Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere (Expertenwissen)

Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere (Expertenwissen) Übung

• Gib an, um welche Art von Kunststoff es sich handelt.

  Tipps

  Epoxidharze werden zum Beispiel zum Beschichten von Außenseiten von Booten verwendet, um diese vor Beschädigungen zu schützen.

  Bauteile aus Polycarbonat werden im Spritzgussverfahren hergestellt.

  Lösung

  Silikone sind elastische Kunststoffe, die auf der Basis von Silizium hergestellt werden. Silikone werden zum dauerhaften Verkleben von Bauteilen verwendet, zum Beispiel, um Fensterscheiben in ihren Rahmen zu halten. Auch viele Dichtungen bestehen aus Silikon. Silikon ist ein bekanntes Beispiel für Elastomere.

  Duroplaste werden überall dort eingesetzt, wo besonders harte und widerstandsfähige Kunststoffe gefragt sind. Besonders strapazierfähige Werkstücke lassen sich zum Beispiel herstellen, indem Glasfasermatten mit Epoxidharz bestrichen werden. Die Glasfasern und der Kunstharz verbinden sich lückenlos und ergeben eine extrem harte, transparente Oberfläche. Oberflächen von Holzbooten lassen sich so beispielsweise verstärken.

  Für Thermoplaste gibt es viele Beispiele, sie sind die am meisten verwendeten Kunststoffe. Sie können im Spritzgussverfahren verarbeitet werden und so in jede gewünschte Form gebracht werden. Neben PE und PET gehört Polycarbonat zu den am meisten verwendeten Thermoplasten, da es eine hohe Transparenz aufweist.

• Nenne Gegenstände, die aus Duroplasten gefertigt sind.

  Tipps

  Duroplaste zeichnen sich durch besondere Härte und Widerstandsfähigkeit aus.

  Bei der Herstellung von Legosteinen wird Kunststoff erhitzt und in die gewünschte Form gepresst.

  Lösung

  Duroplaste sind besonders harte Kunststoffe. Diese hohe Widerstandsfähigkeit wird auf molekularer Ebene durch eine hohe Vernetzung zwischen den Polymer-Ketten erreicht. Dies hat jedoch Nachteile für die Verarbeitung des Werkstoffs: Da zwischen den Polymer-Ketten kovalente Bindungen vorliegen, lassen sich diese Kunststoffe nicht durch Erhitzen verflüssigen. Sie müssen daher schon während der Polymerisation in die gewünschte Form gebracht werden.

  Pistolengriffe und leichte, aber widerstandsfähige Kunststoffteile bei Motorrädern aus dem Motorsport werden aus Duroplasten gefertigt. Sie sind nicht verformbar und sehr verwindungssteif.
  Legosteine sollen zwar hart sein, müssen sich aber im Spritzgussverfahren verarbeiten lassen. Daher können sie nicht aus Duroplasten hergestellt werden.
  Verformbare Plastiktüten und Plastikflaschen können ebenfalls nicht aus den nicht verformbaren Duroplasten hergestellt werden. Das Material des Luftballons muss sehr elastisch sein, daher muss es sich um ein Elastomer handeln.

• Entscheide, welcher Kunststoff zum Einsatz kommt.

  Tipps

  Beim Spritzgussverfahren wird ein Kunststoff-Granulat erhitzt, bis es flüssig wird. Dieses wird dann unter Druck in die gewünschte Form gepresst.

  Lösung

  Die Plastiktüte ist auch heute noch allgegenwärtig. Sie ist ein Massenprodukt, das wegen seiner praktischen Eigenschaften sehr häufig verwendet wird. Plastiktüten werden aus Polyethylen (PP) hergestellt und zeigen die Eigenschaften dieses Thermoplasten. Das Material hat einen niedrigen Schmelzpunkt und zieht sich beim Erwärmen zusammen. Plastiktüten sind sehr leicht, da Polyethylen auch bei sehr geringer Schichtdicke noch sehr reißfest und strapazierfähig ist. Es verformt sich bei hoher Beanspruchung des Materials ohne zu reißen. Einmal verformt, bleibt es jedoch verformt, PP ist also nicht elastisch.

  Neopren ist der Markenname für ein synthetisches Kautschuk-Gemisch. Ein Bestandteil ist das Polychlorbutadien, daher wird das Gemisch auch Chloropren-Kautschuk genannt. Das Material ist sehr elastisch und schmilzt auch bei hohen Temperaturen nicht. Über 100°C zersetzt es sich. Daher ist Chloropren-Kautschuk ein Vertreter der Elastomere. Es quillt in Wasser nicht auf und lässt sich gut aufschäumen. Aufgeschäumtes Chloropren-Kautschuk wird aufgrund der guten Wärmeisolation als Material für Wassersport-Bekleidung verwendet und ist unter dem Markennamen Neopren bekannt.

• Erkläre das weite Einsatzspektrum der Thermoplaste.

  Tipps

  Das Spritzgussverfahren ist das am häufigsten verwendete Verfahren bei der Formgebung von Kunststoffteilen.

  Lösung

  Alle Kunststoffe, die bei einer bestimmten Temperatur in einen flüssigen, verformbaren Zustand übergehen, werden als Thermoplaste bezeichnet. Dies hat große Vorteile für die Verarbeitung. Der Kunststoff wird in Form eines Granulats hergestellt und weiterverkauft. Er kann aufgeschmolzen werden und durch Pressen in Negativformen in die gewünschte Form gebracht werden (Spritzgussverfahren). Nachdem der Kunststoff abgekühlt ist, bleibt er in der gewünschten Form.
  Durch eine Erhöhung der Temperatur lässt sich der Kunststoff anschließend erneut verflüssigen. Zwei Werkstücke lassen sich daher miteinander verschweißen, indem sie zum Beispiel mit einem Laser an bestimmten Stellen erhitzt werden.
  Thermoplaste lassen sich auch einfach recyceln, da sortenreine Thermoplaste sich einfach einschmelzen und erneut verwenden lassen.

  Thermoplaste bieten ein breites Spektrum an unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften. Sie können immer dann eingesetzt werden, wenn ein Werkstoff gefragt ist, der nicht elastisch, aber auch nicht zu steif oder zu hart sein soll. Die Härte von Thermoplasten ist jedoch begrenzt. Für sehr widerstandsfähige Werkstücke müssen daher Duroplaste verwendet werden.

• Fasse die unterschiedlichen Eigenschaften von Kunststoffen zusammen.

  Tipps

  Elastische Stoffe haben eine hohe Verformbarkeit.

  Lösung

  Die wichtigsten Eigenschaften, nach denen Kunststoffe eingeteilt werden können, sind Härte und Verformbarkeit. Je besser ein Kunststoff verformbar ist, desto geringer ist natürlich auch seine Härte.

  Ist ein Kunststoff auch bei Raumtemperatur gut verformbar und zeigt elastische Eigenschaften, dann wird er als Elastomer bezeichnet. Elastisch sind Stoffe, die nach einer mechanischen Verformung von selbst wieder in ihre Ausgangsform zurückkehren. Dies ist bei gummiartigen Kunststoffen der Fall.

  Thermoplaste sind bei Raumtemperatur schlecht oder nicht zu verformen, haben also eine höhere Härte. Erwärmt man diese jedoch, so werden sie gut verformbar oder sogar flüssig. Daher lassen sie sich gut in die gewünschte Form bringen, die sie sie nach dem Abkühlen behalten.

  Duroplaste sind harte Kunststoffe, die sich auch durch Erwärmen nicht mehr verformen lassen. Die Ausgangsstoffe müssen also bereits während der Polymerisation in die richtige Form gebracht werden.

• Erläutere den Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und chemischer Struktur der Kunststoffe.

  Tipps

  Kovalente Bindungen sind Bindungen, die wesentlich stärker sind als andere Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen.

  Lösung

  Die Eigenschaften eines Kunststoff-Werkstoffs lassen sich für Chemiker vorhersagen und steuern. Besonders wichtig ist hierbei der Grad der Vernetzung der Polymer-Ketten untereinander durch kovalente Bindungen. So kann ein Kunststoff, der aus den gleichen Monomeren aufgebaut ist, ganz unterschiedliche mechanische Eigenschaften zeigen. Je nach Art der Polymerisation und abhängig von den Reaktionsbedingungen kann nämlich ein unterschiedlicher Vernetzungsgrad erreicht werden.

  Unvernetzte, lineare Ketten werden durch schwache Wechselwirkungen zusammengehalten. Diese Wechselwirkungen können durch eine Erhöhung der Temperatur aufgehoben werden: Der Kunststoff geht vom festen in den flüssigen Zustand über. Dies ist bei Thermoplasten der Fall.

  Sind die Ketten über viele kovalente Bindungen vernetzt, lässt sich der Kunststoff nicht durch Temperaturerhöhung verflüssigen. Er bleibt fest und beginnt bei der Zersetzungstemperatur sich zersetzen. Liegen sehr viele Verknüpfungen vor, sind Bewegungen der Polymerketten mechanisch nicht möglich. Es handelt sich um sehr harte Werkstoffe, die sogenannten Duroplasten.

  Bei weniger stark verknüpften Ketten kommt es unter mechanischer Belastung zur Streckung von verknäulten Ketten. Die Ketten gleiten aufgrund der Bindungen jedoch nicht vollständig auseinander. Nach der mechanischen Beanspruchung gehen die Ketten wieder in ihre Ausgangslage zurück, das Material ist daher elastisch. Dies ist bei den Elastomeren der Fall.