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Kunststoffe - Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften:

Allgemeines:
Allgemein bezeichnet man Materialien als Kunststoffe, die hauptsächlich organischer Natur (Kohlenstoffverbindungen) sind, die aus Makromolekülen aufgebaut sind. Makromoleküle werden dabei aus vielen (mindestens 1000) gleichartigen kleinen Molekülen (Monomeren) zusammengesetzt, die sich aneinander gelagert haben. Daher bezeichnet man Kunststoffe auch als Polymere.
Da -wie bereits oft auf Lernort-Mint.de- erwähnt ein Zusammenhang zwischen der Struktur und Eigenschaften von Stoffen besteht, soll nun nachfolgend die Struktur von Kunststoffen untersucht werden
 

Wiederholung: Herstellung von Kunststoffen:
Die meisten Kunststoffe werden künstlich hergestellt. Diese Kunststoffe entstehen durch die Verknüpfung vieler kleiner Moleküle (Monomere) zu den großen Makromolekülen (Polymere) der Kunststoffe. In einer Polymerkette wiederholen sich also bestimmte Strukturelemente (Monomere) immer wieder. Je nach (gewünschter) chemischer Eigenschaft der Ausgangsstoffe (Monomere) können verschiedene Syntheseverfahren zur Herstellung von Kunststoffen verwendet werden. 

  • Die Polymerisation
  • Die Polykondensation
  • Die Polyaddition
  • Die Vulkanisation


Struktur von Kunststoffen:
Im einführenden Kapitel über Kunststoffe wurde erwähnt, dass die Beweglichkeit mit zunehmender Molekülgröße abnimmt (gleichzeitig nimmt die Festigkeit zu). Dies lässt sich durch die Wechselwirkungen in Polymeren erklären. Innerhalb der Ketten (zwischen den Atomen) wirken Atombindungen (intramolekulare Wechselwirkung, Primärbindung), zwischen den Ketten wirken hauptsächlich schwache van-der-Waals-Kräfte (intermolekulare Wechselwirkung, Sekundärbindung). Die van-der-Waals-Kräfte wirken additiv und erklären damit Eigenschaften mit zunehmender Molekülgröße.

Der Zusammenhalt von Makromolekülen steigt mit zunehmender Molekülmasse

Der intermolekulare Zusammenhalt hat natürlich auch großen Einfluss auf die Schmelztemperatur, je größer der Zusammenhalt, desto größer der Schmelzpunkt. Es sei hier aber nochmals erinnert, dass Makromoleküle zwar das gleiche Bauprinzip (gleiche Monomere) haben, aber sich in der Kettenlänge unterscheiden. 

Temperatur:
Man gibt daher für  Kunststoffe nur eine durchschnittliche Molekülmasse an. Aufgrund dieser Eigenschaft besitzen Kunststoffe keine scharfen Schmelztemperaturen, sondern erweichen beim Erwärmen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches. Anhand des Verhaltens beim Erhitzen kann man drei Kunststoffarten klassifizieren:

  •  Thermoplasten: Die Ketten der Makromoleküle befinden sich hauptsächlich nebeneinander und sind nur schwach durch van-der-Waals-Kräfte verbunden. Wird nun dieses Polymer erwärmt, so geraten die Makromoleküle in Bewegung und diese Bindungen werden überwunden. Die Moleküle gleiten dann aneinander vorbei und verformt sich. Aus diesem Grund nennt man Kunststoffe, die bei höherer Temperatur plastisch verformbar sind, Thermoplasten
  • Duromere (Duroplasten): Die Ketten der Makromoleküle sind dreidimensional engmaschig vernetzt, weisen damit höhere van-der-Waals-Kräfte auf und können somit auch höhere Temperaturen ohne Verformung aushalten. Doch sehr hohe Temperaturen (ca. 150°C) können auch hier Atombindung lösen und die Zersetzung des Kunststoffs einleiten. Die Duroplasten bleiben deswegen bis zum Zersetzungsbereich hart. Im Vergleich zum Thermoplasten verkohlt der Duroplast und verformt sich nicht. 
  • Elastomere: Die Ketten der Makromoleküle bilden Knäule, die beim Dehnen auseinandergezogen werden und beim Loslassen sich wieder verknäulen (kehren in die ursprüngliche Form zurück). Werden Elastomere im angespannten Zustand erwärmt, schrumpfen sie.
Wie bekannt sein dürfte, nimmt mit steigender Temperatur die Kettenbeweglichkeit zu, die Polymere können aber grundsätzlich durch Erhitzen nicht in den gasförmigen Zustand überführt werden. Die Größe der intermolekularen Wechselwirkungen wäre zu groß.

Löslichkeit:
Einige Kunststoffe lassen sich in Lösungsmittel lösen, d.h die Ketten vollständig voneinander zu lösen. Damit ein Lösungsmittel ein Kunststoff lösen kann, müssen die Moleküle des Lösungsmittels mit den Molekülen des Polymeres  eine ähnliche bzw. höhere Wechselwirkung wie zwischen den Ketten des Makromoleküls aufweisen. Dies ist dann der Fall, wenn das Lösungsmittel einen ähnlichen molekularen Aufbau aufweist, wie das Polymer (unpolare Stoffe -> unpolare Lösungsmittel, polare Stoffe -> polare Lösungsmittel). Die Löslichkeit von Kunststoffen hängt dabei aber stark von der Art und Zahl des Substitutenten der Ketten der Makromoleküle ab. Die Löslichkeit von thermoplastischen Kunststoffen sinkt mit zunehmendem Polymerisationsgrad. Weiterhin sind Duromere aufgrund der Vernetzung der Ketten in allen Lösungsmitteln unlöslich und können höchstens in einem eng begrenzten Ausmaß quellen. 
 
 

Übersicht Strukturmerkmale von Kunststoffen:
 

weiterführende Informationen auf Lernort-Mint.de

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