Kunststoffe – Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften

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 MolekülmasseDer 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:

 

• Kunststoffe – eine Einführung

• Kunststoffe – Herstellungsmöglichkeiten

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Kunststoffe – Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist die Definition von Kunststoff?

Ein Kunststoff ist ein Material, das hauptsächlich aus Makromolekülen besteht und das durch chemische Verfahren aus organischen Rohstoffen hergestellt wird.

2. Nennen Sie zwei Beispiele für natürliche und synthetische Kunststoffe.

Natürliche Kunststoffe sind z.B. Naturkautschuk und Zellulose, während synthetische Kunststoffe wie Polystyrol und Polyethylen sind.

3. Beschreiben Sie, was die Struktur von Kunststoff ist.

Die Struktur von Kunststoffen ist im Allgemeinen dickwandig und besteht aus langen Kettenmolekülen, die miteinander vernetzt sein können.

4. Wie beeinflusst die Struktur die Eigenschaften von Kunststoff?

Die Eigenschaften von Kunststoff, wie Härte, Elastizität, Schmelzpunkt und Bruchfestigkeit, werden durch die Struktur der Moleküle und das Ausmaß ihrer Verknüpfung bestimmt.

5. Wie wird die Struktur von Kunststoff beeinflusst?

Die Struktur von Kunststoffen wird durch das Verfahren der Polymerisation, die Art der verwendeten Monomere und die Art und Weise, wie sie miteinander verbunden sind, beeinflusst.

6. Nennen Sie drei Eigenschaften, die Kunststoff aufgrund seiner Struktur aufweist.

Zu den Eigenschaften von Kunststoffen aufgrund ihrer Struktur gehören Elastizität, Wärme- und Schalldämmung und Beständigkeit gegen Chemikalien.

7. Wie beeinflusst die Molekularstruktur die mechanischen Eigenschaften von Kunststoff?

Die Molekularstruktur von Kunststoffen beeinflusst deren mechanischen Eigenschaften. Beispielsweise ist ein Kunststoff mit einer kristallinen Struktur normalerweise härter und hat einen höheren Schmelzpunkt als ein amorpher Kunststoff.

8. Wie beeinflusst die Molekularstruktur die thermischen Eigenschaften von Kunststoff?

Die thermischen Eigenschaften von Kunststoffen werden stark durch ihre Molekularstruktur beeinflusst. Kunststoffe mit einer höheren Kristallinität neigen dazu, eine höhere Wärmebeständigkeit zu haben.

9. Wie beeinflusst die Molekularstruktur die optischen Eigenschaften von Kunststoff?

Die optischen Eigenschaften von Kunststoffen, wie z.B. ihre Farbe und Transparenz, werden durch ihre Molekularstruktur beeinflusst. Ein klarer, transparenter Kunststoff erfordert beispielsweise eine Molekularstruktur ohne Farbentwicklung oder Lichtstreuung.

10. Wie könnte man die Struktur von Kunststoff verändern, um seine Eigenschaften zu modifizieren?

Es ist möglich, die Struktur von Kunststoffen zu verändern, indem man den Polymerisationsprozess modifiziert, verschiedene Monomere verwendet oder Zusatzstoffe hinzufügt, um die Eigenschaften des Kunststoffs zu modifizieren.