In diesem Kurstext erklären wir dir als angehenden Techniker die Polyreaktion bei Kunststoffen und geben dir einen Überblick zu den verwendeten Elementen.
“Die Herstellung von Kunststoffen erfolgt über chemische Reaktionen.”
Polyreaktion – Grundlegendes
Kunststoffe kennzeichnet, dass sie künstlich aus Grundmolekülen erzeugt werden, die dann zusammen als Makromoleküle agieren.
Die Grundmoleküle bezeichnet man in der Werkstofftechnik als Monomere. Einzelnen Monomere bilden zusammen mit anderen Monomeren Ketten, die durch die Atombindungen dieser zusammengehalten werden.
- Monomere sind niedermolekulare Stoffe
sowie
- Polymere sind hochmolekulare Stoffe
Um die Länge der Ketten und somit die Anzahl der Monomere in einem Makromolekül bestimmen zu können, macht es Sinn, dass man den Polymerisationsgrad ermittelt.
Die Polymerisation eignet sich ebenfalls für Bestimmungen von Makromolekülen aus Polykondensation und Polyaddition. Beide Varianten folgen in einem späteren Kursabschnitt.
Polyreaktion – Elemente, Arten, Funktionelle Gruppen
Damit eine Polyreaktion überhaupt erfolgreich stattfinden kann, ist es zwingend erforderlich, dass die verwendeten Elemente über Moleküle verfügen, die mindestens zwei reaktionsfähige Stellen verfügen. In diesem Zusammenhang spricht man auch von reaktionssensiblen Stellen oder funktionellen Gruppen.
Die Stellen haben einen direkten Einfluss auf die Eigenschaften und Beschaffenheiten des Monomers.
Arten von Monomeren
- Liegen uns Monomere mit zwei funktionellen Gruppen vor, so bezeichnet der Techniker diese als bifunktionell. Sie bilden kettenartige Moleküle aus, die sich thermoplastisch verhalten.
oder
- Monomere mit drei funktionellen oder mehrfunktionellen Gruppen bilden räumliche Netzwerke aus. Diese Netzwerken können sich duroplastisch oder gummielastisch verhalten.
Elemente des Polymers
Wir haben ja bereits Duroplasten, Elastomere und Thermoplasten kennengelernt und sie nach mechanischen sowie thermischen Eigenschaften unterschieden. Nun schauen wir uns aber ein Mal an aus welchen Elemente diese überhaupt bestehen.
Am Bau von Makromolekülen sind nachfolgende Elemente beteiligt.
- C – Kohlenstoff
sowie
- H – Wasserstoff
sowie
- O – Sauerstoff
sowie
- N – Stickstoff
sowie
- Cl – Chlor
sowie
- F – Fluor
sowie
- S – Schwefel
sowie
- SI – Silicium
Die Elemente O, N, Cl, F und S haben einen Dipolcharakter und bilden Dipole aus, die dazu führen, dass diese Makromoleküle besonders gut haften.
Funktionelle Gruppen bei Polymeren
- In Aminen bilden sich
-Gruppen aus.
sowie
- In Alkoholen bilden sich
-Gruppen aus.
sowie
- In Cyanaten bilden sich
-Gruppen aus.
Darüberhinaus entstehen Kohlenstoff-Doppelbindungen.
Polyreaktion – Aktivierungsenergie
Wenn du eine funktionelle Gruppe von Monomeren vor dir liegen hast, dann merkst du schnell, dass einfach nichts passiert. Um eine Reaktion zu erzeugen, bedarf es einer Reaktionsenergie, besser bekannt unter dem Namen Aktivierungsenergie. Hierbei haben sich zwei Formen der Energiezufuhr durchgesetzt:
Thermische oder elektromagnetische Energie zuführen. Dazu zählen Lichtwellen, UV-Strahlen und Wärmeenergie.
Zusätze zuführen, die eine Reaktion initiieren oder als Katalysatoren agieren. Die Stadien, die bei der Polyreaktion ablaufen siehst du nachfolgend:
Die Aktivierung öffnet die Doppelbindung und führt zu einer Entstehung von reaktionsfähigen Radikalen, die sich dann zu Ketten (Polymeren) zusammenschließen.
Wie bei beinahe jedem chemischen Prozess gilt:
Achte auf die Störsubstanzen und wenn welche vorliegen entferne sie.
Denn nur so ist eine störungsfreie Reaktion möglich. Eine besonders lästige Störsubstanz ist wie so oft, Sauerstoff.
Damit dieser nicht stört, erfolgt die Polyreaktion zumeist unter einer Schutzatmosphäre mit Inertgas oder in einem Beinahe-Vakuum.
Polyreaktion – Ablauf
Die Polyreaktion kann einer Substanz oder in einer Lösung auftreten.
- Polyreaktion in Substanz: Hier reagieren die reinen Monomere.
sowie
- Polyreaktion in Lösung: Hier reagieren die verdünnten Monomere.
In Lösungen wird die Bildung von Mizellen durch die Hinzugabe von Emulgatoren begünstigt. Mizellen stellen eine Ansammlung von Emulgatoren dar, die einen wasserliebenden und einen wasserabweisenden Teil besitzen.
- Der wasserliebende Teil, dem Techniker als hydrophiler Teil bekannt, richtet sich nach außen.
sowie
- Der wasserscheue oder wasserabweisende Teil, besser bekannt als hydrophober Teil richtet sich nach innen.
Ähnlich einer Schwangerschaft mit heranwachsendem Baby, reichern sich in den Mizellen Monomere an und bilden sich infolge der Polyreaktion zu Polymeren aus.
Die gesamte Polyreaktion erfolgt in vier getrennten Teilen, wie in der nächsten Abbildung veranschaulicht:
Zu Abbildung:
- Zu Beginn liegen die Emulgatormoleküle noch völlig ungeordnet vor und beginnen sich sehr langsam auszurichten.
- Ist die Ausrichtung abgeschlossen so liegt eine geordnete Emulgatorzelle vor, die wir bereits als Mizelle kennengelernt haben.
- Innerhalb der Mizelle sammeln sich Monomere
- Diese Monomere reagieren infolge der Polyreaktion zu Polymeren.
Zum Ende der Polyreaktion stehen wir aber noch vor einem Problem. Wir kommen wir die Polymere aus der Lösung herausgetrennt? Vier Optionen stehen uns zur Verfügung um ein festes und reines Produkt zu erhalten.
- Trennung mittels Trockung
sowie
- Trennung durch Filtrieren
sowie
- Trennung durch Zentrifugieren
sowie
- Trennung durch Sedimentieren
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