Schaumstoffe und Schäumungsverfahren

Schaumstoffe und Schäumungsverfahren Übung

• Erkläre die Unterschiede zwischen Kunststoff und Schaumstoff.

  Tipps

  Die eigentliche Polymerisationsreaktion und die Aufschäumung sind zwei verschiedene Prozesse. Styrol kann also auch zu Polystyrol reagieren, ohne dabei aufzuschäumen.

  Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist zum Beispiel bei Kochtöpfen erwünscht, damit die Wärme der Herdplatte möglichst schnell auf das Wasser oder die im Topf befindlichen Speisen übergehen kann. Demnach sind Kochtöpfe aus guten Wärmeleitern wie Metallen gefertigt.

  Lösung

  Wenn Styrol zu Polystyrol reagiert, bildet sich ein Kunststoff bestehend aus langen Polymerketten. Dieser ähnelt aber dem aufgeschäumten Kunststoff noch nicht. Erst durch das gleichzeitige Aufschäumen des Styrols – entweder auf chemischem oder physikalischem Weg – entsteht ein sehr leichter Stoff, den man umgangssprachlich als Styropor bezeichnet. Beim Aufschäumen wird Luft zwischen den Polymerketten eingeschlossen, die am Ende ca. 99% des gesamten Volumens ausmacht. Daher ist aufgeschäumtes Polystyrol auch viel leichter als ungeschäumtes. Der gute Wärmeisolationseffekt beruht darauf, dass die eingeschlossene Luft ein sehr guter Wärmeisolator ist. Es entstehen keine wärmeisolierenden Stoffe aus der Reaktion zwischen Luft und Styrol.

  Geschäumtes Polystyrol hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als ungeschäumtes Polystyrol, weil die eingeschlossene Luft die Wärme sehr viel schlechter leitet als das umgebende Polymer.

• Beschreibe Eigenschaften und Verwendung von aufgeschäumtem Polystyrol.

  Tipps

  Durch seine Eigenschaften kannst du auf die Verwendungen schließen.

  Lösung

  Nomenklatur

  Die Abkürzung EPS verrät schon, dass das Wort in der ersten Lücke mit dem Buchstaben „E“ beginnen muss, denn „PS“ steht bereits für Polystyrol. Das E steht für expandiert und bedeutet, dass sich das Polystyrol durch die Schäumung ausgedehnt hat.

  Aufgebaut ist Polystyrol aus kleinen Monomer-Einheiten, dem Styrol. Polystyrol ist nichts anderes als viele aneinander gereihte Styrol-Moleküle. Der Wortteil „Poly-“ steht dabei für viele.

  Eigenschaften

  Da expandiertes Polystyrol aufgeschäumt wird, muss es zu einem Großteil aus Luft bestehen. Luft hat eine geringe Dichte und aufgrund des hohen Volumenanteils an Luft im expandierten Polystyrol hat auch dieses eine niedrige Dichte.

  Wenn ein Stoff gut isoliert, bedeutet das im Umkehrschluss, dass er die Wärme nicht gut leitet. Die Wärmeleitfähigkeit von Polystyrol ist also gering.

  Da Polystyrol nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, ist dieses Molekül unpolar. Demzufolge nimmt es so gut wie kein Wasser auf.

  Verwendung

  Durch seine guten Isoliereigenschaften findet Styropor im Bauwesen Verwendung als Isoliermaterial. Die geringe Dichte und die wasserabweisenden Eigenschaften von Styropor rechtfertigen die Verwendung dieses Materials zur Herstellung von Schwimmhilfen.

• Unterscheide die Eigenschaften von „Hartschaum“ und „Weichschaum“.

  Tipps

  Welche Begriffe schließen sich logisch aus, können also nicht zu ein und demselben Überbegriff gehören?

  Lösung

  Weichschaum

  Weichschaum besteht aus vielen langkettigen Polymersträngen, die untereinander nicht bzw. kaum vernetzt sind, sowie darin eingelagerten Gasen. Diese Ketten entstehen aus bifunktionellen Isocyanaten, weil diese an jedem Ende über genau ein reaktives Zentrum verfügen, das immer für eine Kettenverlängerung sorgt. Aufgrund der fehlenden Querverbindungen entstehen eher offene Zellen. Die wenigen Verknüpfungsstellen zwischen den Polymerketten sorgen dafür, dass sie leichter aneinander vorbeigleiten können, ein Charakteristikum für Thermoplasten.

  Hartschaum

  Hartschaum kann man sich auf molekularer Ebene als ausgedehnte Polymernetze mit eingelagertem Gas vorstellen. Von dieser Vernetzung rührt die Härte her und somit die Klassifikation als Duroplast. Aufgrund des Einsatzes trifunktioneller Isocyanate zur Herstellung des Hartschaums entstehen nicht nur lange Ketten, diese Ketten können auch Querverbindungen zu anderen Ketten ausbilden. Dabei entstehen vornehmlich geschlossene Zellen.

• Untersuche die abgebildeten Moleküle auf ihre strukturellen Merkmale.

  Tipps

  Manche Gruppen tauchen in den Ausgangsstoffen und Reaktionsprodukten auf, andere Gruppen sind durch Reaktion im Produkt nicht mehr vorhanden.

  Die Urethan-Gruppe entsteht aus der Reaktion von Hydroxygruppe und Isocyanatgruppe.

  Lösung

  Isocyanatgruppe

  Die Isocyanatgruppe ist $-NCO$, wobei sowohl zwischen N und C als auch zwischen C und O eine Doppelbindung auftritt. Diese funktionelle Gruppe taucht im Edukt auf.

  Butylgruppe

  Der Name Butylgruppe leitet sich von dem Alkan Butan mit der Summenformel $C_4H_{10}$ ab. Dementsprechend ist die Butylgruppe die Kohlenstoffkette mit vier Kohlenstoffatomen und zugehörigen Wasserstoffatomen. Sie tritt sowohl im Eduktmolekül als auch im Polyurethan auf, da sie an der Reaktion nicht beteiligt ist.

  Hydroxygruppe

  Die Hydroxygruppe ist die funktionelle Gruppe $-OH$. Sie ist das charakteristische Element aller Alkohole. Sie taucht im zweiten Eduktmolekül auf. Im Produktmolekül, dem Polyurethan, tauchen die Hydroxygruppen nicht mehr auf, da sie an der Reaktion beteiligt sind.

  Urethan-Gruppe

  Die Urethan-Gruppe ist $-NH-CO-O-$. Sie darf nicht verwechselt werden mit der Peptid-Gruppe $-NH-CO-$, die in allen Proteinen auftritt. Die Urethan-Gruppe taucht in den Molekülen der Ausgangsstoffe nicht auf, da sie erst aus Hydroxygruppe und Isocyanatgruppe gebildet wird. In der Wiederholungseinheit des Produktmoleküls taucht sie allerdings gleich zweimal auf.

• Beschreibe Schäumungsverfahren der Polyurethane.

  Tipps

  Bei der chemischen Aufschäumung reagieren Stoffe miteinander.

  Lösung

  Physikalische Aufschäumung

  Polymere werden bei der Polymerisation hergestellt. Durch bestimmte Zusätze erfolgt die Aufschäumung. Alkohole haben aufgrund ihrer polaren Hydroxygruppe höhere Siedetemperaturen als Alkane. Da zur Schäumung aber gerade niedrig siedende Verbindungen geeignet sind, werden Alkane verwendet.

  Chemische Aufschäumung

  Setzt man dem Gemisch kleine Mengen Wasser zu, so können einige Isocyanatgruppen mit diesem reagieren und es entsteht das Gas Kohlenstoffdioxid. Dieses Gas verursacht dann die Aufschäumung des Polymers.

• Benenne die Edukte, Produkte sowie die Reaktionstypen bei folgenden Polymerisationen.

  Tipps

  Denke an die Regeln der chemischen Nomenklatur. Moleküle mit Doppelbindung besitzen die Silbe -en im Namen.

  Werden Teile des Moleküls in Klammern gesetzt und erhalten ein n oder m, bedeutet das, dass sie n- bzw. m-mal wiederholt werden.

  Lösung

  Bezeichnung der Reaktionstypen

  Für die Bezeichnung der beiden Reaktionen stehen drei Namen zur Verfügung: Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition. Wir können die Polykondensation direkt ausschließen, denn bei diesem Reaktionstyp entsteht als Nebenprodukt Wasser, was bei unseren beiden Reaktionen nicht der Fall ist. Die zweite Reaktion muss die Polyaddition sein, denn bei Additionsreaktionen reagieren zwei Ausgangsstoffe zu einem Produkt unter Aufspaltung einer Doppelbindung. Im Beispiel ist es die Doppelbindung zwischen Stickstoff und Kohlenstoff im Isocyanat, die aufgebrochen wird. Für die erste Reaktion bleibt demzufolge nur der Begriff Kettenpolymerisation.

  Bezeichnung der Reaktionsprodukte

  Das Reaktionsprodukt der ersten Reaktion ist das Polystyrol. Das Reaktionsprodukt der zweiten Reaktion ist Polyurethan. Man erkennt die Zugehörigkeit zu dieser Gruppe an der Urethan-Gruppe $-O-CO-NH-$.

  Bezeichnung der Ausgangsstoffe

  Das Monomer des Polystyrols kann auch einen systematischen Namen tragen. Man kann das Molekül auf mindestens zwei Arten lesen: Entweder man argumentiert, dass ein Ethen-Rest an einem Benzolring hängt, oder dass ein Benzol-Rest am Ethen hängt. Die zweite Variante ist zielführend. Ein Benzolrest wird als Phenyl bezeichnet und daraus ergibt sich der Name Phenylethen.

  Der erste Ausgangsstoff in der zweiten Reaktion hebt sich von den anderen dadurch ab, dass er bereits ein Polymer ist. Um den Namen ausfindig zu machen, sollte man die eckigen Klammern ignorieren und den Namen des Stoffes finden, der sich daraus ergibt. Es ist der zweiwertige Alkohol, der sich vom Ethan ableitet. Nach systematischer Nomenklatur mit Ethan-1,2-diol bezeichnet, wird er viel öfter Ethylenglykol genannt. Fügen wir für unserem Makromolekül wieder die charakteristische Vorsilbe an, erhält man den Namen Polyethylenglykol.

  Der zweite Ausgangsstoff der zweiten Reaktion trägt auf jeden Fall die chemische Bezeichnung Toluol im Namen, da er einen Benzolring mit Methylgruppe enthält. Es stehen die beiden Bezeichnungen 2,6-Dinitroltoluol und 2,6-Toluoldiisocyanat zur Auswahl, wovon nur die Letztere korrekt ist, da das Molekül zwei Isocyanatgruppen $-NCO$ und nicht zwei Nitrogruppen $-NO$ trägt.