Wichtige Polymere (Vertiefungswissen)

Wichtige Polymere (Vertiefungswissen) Übung

• Benenne folgende Kunststoffe.

  Tipps

  Alle aufgeführten Polymere sind Homopolymere.

  Ein Homopolymer ist ein Kunststoff, der nur aus einer Monomerart aufgebaut ist. Die Monomere enthalten alle mindestens eine Doppelbindung.

  Der Name von Polymeren leitet sich oft aus dem Namen des Monomers mit der Vorsilbe Poly- ab.

  Lösung

  Obige Materialien sind alles Homopolymere, d.h., sie sind ausschließlich aus einer Monomerart aufgebaut. Alle Monomere enthielten ursprünglich eine Doppelbindung mehr. Bei der Polymerisation (z.B. radikalische Polymerisation von Styrol, s. Grafik) wird die Doppelbindung benötigt, um ein neues Monomer anzuknüpfen. Deswegen ist diese im Polymer nicht mehr aufzufinden.

  Die Namen der Polymere leiten sich systematisch von den Namen des Monomers ab:

  • Polyethylen z. B. besitzt als Monomer Ethen, welches auch als Ethylen bezeichnet werden kann. Vor den Namen des Monomers wird die Vorsilbe Poly- eingefügt, und schon ist der Name vom Polymer abgeleitet worden.

• Nenne Anwendungsbereiche folgender Kunststoffe.

  Tipps

  Ein häufig verwendetes Polyamid (PA) ist Nylon.

  PTFE dient zur Herstellung von feuerfesten Beschichtungen.

  Lösung

  Kunststoffe begegnen uns in unserem täglichen Leben: Sei es eine Verpackung, eine Flasche, eine Cremedose, das Auto oder der Laptop. Alle diese Gegenstände enthalten verschiedenartige Kunststoffe. Je nach Monomer und Herstellungsmethoden schwanken die Eigenschaften der Polymere. Während eine radikalische oder eine kationische Polymerisation meist nur sehr weiche, ölige Polymere liefert, können durch eine anionische oder katalytische Polymerisation sehr harte Materialien gewonnen werden.

  Je nach Härte des Materials und Widerstandsfähigkeit gegenüber Säuren, Basen und Lösungsmitteln sowie dem Austritt von gesundheitsschädlichen Stoffen (PVC → HCl) werden die Kunststoffe in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt. Viele Polyamide (v. a. Nylon) werden zur Herstellung von Kunstfasern für die Textilindustrie benötigt. Das PTFE (Teflon) ist ein wichtiger Kunststoff für inerte, nicht brennbare Beschichtungen. Die am häufigsten verwendeten Kunststoffe haben sieben Recycling-Codes erhalten (s. Grafik), durch die sie leicht auf jedem Gegenstand erkannt werden können.

  • 01: PET (Polyethylentherephthalat) → Flaschen
  • 02: HDPE (High-Density-Polyethylen) → Haushaltsgegenstände
  • 03: PVC (Polyvinylchlorid) → Leisten, Schienen, Rohre
  • 04: LDPE (Low-Density-Polyethylen) → Folien, Plastikbecher
  • 05: PP (Polypropylen) → widerstandsfähige Haushaltsmaterialien
  • 06: PS (Polystyrol) → spröde, glasklare Materialien
  • 07: O (andere Kunststoffe wie Nylon, ABS, Polycarbonat, Polyurethane und Acrylate)

• Bestimme die Kunststoffklasse folgender Verbindungen.

  Tipps

  Bei der Kondensationsreaktion von zwei Aminosäuren wird eine Amidbindung aufgebaut.

  Carbonsäureamid

  Polyurethane werden auch Polycarbamate genannt.

  Lösung

  Die Kunststoffe unterteilen sich ebenso wie z.B. die Carbonylverbindungen in unterschiedliche Klassen. Die Bezeichnung der einzelnen Klassen leitet sich aus den funktionellen Gruppen ab.

  • PET ist beispielsweise ein Polyester, da er die charakteristische Carbonsäureestergruppe (s. Grafik) von der Terephthalsäure im Polymer enthält.

  • Polyurethane (PU, PUR) werden auch selten Polycarbamate bezeichnet, da diese funktionelle Gruppe, d.h. das Salz der Carbaminsäure, im Polymer vorhanden ist. Diese Gruppe ist sowohl eine Amid- als auch eine Estergruppe.

  • Polyamide wie z.B. Nylon enthalten die charakteristische Amidgruppe (s. Grafik).

• Bestimme die Monomere zu folgenden Copolymeren.

  Tipps

  Isopren ist der Trivialname für 2-Methylbuta-1,3-dien.

  Alle Monomere der Copolymere besitzen mindestens eine Doppelbindung.

  Lösung

  Obige Materialien sind Copolymere, d.h., sie sind aus mindestens zwei Monomerarten aufgebaut. Alle Monomere enthielten ursprünglich eine bzw. eine Doppelbindung mehr. Bei der Polymerisation (z.B. radikalische Polymerisation von Styrol) wird die Doppelbindung benötigt, um ein neues Monomer anzuknüpfen. Deswegen ist diese im Polymer nicht mehr aufzufinden. Bei den abgebildeten Polymeren handelt es sich um:

  • ABS - Acrylnitryl-Butadien-Styrol: Diese Copolymer setzt sich aus den Monomeren Styrol, Acrylnitril (Prop-2-en-nitril, Acrylsäurenitril) und Buta-1,4-dien zusammen.
  • SAN - Styren-Acrylnitril-Copolymer: Dieses Copolymer bildet sich ebenfalls aus Acrylnitril (Prop-2-en-nitril, Acrylsäurenitril) und Styrol.
  • IIR - Isopren-Isobuten-Kautschuk oder Butylkautschuk: Dieser Kautschuk wird über eine kationische Polymerisation aus Isopren (2-Methyl-buta-1,3-dien) und Isobuten (2-Methyl-prop-1-en) dargestellt.

• Bestimme die Trivialnamen folgender Kunststoffabkürzungen.

  Tipps

  Der Recycling-Code 01 ist oft auf Plastikflaschen zu sehen.

  Die Buchstabencodes der Polymere setzen sich meist aus den Anfangsbuchstaben der einzelnen Wortsilben zusammen.

  Lösung

  Die Kurzzeichen der Polymere beziehen sich immer auf das bzw. die Basismonomere. In einem Homopolymer enthält das Kurzzeichen meist die Abkürzung für das Monomer.

  • z.B.: PVC steht für Polyvinylchlorid, wobei VC die Abkürzung für das Monomer Vinylchlorid (auch Chlorethen genannt) ist.

  Bei Copolymeren erfolgt die Benennung über die Kurzzeichen der Homopolymere:

  • z.B. ein Polystyrol-Polyacrylnitril-Blockcopolymer erhält die Abkürzung: PS-b-PAN.

• Erkläre die Herstellungsmethoden für folgende Polymerklassen.

  Tipps

  Lösung

  Eine Polykondensation ist eine mehrmals wiederholt ablaufende Kondensationsreaktion, die Monomere in Polymere überführt. Eingesetzte Monomere müssen mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen, die besonders reaktionsfähig sind (z. B. $–OH,$ $~–C(=O)-OH,$ $~–NH_2,$ $~–C(=O)-H~ …$), damit sie in solch einer Reaktion umgesetzt werden können.

  • Zur Herstellung von Polyestern werden Hydroxycarbonsäuren, Diole und Dicarbonsäuren eingesetzt. (Grafik: Synthese von Polyethylenglycol)
  • Die Polykondensation von Carbaminsäuren führt zur Ausbildung von Polyamiden (Bei Umsetzung von Aminosäuren heißt das Produkt nicht Polyamid, sondern Peptid).

  Neben der Polykondensation gibt es noch die radikalische, kationische und anionische Polymerisation. Die anionische Polymerisation eignet sich zur Polymerisation von Monomeren mit stark elektronenziehenden Gruppen ($–C(=O)-OH,~-C \equiv N,~-NO_2$), während bei einer kationischen Polymerisation nur Monomere mit elektronenschiebenden Gruppen ($NR_2,~-OR$) umgesetzt werden können. Die radikalische Polymerisation eignet sich für die Polymerisation von Verbindungen mit allylischer oder benzylischer Doppelbindung oder allgemein Alkenen (Propylen, Ethylen, Styrol, Vinylchlorid).

  Zur Synthese von den Siliconen wird keine dieser bekannten Polymerisationsvarianten eingesetzt, sondern Silicium und Chlormethan werden in einem Reaktor bei hohen Temperaturen unter Kupferkatalyse zu den Poly(organo)siloxanen umgesetzt.