(WT1-17) – Polyreaktion

Inhaltsverzeichnis

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 - Kunststoffe herstellen
Polyreaktion – Kunststoffe herstellen

 


Polyreaktion – Grundlegendes


Kunststoffe kennzeichnet, dass sie künstlich aus Grundmolekülen erzeugt werden, die dann zusammen als Makromoleküle agieren.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

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

 

 

undefiniert
Wie viel Grad haben wir?...

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

 

Merk's dir!
Merk's dir!

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 NH_2-Gruppen aus.

sowie

  • In Alkoholen bilden sich OH-Gruppen aus.

sowie

  • In Cyanaten bilden sich NCO-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:

 

Polyreaktion - Typen, Monomer, Radikal, Polymer
Polyreaktion – Typen, Monomer, Radikal, Polymer

 

Die Aktivierung öffnet die Doppelbindung und führt zu einer Entstehung von reaktionsfähigen Radikalen, die sich dann zu Ketten (Polymeren) zusammenschließen.

 

Merk's dir!
Merk's dir!

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.

 

undefiniert
Schatz, der Mizellentest ist positiv....

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:

 

Mizelle - vom Monomer zum Polymer
Mizelle – vom Monomer zum Polymer

 

Zu Abbildung:

  1. Zu Beginn liegen die Emulgatormoleküle noch völlig ungeordnet vor und beginnen sich sehr langsam auszurichten.
  2. Ist die Ausrichtung abgeschlossen so liegt eine geordnete Emulgatorzelle vor, die wir bereits als Mizelle kennengelernt haben.
  3. Innerhalb der Mizelle sammeln sich Monomere
  4. 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

 

 



wie gehts weiter?
Nachdem du bis jetzt weißt, was die Polyreaktion ist, folgen in den kommenden Kurstexten, die Polymerisation, in radikaler, ionischer und katalytischer Form sowie die Polykondensation und Polyaddition.

 

Trainingsbereich

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