Kunststoffe

Abbildungen oben, unterer Rand:

Nach ihrem Molekülaufbau und ihrem Verhalten teilt man die Kunststoffe in Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere ein.

Thermoplaste bestehen aus unvernetzten Makromolekülen. Sie sind nicht besonders hitzebeständig und werden bei Erwärmung plastisch, lassen sich also leicht formen, z. B. Zahnriemen, Blinkerglas, Wassereimer, Getränkeflaschen.

Duroplaste bestehen aus stark vernetzten Makromolekülen, sie sind härter und spröder als die Thermoplaste und hitzbeständiger, da sie nicht aus gegeneinander beweglichen Molekülen, sondern einem Molekülgitter bestehen. Sie werden deshalb auch nicht plastisch, sondern zerfallen bei stärkerer Erwärmung durch Aufbrechen der Bindungen, z. B. Stoßstange.

Elastomere bestehen aus schwach vernetzten Makromolekülen. Sie sind ohne Erwärmung vorübergehend durch mechanische Einwirkung verformbar, lassen sich biegen und dehnen, finden aber durch die schwache Vernetzung in die Ausgangslage zurück (gummielastisch). Sie werden beim Erwärmen nicht plastisch, z. B. Reifen. (Man spricht zwar auch von thermoplastischen Elastomeren, die gummielastische Eigenschaften haben, weil die ungeordnete Molekülanordnung vor der Dehnung thermodynamisch günstiger ist und sie deshalb ohne Vernetzung in die Ausgangslage zurückfinden. Im engeren Sinne gehören diese aber nicht zu den Elastomeren.)

Abbildungen unten:

Das Foto rechts zeigt ein Panoramadach, das aus thermoplastischen Polycarbonat im Spritzgießverfahren (Grafiken) hergestellt wird. Polycarbonat ist ein Polyester, der durch Polykondensation aus Phosgen und einem Diol unter Abspaltung von Salzsäuregas hergestellt wird.

Man kann die Polykondensation (s. u.) auch an diesen Ausgangsstoffen darstellen oder eventuell vertiefen. Thermoplaste lassen sich im plastischen Zustand beliebig formen und sind hervorragend recycelbar. Entsprechend werden sie im Auto weit überwiegend verarbeitet. Die wichtigsten Verarbeitungsverfahren thermoplastischer Kunststoffe sind Spritzgießen, Extrudieren, Kalandrieren.

Auf der Basis eines Extruders arbeiten noch zwei weitere wichtige Verfahren, das Extrusionsblasen und das Extrusionsblasformen.

Beim Extrusionsblasen wird ein aus dem Extruder senkrecht von unten nach oben austretender Schlauch kräftig aufgeblasen, so dass ein dünnwandiger Folienschlauch entsteht, der einige Meter über der Austrittsöffnung auf Rollen gewickelt wird. So erzeugt man dünne Folien, Einkaufstüten etc.

Beim Extrusionsblasformen wird der aus dem Extruder senkrecht nach unten austretende Schlauch, wenn er jeweils eine bestimmte Länge hat, zwischen die beiden Hälften eines sich schließenden Werkzeugs gepresst, durch Blasdüsen von innen dem Werkzeugprofil angepasst und anschließend ausgeworfen. Hier wird der kontinuierliche Extrusionsprozess mit einem nicht kontinuierlichen Prozess der Blasformung verbunden. So werden Hohlkörper erzeugt, wie Flaschen, Kanister und Automobiltanks.

Da duroplastische Kunststoffe nicht plastifizierbar sind, kann man sie nicht als fertiges Kunststoffgranulat verarbeiten. Die Vernetzungsreaktion, die zur Entstehung des Duroplasten führt, findet erst im Werkzeug während der Formgebung statt. Ein thermoplastisches Vorkondensat mit diversen Zusätzen wird bei mäßiger Temperatur im Extruderteil der Spritzgießmaschine plastifiziert und in das stark erhitzte Werkzeug gepresst, wo es zum Duroplasten vernetzt. Das duroplastische Formteil kann heiß entformt werden, weil es sich nach der Vernetzung nicht mehr verformen lässt. Im Gegensatz dazu müssen thermoplastische Produkte noch in der Form gekühlt werden, damit sie sich nicht sofort wieder verformen. Die verschiedenen Reaktionen zur Bildung der Kunststoffe haben gemeinsam, dass jeweils kleine Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen verbunden werden, die in etwa ein Molekulargewicht von über 10.000 µ haben.

Duroplaste entstehen, wenn über die OH-Gruppen eines Polyols durch Kondensationsreaktion unter Wasserabspaltung Querverbindungen hergestellt werden oder wenn die Molekülketten noch Doppelbindungen enthalten, bei deren Aufspaltung die Ketten miteinander verbunden werden. Duroplaste werden bei der Autoherstellung überwiegend für Kleinteile benötigt, die einer höheren Hitzebelastung z. B. im Bereich des Motors oder der Beleuchtung ausgesetzt sind, z. B. Riemenscheibe, Drosselklappe, Kurvenlicht, Bremskolben.

Abbildungen Mitte:

Schaumstoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Die Abbildung zeigt die Verwendung im Auto am Beispiel eines Kindersitzes sowie die Labor-Herstellung von Polyurethanschaum (PU-Schaum), den Schüler als Dämmmaterial häufig schon kennen. Der in der Bilderfolge dargestellte Versuch lässt sich im Unterricht mit Desmophen und Diisocyanat leicht durchführen. Die Reaktion folgt im Prinzip der oben dargestellten Polyaddition, es fehlt nur die Zufuhr eines Treibmittels um das Ganze aufschäumen zu lassen. Treibmittel sind Stoffe, die während der Reaktion eine Gasentwicklung herbeiführen, die das Aufschäumen bewirkt. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Sorten von Treibmitteln:

• Physikalische Treibmittel, das sind Zusätze mit niedrigem Siedepunkt, die durch die Reaktionswärme gasig werden
• Chemische Treibmittel, das sind Zusätze, die mit einer Reaktionskomponente unter Abspaltung eines Gases reagieren ohne die Polyadditionsreaktion zu stören

Beim Polyurethan enthält das Desmophen-Aktivatorgemisch als Zusatz Wasser, das mit dem Desmodur unter Abspaltung von CO₂-Gas reagiert. Dabei bleiben aber die Cyanatgruppen an den Enden der entstehenden Moleküle erhalten, so dass die Polyadditionsreaktion ablaufen kann.

So sieht die vollständige Formel des Desmodurs (Diisocyanat) aus. Werden zwei dieser Moleküle miteinander in der unten gezeigten Weise verbunden, bleibt das neue Molekül ein Diisocyanat.