Temperaturverhalten von Kunststoffen (Schulniveau)

Unter Kunststoffen verstehen wir sehr große Moleküle, die aus kleinen Bausteinen (= den Monomeren) zusammengesetzt werden. Um einen Kunststoff aus einer Vielzahl an Polymeren aufzubauen, gibt es im Wesentlichen drei „Herstellungsverfahren“: Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation.

Dabei können die Monomere selbst lineare oder verzweigte Moleküle sind, so dass in einem Polymer die einzelnen Strukturteile vernetzt oder unvernetzt vorliegen. Je nach Verzweigungsgrad des Polymers unterscheidet man Thermoplasten und Duroplasten. Allerdings gibt es zwischen den beiden Vernetzungsgraden (Ja/nein) noch einen „mittleren“ Vernetzungszustand, solche Polymere werden als Elastomere bezeichnet.Die Struktur des Polymers hat damit erhebliche Auswirkung auf das Temperaturverhalten des Kunststoffs.

Temperaturverhalten von Kunststoffen

Wie bereits im Kapitel „Struktur von Kunststoffen“ erwähnt, ist das mechanische Verhalten von Kunststoffen erheblich von der Temperatur abhängig. So können bereits kleine Änderungen der Temperatur zu deutlichen Änderungen in den mechanischen Eigenschaften führen. Wie bei anderen „Stoffklassen“ kann man feste Stoffe danach einteilen, ob sie beim Erwärmen formbar werden, oder nicht (sich sogar bei Erwärmung zersetzen). Dies hängt an der Verknüpfung der einzelnen Atome / Atomgruppen (Primärbindung) und die „Verknüpfung“ einzelner Polymerketten zu einem Makromolekül. Beim Erwärmen können Sekundärbindungen (wie Van-der-Waals-Kräfte) überwunden werden, der Stoff ist somit verformbar. Primärbindungen können durch Erwärmen nur „zerstört“ werden, in diesem Fall würde sich der Stoff beim Erhitzen zersetzen.

Ohne tief in die Bindungstheorie einzugehen, lässt sich dies auch auf Kunststoffe übertragen. Die oben erwähnten „Grenzfälle“ entstehen, in dem eine Struktur aus linearen (die mit anderen Strukturen über Van-der-Waals-Kräfte verbunden ist) Polymerketten oder vernetzten (die Strukturen sind über Atombindungen verknüpft) Polymerketten besteht. Kunststoffe, deren Makrostruktur aus linearen Ketten aufgebaut wird,können beim Erwärmen geschmolzen und verformt werden. Sind im Makromolekül die einzelnen Polymerketten (durch Primärbindungen) vernetzt, können diese Kunststoffe beim Erwärmen nicht verformt werden, in der Regel zersetzen sie sich ab einer bestimmten Temperatur.

Thermoplaste: Thermoplasten bestehen aus linearen oder verzweigten Polymerketten. Die einzelnen Polymerketten sind im Makromolekül durch Van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrücken „verknüpft“. Daher erweichen Thermoplasten beim Erwärmen (beim Erreichen des Erweichungspunkts) und schmelzen dann (Überwindung der Sekundärbindung).

Duroplaste: Duroplasten sind vernetzte Polymerketten. Die einzelnen Polymerketten sind im Makromolekül durch Atombindungen verknüpft. Daher sind Duroplasten im Allgemeinen härter als Thermoplasten. Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur können Duroplasten erweichen, schmelzen aber in der Regel nicht, sondern zersetzen sich.

Elastomere: Elastomere sind wie Duroplasten vernetze Polymerketten. Allerdings sind die Polymerketten weitmaschig miteinander vernetzt. Wie auch bei den Duroplasten kann man diese nicht Schmelzen, sondern -in der Regel- erreichen (ab einer bestimmten Temperatur) die Zersetzungstemperatur und zersetzen sich.