Kap 2: Struktur und Grundlegende Eigenschaften von Kunststoffen Flashcards
Welche drei Gruppen von Kunststoffen gibt es?
- Thermoplaste
- Elastomere
- Duroplaste
Def. Polymer
Makromoleküle, bestehend auf verknüpften Wiederholungseinheiten (Monomere)
Def: Monomer
Kleine, reaktionsfähige Moleküle. Grundbausteine für Makromoleküle und Polymere
Def. Kunststoff
vollsynthetisch oder durch Umwandlung von Naturprodukten hergestellter und modifizierter (Additive. Zuschlagstoffe) Werkstoff.
Welche chemischen Prozesse gibt es zur Polymerkettenbildung? und wie sieht es um stufenlosigkeit und Abspaltung voon Nebenprodukten aus?
- Polymerisation: verläuft stufenlos und ohne Abspaltung von Nebenprodukten
- Polykondensation: verläuft in Stufen und mit Abspaltung von Nebenprodukten
- Polyaddition: verläuft in Stufen und ohne Abspaltung von Nebenprodukten
Def: Polymerisation + Eigenschaften
- bezeichnet eine chemische Reaktion, bei der Monomere mit Doppelbindungen zu Polymeren reagieren
- Kettenreaktion: läuft selbstständig weiter
- keine Nebenprodukte
- Abbruch durch Reaktion oder Mangel an Monomeren
Bsp: Polyvinylchlorid(PVC), Polyethylen(PE) und Polystyrol(PS)
Welche Arten der Polymerisation gibt es?
- radikalische
- kationische
- anionische
radikalische Polymerisation
- Radikal bricht Doppelbindung auf und ermöglicht Monomeren mit geringer Aktivierungsenergie sich anzubinden
- Abbruch entsteht durch:
- Rekombination
- -> auf zwei Radikalen wird ein einziges Teilchen, was keine ungepaarten Elektronen mehr hat, also nicht mehr reaktiv - Disproportionierung
–> zwei Radikale werden zu einem Alken/Alkan, verlieren Elektronenpaar, nicht mehr reaktiv
Def. Radikal
-Molekül oder Atom mit mindestens einem ungepaarten Elekton. Radikale sind meistens sehr reaktiosfreudig
ionische Polymerisation
- Ion (Elektrisch geladenes Atom oder Molekül) übernimmt Rolle des Radikals
- negativ geladen –> anionische Polymerisation (Abbruch durch Zugabe elektonenarmer Stoffe)
- positiv geladen –> kationische Polymerisation (Abbruch durch Reaktion)
koodinative Polymerisation
- Reaktion durch Übergangsmetallverbindungen
- Metalle mit Ordnungszahlen von 21-30, 39-48, 57-80 und 89-112
Bsp: Ziegler-Natta Verfahren
- wird genutzt um definierte Taktizität herzustellen
- -> z.B. isotaktisches Polypropylen
Def: Taktizität
Anordnung der Seitenketten in einem Polymer. Isotaktisch ist ein Polymer, wenn alle Seitenketten in eine Richtung zeigen.
Beispiel Takizitäten
Def: Polykondensation + Eigenschaften
- Addition zweier Monomere mit Abspaltung von Nebenprodukten
- -> Stufenreaktion
- es müssen immer zwei funktionelle Gruppen vorhanden sein (z.B. -OH, -COOH, -CO, -NH2)
- -> Anlagerung am Endgruppen
- Chemische Gleichgewichtsreaktion
- -> Abbruch durch falsche Temperatur/Konzentration des Ausgangsstoff (Reaktionsumsatz muss mehr als 99% sein)
Bsp: Polyamide
Def: Polyaddition + Eigenschaften
- Addition zweier Monomere ohne Abspaltung von Nebenprodukten
- Reaktion über intermolekulare Umlagerung: H-Atome auf funktionellen Gruppen lösen sich und werden verschoben
- keine chemische GGR
- -> beendet, wenn es keine Partner mehr gibt
Bsp: Polyurethane
Schmatische Annordnungen der Kettenmoleküle von Kunststoffen
Thermoplaste: Eigenschaften
- schmelzbar
- quellbar
- bei Raumtemperatur weich bis hart
- zäh oder hart
- spröde
Elastomere : Eigenschaften
- nicht schmelzbar
- quellbar
unlöslich bei Raumtemperatur
elastisch - weich
Duroplasten: Eigenschaften
- nicht schmelzbar
- nicht quellbar
- unlöslich bei Raumtemperatur
- i. a. hart
Welche Arten von Thermoplasten gibt es?
Amorphe TP
- spröde
- transparente
Teilkristaline TP
- nicht transparent (milchig)
- zäh
Def: Teilkristallin
amorphe und kristalline Phasen existieren nebeneinander
Schubmodulkurven verschiedern Kunststoffe
Welche Arten Kettenstrukturen gibt es?
- linear
- verzweigt
- vernetzt
Def: Organische Stoffe
Alle chemischen Verbindungen des Kohlenstoffs
E-Modul und Zugfestigkeit von Elastomeren, Kunststoffen, Eisen- und Aluminiumlegierungen und Aluminiumoxid-Keramik
-Steifigkeit von Kunststoffen fällt mit Temperatur, sie verfügen jedoch über einen weiten E-Modul-Bereich
–> Verformbarkeit, Montageflexibilität, Stoßabsorption steigt
–> Vorteil von Kunststoffen liegt in der höheren Reißdehnung
-
Spannungs-Dehnungs-Diagramm verschiedener Werkstoffe
E-Modul in Abhängigkeit zur Bruchdehnung
Dauerbeanspruchung in abh. von der Temperatur
In welchen Bereich erstrecken sich die Wärmeleitfähigkeiten von Kunststoffen?
Kunststoffe: 0,1 - 0,4 W/mK
Beispiel: Längenänderung eines Stabes von 1m um 10 Grad
Elastomere: 1,5 - 2,2 mm
Thermoplaste: 0,6 - 2,2 mm
Duroplaste: 0, 1 - 0,9 mm
Elektrische Eigenschaften von Kunststoffen
Kunststoffe sind Ionenleiter, sie besitzen viel geringere elektrische Leitfähigkeit –> gute Isolatoren
Was sagt die Fließtemperatur aus?
Bei dieser Temperatur ist WK flüssig genug zur Verarbeitung
Was sagt die Glastemperatur aus?
Unterhalb dieser Temperatur sind WK hart und spröde
Molekülstruktur der Kunststoffe
Schubmodulkurven verschiedener KS in Abhängigkeit zur Temperatur
Zugfestigkeit und Bruchdehnung eines amorphen Thermoplasten
Zugfestigkeit und Bruchdehnung eines teilkristallinen Thermoplasten
Welche Formen von Zwischenmolekularen Kräften gibt es?
- Keesom Kräfte
- Debye Kräfte
- London
- Wasserstoffbrückenbindungen
Wie hoch ist die Bindungsstärke einer Ionenverbindung?
zwischen 600-1000 kJ/mol
Dipol Def.
System aus zwei gleich großen Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen, die in einem festen Abstand zueinander stehen.
Elektronegativität Def. + welche Stoffe haben eine hohe EN?
Relatives Maß eines Atoms, Elektronen anzuziehen
Sauerstoff, Stickstoff und Fluor
Sortiere die vier Zwischenmolekularen Kräfte nach ihrer Bindungskraft (hoch niedrig)
WBB 10-20 kJ/mol
Keeson 5-10 kJ/mol
Debye
London
Bitte ordnen Sie die folgenden Werkstoffe in die Reihenfolge der steigenden Zugfestigkeit zu: Stahl, amorphe Thermoplaste, Kupfer, teilkristalline Thermoplaste, Gummi.
- Gummi
- Teilkristaline Thermoplaste
- Amorphe Thermoplaste
- Kupfer
- Stahl
Polymerisation
Art der Reaktion (in Stufen / stufenlos)
Fallen Nebenprodukte an? (ja / nein)
Beispiel
stufenlos
nein
Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polystrol (PS)
Polyaddition
Art der Reaktion (in Stufen / stufenlos)
Fallen Nebenprodukte an? (ja / nein)
Beispiel
in Stufen
nein
Polyurethane
Polykondensation
Art der Reaktion (in Stufen / stufenlos)
Fallen Nebenprodukte an? (ja / nein)
Beispiel
in Stufen
ja
Polyamide
Nennen Sie bitte die beiden hauptsächlich vorkommenden Bindungsmechanismen bei Kunststoffen und kennzeichnen Sie, welche der beiden Bindungsarten bei Thermoplasten zwischen den Molekülketten wirkt.
- Hauptvalenzkräfte
- Nebenvalenzkräfte -→ wirken zischen Molekülketten
Welche Kunststoffgruppe gehört zu welcher Morphologie?
Hauptvalenzbindung (kovalent) > Nebenvalenz
Nennen sie vier Möglichkeiten thermoplastische Materialien zu recyclen
- Sortenreine
- Mischungen
- Zersetzung in Grundbausteine
- Energetische Verwertung
In welche Schritte lässt sich der Kristalisationsprozess einteilen?
- Keimbildung
- Kristallwachstum
- Nachkristallisation
Formel Massenmittel Mw
Formel Zhalenmittel MN
Wie wird der Zusatz genannt, der die Anzahl der Keime erhöht, worduch ein homogenes feinsphärolithischeres Gefüge entsteht?
Nukleierungsmittel
Durch welche drei Atome wird Kohlenstoff oft in den Hauptketten von Kunststoffen ersetzt?
- Sauerstoff
- Silizium
- Schwefel
- lineare Kettenmoleküle
- verzweigte Kettenmoleküle
- schwach vernetzte Kettenmoleküle
- stark vernetzte Kettenmoleküle
- Thermoplasten
- Elastomere
- Duroplasten
Was ist verantwortlich für das spezielle Eigenschaftsprofil von Kunststoffen?
- chemische Grundbautsteine
- Molmasse
- Strutur eines Kunststoffs
Beschrifte die Abbildung
In welchen Temperaturintervall erstreckt sich der thermische Dauerbeanspruchungsbereich folgender Werkstoffe?
Kunststoffe
Aluminiumwerkstoffe
Kupferwerkstoffe
Eisen- und Stahlwerkstoffe
Kunststoffe: 50-250 Grad
Alu: ca. 150- ca. 250 Grad
Kupfer: ca. 300 bis 700 Grad
Eisen- und Stahl: ca. 550 bis 800 Grad
Welche Formen von Thermoplasten gibt es?
- amorphe
- teilkristalline
Wieso sind Thermoplasten schmelzbar?
→ wenig Vernetzungen → wenig chemische Bindungen
Wie nennt man die Vernetzungreaktion bei Elastomeren und Duroplasten?
Elastomere → Vulkanisation
Duroplasten → Härtung
Ordne die Begriffe unvernetzt, stark vernetzt und schwach vernetzt den üblichen Polymeren zu
unvernetzt → Thermoplast
schwach vernetzt → Elastomer
stark vernetzt → Duroplast
Sind die Polymerketten untereinander nicht vernetzt, ist das Polymer […] und es handelt es sich um einen […].
Sind die Polymerketten untereinander nicht vernetzt, ist das Polymer wiederaufschmelzbar und es handelt es sich um einen Thermoplasten.
Sind die Polymerketten untereinander stark vernetzt, ist das Polymer […] und es handelt es sich um einen […].
Sind die Polymerketten untereinander stark vernetzt, ist das Polymer nicht schmelzbar und es handelt es sich um einen Duroplasten.
Ist ein Polymer weitmaschig vernetzt, liegt ein […] vor.
Ist ein Polymer weitmaschig vernetzt, liegt ein Elastomer vor.
Wovon hängen die Eigenschaften von Polymeren grundsätzlich ab?
-Kettenaufbau
Morphologie/Struktur des Polymers
Welchen Einfluss hat eine längere Molmasse auf die Festigkeit/Zähigkeit und das Fließverhalten?
→ Festigkeit/Zähigkeit steigt
→ Fließverhalten verschlechtert sich durch mehr Verschlaufungen
Welche beiden Bindungsmechanismen findet man bei Polymerketten vor und welche sind die stärkeren?
- chemische innermolekularen Bindungskräfte (Hauptvalenz, kovalent)
- physikalische zwischenmolekularen Bindungskräfte (Nebenvalenz)
→ Kovalent stärker
Skizzieren Sie den temperaturabhängigen Schubmodul eines amorphen und eines teilkristallinen Thermoplasten. Nutzen Sie hierzu das gleiche Diagramm, benennen Sie die beiden Kurven und Kennzeichnen Sie folgende Bereiche: Erweichungsbereich (Tg), Kristallitschmelzebereich (Tm)
Geben Sie an, ob die drei grundlegenden Polymere: schmelzbar, löslich und quellbar sind
TP: schmelzbar, löslich, quellbar
EM: nicht schmelzbar, nicht löslich, quellbar
DP: nicht schmelzbar, nicht löslich, nicht quellbar
Ordnen sie die Bindung nach ihrer Stärke an.
ionische, zwischenmolekulare, kovalente
- ionische (600-1000 kJ/mol)
- kovalente (250-400 kJ/mol)
- zwischenmolekulare (0,1-20 kJ/mol)
Nenne Beispielpolymere für Polyaddition
POM Polyoxymethylene
PU
Nenne Beispielpolymere für Polykondensation
PA Polyamid
PC Polycarbonat
Nenne ein Beispiel für Polykondensation
Polyethylen (PE)
PVC
Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf des Elastizitätsmoduls bei Streckdehnung in Abhängigkeit von Kristallisationsgrad und Sphärolitdurchmesser für ein Polypropylen.
