Polymere in Industrie & Technik
Experimentalvortrag
von Tobias Gerhardt
am 16.06.2010
Inhalt
1. Einleitung2. Erstes industriell produziertes Polymer
• Versuch 1
3. Industrieübergreifende Polymere• Demonstration 1
4. Verpackungs- und Lebensmittelindustrie• Versuch 2 & 3
5. Medizintechnik• Versuch 4
6. Elektrotechnik• Demonstration 2
7. Bauindustrie• Demonstration 3 & Versuch 5
8. Schulrelevanz
16.06.2010 2
Polymere
• Ketten von konstitutiven Einheiten, welche durch kovalente, ionische oder Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verknüpft sind
• diese Grundbausteine entstehen aus den Monomeren
• Polypropylen:
16.06.2010 3
Monomer Grundbaustein(Propen) (konstitutive Einheit)
CH2 CH3
CH3
n
Klassifizierung
• Molekulare Struktur:
– Thermoplaste
• lineare oder verzweigte Polymere
– Elastomere
• weitmaschig vernetzte Polymere
– Duroplaste
• engmaschig vernetzte Polymere
16.06.2010 4
Abb. 1-3: Thermoplast,Elastomer, Duroplast
Klassifizierung der Polymere
• Herkunft:– anorganische Makromoleküle, z.B. Polyphosphate
oder Silikone
– organische Makromoleküle• natürliche Polymere (Biopolymere), z.B. Stärke, Cellulose,
DNA
• chemisch modifizierte Polymere, z.B. Cellulosetrinitrat(Schießbaumwolle), Zelluloid
• synthetische Polymere, z.B. Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC)
16.06.2010 5
Vorbereitung für Versuch 5
• Temperaturmessung in den Bechergläsern
• aufbewahren in den Dosen
16.06.2010 6
Erster industriell produzierter Kunststoff
• Anfang des 20. Jahrhunderts: Versuche zur Herstellung elektrischer Isolatoren durch die Phenol-Formaldehyd-Kondensationsreaktion
• Schellack: natürliches Harz aus den Ausscheidungen der Lackschildlaus war sehr teuer
• Kautschuk brannte bei hohen Strombelastungen durch
• Baekeland gelang bei Experimenten mit Phenol und Formaldehyd die Herstellung eines harten Kunstharzes(1905 - 1907)
16.06.2010 7
Erster industriell produzierter Kunststoff
• elektrisch nicht-leitend und beständig gegen Säure und Hitzeeinwirkung
• Hitze-Druck-Patent (1907) zur Produktion von Bakelit
• selbstentwickelter Bakelizer ermöglichte
ihm die Temperaturführung unter
Überdruck
16.06.2010 8
Abb. 4: Bakelizer
Versuch 1 - Bakelit
• Deprotonierung des Resorcins und SE-Ar mit Formaldehyd
• Anlagerung eines zweiten Resorcinmoleküls
16.06.2010 9
OH
OH
- H2O
+ OH-
O
OH
H O- O
-
OH
OHO-
OH
O
H H
O-
OH
OH O-
O
OHOH
H- OH-
O
OH
CH2
O-
OH
Versuch 1 - Bakelit
16.06.2010 10
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
O-
OH
OHOH
O OH
OHOH
CH2
O
H H
- OH-
Bakelit
• der hohe Vernetzungsgrad bedingt die Widerstandsfähigkeit dieses Duroplasten
• früher: Isolatoren für Hochspannungsleitungen, Aschenbecher, ...
• heute: mechanische und thermische Belastbarkeit, Brandresistenz, chemische Beständigkeit Schleifscheiben, elektrische Isolatoren, flammenhemmende Bindemittel in Schaumstoffen
16.06.2010 11
Abb. 6: Fernsprech-apparat W48
Abb. 5: Schaltersystemaus Bakelit
PlexiglasPolymethylmethacrylat (PMMA)
• amorpher, thermoplastischer Kunststoff
• glasklar, witterungsbeständig, hart, leicht
• 1928 von Otto Röhm patentiert und seit 1933 industriell produziert
• sehr gute optische Eigenschaften führen zur Verwendung als Lupen, Prismen und Linsen (bereits 1933)
• beständig gegen die meisten Chemikalien
• brennbar, wobei ein süßlicher fruchtiger Geruch entsteht
16.06.2010 12
Demonstration 1 - PMMA
16.06.2010 13
Polymethylmethacrylat
• industrielle Herstellung nur durch radikalischePolymerisation von Methylmethacrylat
• Bildung des Startradikals durch Erwärmen
16.06.2010 14
O
OO
O
O
O2 2 + C
O
O
2
Polymethylmethacrylat
• Kettenstart
• Fortpflanzung
16.06.2010 15
CH2 CH3
OO
CH3
+C
CH3
OO
CH3
C
OO
CH3
CH3 CH3 CH3
OO
CH3
OO
CH3
OO
CH3
CH3
CCH3
OO
CH3
+
CH2 CH3
OO
CH3
Polymethylmethacrylat
• Abbruchreaktionen
– Rekombinationen
– Disproportionierung
16.06.2010 16
R1 C
CH3
OO
CH3
R2C
CH3
O O
CH3
+O
CH3
CH3
O
CH3
CH3
O O
R1
R2
R1
C
CH3
OO
CH3
OO
CH3
CH3
H H
R2
C
CH3
O O
CH3
O O
CH3
CH3
H H
R1
CH3
OO
CH3
OO
CH3
CH3
H H
HR
2CH3
O O
CH3
O O
CH3
CH3
H
+
Polymethylmethacrylat
• Änderung der Eigenschaften durch Einbau anderer Grundbausteine ( Copolymere)– mit < 10 Massenprozent Butylacrylat ergibt sich
schlagfestes PMMA
• auch reines PMMA besitzt bereits eine sechsmal höhere Schlagzähigkeit als Glas bei einem deutlich geringeren Gewicht
16.06.2010 17
CH2O CH3
O
Industrieübergreifendes Polymer
• Copolymerisate von PMMA sind relativ teuer und werden nur dort eingesetzt, wo die
Qualität entscheidend ist
– Verglasung von Flugzeugen,
Aquarienschaufenster
• homopolymeres PMMA: Brillengläser, Autoleuchten, Rohre in der Getränkeindustrie
16.06.2010 18
Abb. 7: Schaufenster MonterreyBay Aquarium
Verpackungs- und Lebensmittelindustrie
• Polymethylmethacrylat (PMMA): Rohre
• Polyethylentherephthalat (PET): Getränkeflaschen
• Polytetrafluorethylen (PTFE): Pfannenbeschichtungen (Teflon)
• Polystyrol (PS): Joghurtbecher und Verpackungsmaterial (Styropor)
16.06.2010 19
Versuch 2 - Styropor aus Joghurtbechern
• Gleiches löst sich in gleichem: Polystyrol und Essigsäureethylester sind unpolar
• in Pentan erfolgt Agglomeration
• Pentan dringt in die Zwischenräume ein und umgibt die Polymerketten vollständig
16.06.2010 20
CH3 O
O
CH3
H H H H
Versuch 2 - Styropor aus Joghurtbechern
• Erhitzen des Agglomerats führt zur Verdampfung von Pentan (Sdp.: 36 °C) und Aufblähung des Polystyrols
• 1839 von Eduard Simon als unvorhergesehenes Polymerisationsprodukt von Styrol (aus dem Storax-Baum) entdeckt
• Erst 1931 von I.G. Farben großtechnisch produziert
16.06.2010 21
Polystyrol
• Radikalische Polymerisation von Styrol
16.06.2010 22
CH
+
CH2
+
CH2CH CH
H H H H
Polystyrol
• Statischer Mischer
16.06.2010 23
Abb. 8: Statischer Mischer
Polystyrol
• harter, glasklarer und spröder
Kunststoff
• problemlose Verarbeitung (Thermoformen) und günstiger Preis: – Elektro- und Automobiltechnik, Haushalts- und
Spielzeugartikel, (Lebensmittel-) Verpackungen, etc.
16.06.2010 24
Abb. 9: Polystyrol-granulat
Biopolymere in der Industrie
• z.B. Stärke, DNA, Naturkautschuk
• Stärke: Homoglykan mit zwei Strukturformen– Amylose (20-30 %), Helix
– Amylopektin (70-80 %),
stark verzweigte Struktur
16.06.2010 25
Abb. 10: Amylose (links)und Amylopektin (rechts)
Versuch 3 - Essbares Einweggeschirr
• Stärke und Mehl wirken als Superabsorber und Verdickungsmittel, d.h. sie nehmen Wasser auf und binden es in ihren Strukturen
Erhöhung der Viskosität
• beim Erhitzen siedet das Wasser und die Masse quillt auf, wird gelartig und erstarrt beim Abkühlen
16.06.2010 26
Versuch 3 - Essbares Einweggeschirr
• die Blasen entstehen durch die thermische Zersetzung von Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3):
2 NaHCO3(s) Na2CO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
16.06.2010 27
Essbares Einweggeschirr
• Einweggeschirr aus Stärke ist biologisch abbaubar und schont somit die Umwelt mehr als Kunststoff- oder Pappteller etc.
• Entsorgung durch Verbrennung, Kompostierung, Biovergasung, evtl. Tierfutter
• es kann auch verzehrtwerden, besitzt aber häufigkeinen Eigengeschmack
16.06.2010 28
Abb. 11: Essbare Snack-Schalez.B. für Pommes frites
Medizintechnik
• Forschung begann gegen Ende des zweiten Weltkriegs aufgrund geringer Antireaktionen auf Kriegswunden mit Kunststoffsplittern
• biostabile Prothesen/Implantate– Kunststoffzähne, die mit zahnfleischfarbenem Kunststoff
verbunden sind
• chirurgisches Nahtmaterial & Klebstoffe für Wunden– leicht aufzutragen und versiegelt innerhalb von Sekunden
ohne Anästhesie
16.06.2010 29
Versuch 4 - Drug delivery system
• Aspirin wird aus dem Haupt-
wirkstoff (Acetylsalicylsäure)
und Zusatzstoffen zu
Tabletten gepresst
• polare Verbindung wasserlöslich durch Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen
16.06.2010 30
O CH3
O
OHO
Drug delivery system
• Acetylsalicylsäure kann Magengeschwüre und schwere Magenblutungen verursachen, die im schlimmsten Fall den Tode herbeiführen
• Trägermaterialien für Pharmaka gesucht, die den Wirkstoff nur an bestimmten Zielorten freisetzen magensaftresistente Überzüge
• Hydrogele als pH-responsive Aktuatoren, d.h. zur pH-abhängigen Steuerung von Flüssen durch Mikrokanäle
16.06.2010 31
Drug delivery system
• Polymere mit Carboxygruppen pH-abhängiges Löseverhalten– sie gehen bei pH > 6 in die lösliche Salzform über
• z.B. superabsorbierende Polymere der Acrylsäure
16.06.2010 32
O OH
CH2
Drug delivery system
• Deprotonierung der Polyacrylsäure
• Modelldarstellung
16.06.2010 33
OHO
n
+ NaOH- H
2O
O-
O
n
Na+
Abb. 12: Gestreckte Polyacrylsäure Abb. 13: GeknäultePolyacrylsäure
Drug delivery system
• vernetzte Polyacrylsäureknäult sich nicht zusammenund kann bis 1000 g Wasserpro Gramm Polymer aufnehmen
• Aspirin protect kontrahiert im Magen (saures Milieu) und quillt erst im Darm auf (basisches Milieu)
• die Polymerschicht wird dann durchlässig für den Wirkstoff, bleibt aber selbst als Schicht stabil
16.06.2010 34
CH2
O
O O
O
CH2
Ethylenglycoldiacrylat
Elektrotechnik
• Polymere Werkstoffe wurden früher nur als Isolatoren genutzt, z.B. Bakelit
• heute: Einsatz in Batterien/Akkumulatoren, Solarzellen
• Vorteile gegenüber den metallischen Leitern und Halbleitern:preiswertere Herstellung, geringes Gewicht, bessere Formungsmöglichkeiten, höhere Leistungsfähigkeit
• Nachteile: weder chemisch so stabil noch eine ähnliche Langlebigkeit
16.06.2010 35
Elektrotechnik
16.06.2010 36
Abb. 14: Leitfähigkeitenverschiedener Materialienim Vergleich
cis-Polyacetylen
NH
NH
NH
NH
Undotiertes Polypyrrol
Demonstration 2 -Leitfähige Polymere
16.06.2010 37
Polypyrrol
• Anodische Oxidation zu Pyrrolradikalen
16.06.2010 38
NH
+ e-
NH
NH
NH
+ e-
NH
NH
NH
NH
+
NH
NH
NH
NHH H
+ 2 H+
Polypyrrol
• bei pH ≥ 7 entsteht durch die Deprotonierung des Stickstoffatoms eine isolierende Polypyrrolfolie
16.06.2010 39
Dotiertes Polypyrrol
Cl O
O
O O-
Cl O
O-
O O
Cl O
O-
O O
NH
+
NH
NH
NH
+
NH
NH
NH
+
NH
n
Leitfähige Polymere
• Polypyrrol– leitfähige Textilien, z.B. Socken für amerikanische Soldaten die
sich bei 10-12 V aufheizen
• Polyanilin– Überzug auf amerikanischen Stealth-Jets, die die ausgesandten
Mikrowellen komplett absorbieren
• Poly(phenylenvinylen) (grün), Polythiopen (rot) und Polyfluoren (blau)– OLEDs (Organic Light Emmitting Diodes): leuchtkräftige Displays
mit geringem Stromverbrauch, hoher Leuchtkraft und Unabhängigkeit vom Blickwinkel
16.06.2010 40
Zurück zum drug delivery system
Schauen wir mal nach, wie es unserer
Aspirin protect mittlerweile ergangen ist...
16.06.2010 41
Abb. 15: Aspirin protect
Bauindustrie
• Bindemittel/Dispersionpulver für Dichtmassen und Mörtel
• Rohre (PVC)
• Fenster (Plexiglas)
• Abdichtungen/Klebstoffe
• Wärmedämmung
16.06.2010 42
Demonstration 3 - Polyurethanschaum
16.06.2010 43
Demonstration 3 - Polyurethanschaum
• Polyadditionsreaktion
16.06.2010 44
N
N
1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan
+ H O R1
OH+ -
NN
+NN H O R1
OH+ --
O C N R2
N C O
O C N N C O
Diphenylmethan-diisocyanat
Demonstration 3 - Polyurethanschaum
16.06.2010 45
+N
N
OH R1
O C
O
N R2
N C O
H
Urethanbindung
N
N
H
O+
CO N-
R2
N C O
R1
OH
Versuch 5 - Wärmedämmung
• Temperaturmessung in den Suppendosen
• wärmeisolierende Eigenschaft aufgrund der zahlreichen Lufteinschlüsse
• Gase sind generell schlechte Wärmeleiter
• die vielen Poren im PU-Schaum verhindern ein Zirkulieren der Luft und begünstigen die Wärmeisolierung
16.06.2010 46
Schulrelevanz
• Grund- und Leistungskurse der Qualifikationsphase 4
• Wahlthema Angewandte Chemie– Unterthema „Werkstoffe“, natürliche und synthetische
Makromoleküle
• Inhalte:– Klassifizierung– Reaktionstypen– Großtechnische Herstellung– Polymer mit besonderen Eigenschaften
16.06.2010 47
AbbildungsverzeichnisAbb. 1-3: https://www.fh-muenster.de/fb3/downloads/werkstofftechnik/Kunststoffanwendungen/KmK_2__
Herstellung-Aufbau-Zusammensetzung-Einteilung.pdf
Abb. 4: http://www.kunststoff-schweiz.ch/assets/images/Bakelizer.jpg
Abb. 5: http://www.replicata.de/bilder/produkte/431000000B.jpg
Abb. 6: http://images.manufactum.de/manufactum/grossbild/82985_1.jpg
Abb. 7: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/pmma/transparent2schu.jpg
Abb. 8: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/polystyrol.
vlu/Page/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/herstellung_von_standard_ps/herstellung
_von_standard_ps.vscml.html
Abb. 9: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/10/styrol_polymerisation/polystyrol/
aufarbeitung_standard_ps/medien/granulat.jpg
Abb. 10: http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/amylose.jpg
Abb. 11: http://www.hermsen.de/shop/media/81010037.jpg
Abb. 12: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acrylsaeure/
polyelektrolyt.png
Abb. 13: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acrylsaeure/polysalz.png
Abb. 14: http://www.chemgapedia.de/vsengine/media/vsc/de/ch/9/mac/andere/acetylen/leitfaehig.gif
Abb. 15: http://www.aspirin.de/html/products/protect.html
4816.06.2010
Literaturverzeichnis
• Brandl, H.; Kabuß, S.:Herstellung eines Fluoreszenz-Solarkollektors. In: Praxis der Naturwissenschaften, 6/37, S. 24ff. 1988.
• Brückner, R.: Reaktionsmechanismen. 3. Auflage. Spektrum Verlag. 2004.
• Bruice, P: Organische Chemie. 5. aktualisierte Auflage. Pearson. 2009.
• Burgemeister, S.: Kunststoffe. Zu finden unter URL: http://www.chids.de/dachs/expvortr/671Kunststoffe_Burgemeister.doc. Letzter Zugriff am 09.06.2010.
• Büttner, M.; Wagner, G.: Herstellung von essbarem Einweggeschirr. Zu finden als Downloadmaterial unter URL: http://www.friedrich-verlag.de/go/?action=ShowProd&prod_uuid=ADF0893F5DF74A3FB484CBFBB28C22F4. Letzter Zugriff am 09.06.2010.
• Flintjer, B.; Jansen, W.: Polypyrrol und Polypyrrol-Batterien. In: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie. 3/38, S. 7-11. 1989
• Hessisches Kultusministerium. Lehrplan Chemie für die Jahrgangsstufen G7 bis G12. 2005. Zu finden unter URL: http://www.kultusministerium.hessen.de/irj/HKM_Internet?uid=3b43019a-8cc6-1811-f3ef-ef91921321b2. Letzter Zugriff am 13.06.2010.
4916.06.2010
Literaturverzeichnis
• Köhler-Krützfeldt, A.: Fortschritt durch Polymere. In: Praxis der Naturwissenschaften -Chemie. 5/51, S. 2-5. 2002.
• Kühn, I.: Herstellung von essbarem Einweggeschirr. In: Naturwissenschaften im Unterricht Chemie. 9, Heft 45, S. 55-56. 1998.
• Lechner, M.D.: Makromolekulare Chemie. 4. überarbeitete Auflage. Birkhäuser. 2009.
• Rickelt, E.: Lehrerfortbildung - Kunststoffmüll. S. 21f. Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie. 1998.
• Rickelt, E.: Polymerisation von Methacrylsäureester (Plexiglas). Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie.
• Rickelt, E.: Polyurethan auf Lignin-Basis. Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Chemie.
• Kunststoff-Schweiz: Kunststoff - Geschichte. Zu finden unter URL: http://www.kunststoff-schweiz.ch/html/2__seite.html. Letzter zugriff am 14.06.2010.
16.06.2010 50
Ende!
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
5116.06.2010