Polyaddition

Plastik, im chemischen Jargon Polymere genannt, kennst Du aus dem Alltag, egal ob in Plastikflaschen oder an Deinem Handy. Um diese Polymere für die weitere Verarbeitung herzustellen, kann man die Polyaddition nutzen. Aufgrund der vielfältigen Anwendungen ist die Polyaddition in der Chemie heutzutage ein wichtiges Verfahren, welche Du hier kennen lernst!

Allgemeines über die Polyaddition

Die Polyaddition ist eine von zwei Arten der Polymerisation. Sie verläuft in Stufen und bindet Monomere mithilfe von Doppelbindungen (meist C=O) aneinander.

Das zweite Reaktionsverfahren der Polymerisation, die Polykondensation, verläuft genau wie die Polyaddition in Stufen. Allerdings unterscheiden sie sich dahin gehend, dass bei der Polyaddition keine Nebenprodukte abgespalten werden.

Also beschreiben die Monomere bei der Polyaddition den Ausgangsstoff. Sie sind sich immer wiederholende Bausteine. Diese werden nach der Reaktion zu Polymeren, also Kunststoff. Bei der Additionspolymerisation reagieren die Monomere miteinander, indem sich Atome und Elektronenpaare verschieben.

Die wichtigsten Produkte der Polyaddition

Die Polyreaktion wird für die Herstellung verschiedenster Kunststoffe genutzt. Zu den drei wichtigsten gehören:

• Polyurethan
• Polyharnstoffe
• Epoxidharz

Von diesen dreien ist die Herstellung von Polyurethanen die am häufigsten in der Industrie Ausgeführte. In der Regel reagieren zwei Stoffe miteinander: je nach Anzahl können dabei entweder lineare oder miteinander vernetzte Makromoleküle entstehen.

Reaktionsmöglichkeiten der Polyaddition

Generell gibt es bei dieser Reaktion drei verschiedene Fälle, zwischen denen unterschieden werden muss:

1. Eine Verknüpfung der Monomere mit mindestens zwei gleichartigen funktionellen Gruppen.Das heißt: Reaktionstyp AA → AA
2. Monomere, von mindestens zwei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, verknüpfen sich.Das sieht wie folgt aus: Reaktionstyp AB → AB
3. Eine Verknüpfung von zwei unterschiedlichen Monomeren, die aus mindestens zwei gleichartigen funktionellen Gruppen bestehen.Das heißt: Reaktionstyp AA + BB → AABB

Die Herstellung von Polyurethan

Die Ausgangsstoffe für die Reaktion sind Dialkohole und Diisocyanate. Die Bezeichnung „Di“ vor den Alkoholen und Isocyanaten weist darauf hin, dass mehrere der funktionellen Gruppen im Molekül beinhaltet sind. Das nennt man auch Mehrwertigkeit.

Damit es zu einer Reaktion kommt, benötigt man Katalysatoren, wie DABCO. Ist die Reaktion erst einmal in Gang gesetzt, addieren sich die Isocyanate mit den Alkoholen zu Makromolekülketten auf. Das geht so lange, bis Polyurethan entstanden ist.

Abhängig von der Anzahl der funktionellen Gruppen im Molekül können entweder lineare oder miteinander vernetzte Makromoleküle entstehen.

Deshalb kann Polyurethan als alle drei Polymergruppen hergestellt werden:

• Elastomer
• Duroplast
• Thermoplast

Die Herstellung von Epoxidharzen

Epoxidharze sind künstliche Kunststoffe, welche durch ihre Chemie bei der Zugabe bestimmter Stoffe erhärten können. Die Epoxidharze sind Polyether, mit in der Regel zwei Epoxidgruppen an ihren Enden, welche aus einer Dreierverbindung von einem Sauerstoff und zwei Kohlenstoffen besteht.

Abbildung 2: Epoxidgruppe

Für die Herstellung von Epoxidharzen werden folgende Ausgangsstoffe benötigt:

• Alkohole
• Aminosäuren

ODER

• Carbonsäuren

In der Regel wird der Großteil durch die Stoffe Dipropan (C₆H₁₆)und Epichlorhydrin (C₃H₅ClO) hergestellt. Zunächst werden diese zu langkettigen Bis-Epoxiden verbunden. Durch die Zugabe von Aminosäure oder Carbonsäure entsteht eine Additionsreaktion. Dabei vernetzen sich die Substanzen und werden gehärtet. Solange Epoxidharze noch nicht ausgehärtet sind, lassen sie sich jedoch ausgezeichnet verarbeiten. Das funktioniert aufgrund ihrer Zähflüssigkeit. Nach ungefähr 16 Stunden Ruhen sind Epoxidharze dann ausgehärtet und stabil.

Verwendung von Epoxidharzen

Da diese Stoffe besonders gut auf Metallen und Keramik haften, werden sie hauptsächlich in diesem Bereich eingesetzt:

• Klebstoffe
• Anstrichstoffe
• Verstärkung von Glasfaser und Carbonfaser -> Bootsbau
• Bodenbelag

Die Herstellung von Polyharnstoffen

Für die Herstellung dieses Kunststoffes wird nicht, wie sich vermuten lässt, der Harnstoff verwendet. Sondern als Basis werden Diisocyanat und Diamin eingesetzt. Das Diamin ist der Harnstoff, genauer gesagt ein artverwandter Stoff. Das notwendige Diamin lässt sich in der Reaktion durch eine bestimmte Menge Wasser optimieren, was wiederum heißt, dass das Diisocyanat mit dem Diamin regiert und nicht umgekehrt. Das entstandene Polymer weist eine ähnliche Struktur wie der Harnstoff auf.

Verwendung von Polyharnstoffen

Polyharnstoffe sind auch bekannt als Polyurea. Ihre Eigenschaften sind, dass sie beständig gegenüber Lösungsmitteln sind sowie Chemikalien. Des Weiteren sind sie kratzfest und weisen einen Oberflächenglanz auf. Weil es sich beim Polyharnstoff um ein Elastomer handelt, ist dies ebenfalls leicht dehnbar, jedoch trotzdem reißfest durch die verzweigte Struktur.

Eingesetzt werden sie in folgenden Bereichen:

• Harte und flexible Schaumstoffe
• Elektroinstallationsartikel
• Stecker
• Schalter
• Steckdosen