen)

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt "Wichtige Polymere für den Leistungskurs". Der Film gehört zur Reihe "Kunststoffe". Ihr solltet dafür einige Vorkenntnisse mitbringen. Ihr solltet solide Schulkenntnisse der organischen Chemie besitzen. Ihr wisst, was Kohlenwasserstoffe sind, der Begriff FCKW sagt euch etwas, ihr kennt Ester, die Addition und die Substitution. Mein Ziel ist es, euch in diesem Video einen Überblick über wichtige Polymere und ihre Verwendung zu geben. Tag ein Tag aus im Leben, werden wir mit Polymeren, mit Kunststoffen konfrontiert. Sei es nun Spielzeug, sei es Haushaltsgerät, ein Kochlöffel, eine Backform oder Zahnputzbecher oder selbst dieses Modell, mit dem ich euch die Moleküle zeige und Reaktionen vorführe bestehen aus Kunststoffen. Und ich glaube, es ist an der Zeit, etwas Ordnung da hineinzubringen. Diesem Thema ist der Film gewidmet.

Das Video ist in 6 Abschnitte unterteilt. 1. Kurzzeichen für Polymere 2. Polymerisate 3. Polykondensate 4. Polyaddukte und 5. Mischpolymere Der 6. Teil ist eine Zusammenfassung.     1. Kurzzeichen für Polymere Die Art des Polymers kann man aus dem Recyclingcode herauslesen. Steht da die Zahl 01-07, handelt es sich um einen Kunststoff. PE heißt Polyethylen. HD heißt nicht etwa Hochdruck, sondern High Density, das bedeutet hohe Dichte. Polyethylen wurde bei niedrigem Druck gefertigt. Betrachten wir als Beispiel diesen Zahnputzbecher. Das Dreieck ist der Recyclingcode. 05 heißt, es ist ein Kunststoff. Und ganz unten finden wir PP, das ist die Art des Kunststoffs. 05 = Kunststoff und PP. Mitunter findet man diese Zeichen auf der Umverpackung.     2. Polymerisate Hier entstehen die Polymere durch Polymerisation. Das einfachste Monomer Ethylen liefert Polyethylen. Und das hat die Abkürzung PE. PE ist säure- und basenfest. PE reagiert nicht mit organischen Lösungsmitteln. PE kann zu Folien auswalzen. Unter anderem sind Griffe von Haushaltswerkzeug darauf hergestellt. PP bedeutet wie gesagt Polypropylen und besitzt diese Formel. PP ist dem PE ähnlich, jedoch mechanisch stabiler. Apparate, Geräte und Gebrauchsgegenstände werden aus PP gefertigt. PP findet man in jedem Haushalt. PIB, Polyisobutylen, das ist seine Formel. PIB ist elastisch, sogar klebend. Die populärste Anwendung ist der Kaugummi. Wir wollen den mechanischen Widerstand der 3 betrachteten Polymere vergleichen. PP hat den größten Widerstand, dann folgt PE und danach PIB. Wir vergleichen die Zahl der Methylgruppen. 1, 0 und 2. Hinsichtlich der Festigkeit gibt es offensichtlich bei PP ein Optimum. PS, Polystyrol, der Kunststoff hat diese Struktur. Es handelt sich um einen Thermoplast, der durchsichtig ist. Dieser Messbecher wurde daraus gefertigt. Leider ist PS spröde, daher wird es häufig mit anderen Polymeren als Copolymer, z. B. in ABS verwendet. BR das ist die Abkürzung für Butadiene Rubber, also Butadiengummi. Man sagt auch Butadien-Kautschuk, künstlicher Kautschuk. Das ist seine Formel. In der Kette findet man eine Doppelbindung. BR ist ein Elastomer. Aus dem größten Teil werden Autoreifen hergestellt. Das Polymer nennt man auch Polybutadien. IR, Isoprene Rubber, das ist Naturkautschuk. Man kann ihn seit 1912 synthetisch herstellen. So sieht seine Formel aus. Es ist ein Elastomer. Nach wie vor wird Naturkautschuk auf Plantagen gewonnen. Korrekter heißt der Kunststoff Polyisopren. PVC, Polyvinylchlorid. Das Makromolekül enthält Chloratome. PVC ist ein Thermoblast. Da er spröde ist, wird häufig Weichmacher zugesetzt. Bei Bränden wird Chlorwasserstoff abgespalten, trotz der Nachteile gibt es viele Anwendung, z. B. als Rohr, Vorhang oder Schlauch. PAN, Polyacrylnitril, der Kunststoff ist spinnbar, d. h. man kann Fasern aus ihm herstellen. Aus PAN gewinnt man Kunstwolle und daraus Textilien. PMMA, Polymethylmethaacrylat. Dieses Molekül enthält eine Estergruppe. Den Stoff nennt man auch Plexiglas oder Acrylglas. Aus PMMA stellt man bruchsicheres Kunstglas her, auch optische Linsen, wie die Linsen dieser Brille, werden daraus gefertigt. PTFE, Polytetrafluorethylen. Dieses Polymere enthält statt der Wasserstoffatome, Chloratome. PTFE ist säure- und basenfest und brennt nicht. Geräte und Apparaturen werden daraus gefertigt. Im Chemielabor werden solche Rührhülsen aus PTFE verwendet. Solche Manschetten um den Stopfen dienen dazu, dass sich der Stopfen nicht festfrisst. Unter den vielen, vielen Anwendungen möchte ich dieses Band, die Scheiben und die Beschichtung der Bratpfanne nennen. Die Pfannenbeschichtung kennt ihr besser unter dem Namen Teflon.   3. Polykondensate Diese Polymere entstehen durch Polykondensation. Beispielsweise reagiert eine Disäure mit einem Diol. Durch wiederholte Wasserabspaltung entsteht ein Polykondensat. Das Polymere nennt man Polyethylenterephtalat, abgekürzt PET. PET, das ist ein Polyester. Finden wir PET unter dem Recyclingcode, so handelt es sich um einen Polyester. Hier ist noch ein kleiner Fehler, den möchte ich korrigieren. PET verwendet man für Getränkeflaschen. Man sieht hier auch schön die Aufschrift zu recyceln und PET. Außerdem werden Polyester für Textilien verwendet. PA, Polyamide. Polyamide kann man aus Dicarbonsäuren und Diaminen herstellen. Durch fortlaufende Wasserabspaltung bildet sich das Polyamid. Dieses hier hat Markennamen Nylon. Man kann auch Epsylon-Caprolactam zur Ringöffnung führen, natürlich ist das kein Polykondensat, dieser Kunststoff hat den Markennamen Perlon. Polyamide findet man bei Haushaltsgeräten und in der Bekleidung.   4. Polyaddukte Diese Polymere entstehen durch Polyaddition. Ein Diisocyanat reagiert beispielsweise mit einem Diol. Es entsteht ein Makromolekül. Dieses enthält Urethangruppen, man nennt sie auch Carbamatgruppen. Ein Polyurethan ist entstanden. Man verwendet die Abkürzungen PU und PUR. PU ist ein wahrer Wunderkunststoff, vom Schaum über das Elastomer zum Baumaterial kann man alles fertigen. Eine kleine Auswahl an Produkten: Dämmschaum, der Fußball, die Schwämme und die Schuhe.   5. Mischpolymere Hier hat man zu unterscheide zwischen Copolymeren, das heißt chemischen Verbindungen und Mischpolymeren, wo die Polymere physikalisch miteinander vermischt sind. Wir wollen nicht unterscheide und beide gemeinsam betrachten. ABS, ein Acryl-Butadien-Styrol-Polymer, das Copolymere ist sehr widerstandsfähig, z. B. ist diese Espressomaschine daraus gefertigt. SAN, Styrol-Acrylnitril-Polymere, dieser Messbecher besteht darauf. PP/PE, wenn man Polypropylen und Polyethylen copolymertisiert erhält man ein interessantes Copolymer. Es ist elastisch, richtiger Gummi. Polyester, Elastan. PET für Polyester kennen wir bereits. Elastan hat auch die Namen Lycra oder Spandex. Es besteht aus Polyurethan und Polyethylenglycol. Das Mischpolymer findet in der Bekleidungsindustrie Verwendung und weitere attraktive Anwendungen. Lycra-Polyamid, Polyamid-Elastan und Nylon-Elastan. Es handelt sich immer um Polyamid-Elastan-Gemische. Und zum Schluss schließlich, Baumwoll-Elastan, Kunstseide-Elastan.   6. Zusammenfassung Bei der Bestimmung eines Polymeres hilft der Recyclingcode. 01-07 heißt Kunststoff. PE z.B. bedeutet Polyethylen. Im Video habe ich 10 Polymerisate vorgestellt. 2 Polykondensate: PET, Polyester und Polyamide, PA wurden genannt. Als einziges Polyaddukt habe ich Polyurethan betrachtet. Zuletzt wurde euch eine Reihe von Mischpolymeren vorgestellt, wovon der größte Teil in der Textilindustrie Verwendung findet.

Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.

Wichtige Polymere (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wichtige Polymere (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Namen der gezeigten Kunststoffe an.

    Tipps

    Polystyrol besitzt einen aromatischen Rest.

    Ein Ester entsteht aus der Reaktion eines Alkohols mit einer Carbonsäure.

    Lösung

    Polymere werden immer in einer solchen Schreibweise angegeben, da sie sehr groß sind und man nicht das gesamte Molekül abbilden kann. Die Einheit in Klammern wiederholt sich immer wieder. So werden lange Ketten gebildet. Es gibt auch Kunststoffe, die verzweigt oder vernetzt sind.

    Aus dem Namen kannst du oft schon etwas über die Struktur erfahren. So sagt dir der Name Polyvinylchlorid, dass in dieser Verbindung Chlor enthalten ist.

  • Entscheide, durch welche Art von Polyreaktion die Kunststoffe hergestellt werden.

    Tipps

    Die meisten Kunststoffe werden durch radikalische Polymerisation hergestellt.

    Polyurethan entsteht u.a. aus der Reaktion von Diolen mit Diisocyanaten. Dabei wird kein niedermolekularer Stoff abgespalten.

    Die Synthese eines Esters verläuft unter Wasserabspaltung. Es handelt sich daher um eine Kondensationsreaktion.

    Lösung

    Du siehst, viele der bekannten Kunststoffe werden mithilfe der Polymerisation erzeugt. Diese verläuft radikalisch. Das heißt, die Reaktion beginnt mit der Erzeugung eines Radikals. Dieses führt dann zum Kettenstart. Es folgt das Kettenwachstum und der Kettenabbruch.

    Bei einer Kondensationsreaktion werden immer niedermolekulare Stoffe, wie z.B. Wasser oder Ammoniak abgespalten. Die Synthese von Polyestern ist ein gern genutztes Beispiel für diese Reaktionsart. Aber auch Polyamid, der Grundstoff für Nylon, ensteht auf diese Weise.

    Polyadditionen verlaufen nach dem Schema 1 + 1 = 1. Es wird also aus zwei Edukten ein einziges Produkt. Polyurethan und Epoxide sind hier Paradebeispiele.

  • Ermittle den Namen des Kunststoff aus seiner Beschreibung.

    Tipps

    Textilien werden oft aus dem gleichen Stoff wie Kunststoff-Flaschen hergestellt.

    Lösung

    Die Anwendung von Kunststoffen ist sehr breit gefächert. Durch moderne Herstellungsmethoden können sehr spezifische Makromoleküle erzeugt werden, die genau zu den geforderten Aufgaben passen. Das Potential dieser Werkstoffe ist noch lange nicht ausgeschöpft.

    Viele der heute gängigen Kunststoffe werden allerdings aus Erdöl hergestellt. Da dieser Rohstoff in baldiger Zukunft zur Neige gehen wird, ist ein Umdenken erforderlich. Neue Entwicklungen müssen vorangetrieben werden und auch wir können helfen Ressourcen zu schonen. Anstatt Plastik-Einkaufbeutel zu kaufen, kann man sich auch eine Stofftasche mitnehmen. Recycling ist auch eine gute Möglichkeit, die uns bereitstehenden Ressourcen besser zu nutzen.

  • Nenne die Reaktionsschritte der Synthese von Polyethylen.

    Tipps

    Die Reaktion beginnt mit der Initiierung (Radikalerzeugung).

    Sie endet mit der Reaktion zweier Radikale. Dies ist der Kettenabbruch durch Rekombination.

    Lösung

    Eine radikalische Polymerisation beginnt immer mit der Erzeugung eines Radikals, der Initiierung. In diesem Fall wird dafür ein Peroxid benutzt. Dieses kann durch Lichtenergie gespalten werden und es bilden sich zwei Sauerstoff-Radikale.

    Diese Radikale sind sehr reaktionsfreudig und reagieren mit den eingesetzten Monomeren, hier also mit dem Ethylen. Dieser Schritt ist der Kettenstart. Das ungepaarte Elektron des Radikals verbleibt in dem neu entstandenen Molekül und es kommt zu weiterem Wachstum der Kette. Dies ist die Kettenfortpflanzung.

    Diese Reaktion verläuft, bis fast keine Monomere mehr vorhanden sind. Es kann aber während der Kettenreaktion zu einem Kettenabbruch kommen, wenn zwei Radikale miteinander reagieren. Dies können die gleichen Radikale sein, also $R-O\cdot~+~R-O\cdot$. Das nennt man dann Rekombination. Oder es reagieren verschiedene Radikale miteinander. Dies ist eine Interkombination.

  • Benenne die Kunststoffe mit ihren Abkürzungen.

    Tipps

    Die Abkürzung leitet sich direkt aus dem Namen ab.

    Polypropylen wird zum Beispiel mit PP abgekürzt.

    Lösung

    Damit man die oftmals langen Namen der Polymere nicht immer ausschreiben muss, wurden Abkürzungen eingeführt. Eine kleine Liste wichtiger Kunststoffe hast du jetzt in der Aufgabe. Präge dir diese ein. So kannst du auf vielen Gegenständen aus Kunststoff ablesen, aus welchem Kunststoff sie bestehen.

    Kennst du dann auch noch die grundlegenden Eigenschaften des Polymers, kannst du dir auch ableiten, wofür man diesen Gegenstand verwenden kann.

  • Leite aus der Struktur die Eigenschaften des Kunststoffs ab.

    Tipps

    Lange unpolare Ketten halten nur durch die relativ schwachen van-der-Waals-Kräfte zusammen.

    Kommen weitere Kräfte dazu, wie Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, wird der Kunststoff fester und temperaturbeständiger.

    Bifunktionelle Monomere können nur Ketten bilden. Bei Trifunktionellen kommt es zu Quervernetzungen.

    Lösung

    Es besteht immer ein Zusammenhang zwischen der Struktur einer Verbindung und ihren Eigenschaften.

    Bei Thermoplasten schwingen die nur schwach verbundenen Ketten bei höherer Temperatur immer stärker. Dadurch wird der Kunststoff weich und verformbar.

    Duroplaste sind stark quervernetzt und haben somit kovalente Bindungen zu den anderen Ketten. Sie erweichen bei höheren Temperaturen nicht, sondern zersetzen sich ab einer bestimmten Temperatur. Das liegt an der Zerstörung einiger Bindungen.

    Elastomere wie BR oder IR besitzen lange Ketten und einige Querverbindungen. Die Ketten knäulen sich zusammen. Dadurch kann der Kunststoff gedehnt werden und geht danach in seine Ausgangsstellung zurück.

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