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, auch Additionspolymerisation genannt, verbindet mehrere Monomere zu Polymeren und gehört zu den Polyreaktionen. Mithilfe dieser werden Kunststoffe, genauer gesagt Polymere hergestellt.
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.
Wenn Du Dich auch über die Polykondensation informieren willst, schau in der Erklärung der Polykondensation vorbei!
Die wichtigsten Produkte der Polyaddition
Die Polyreaktion wird für die Herstellung verschiedenster Kunststoffe genutzt. Zu den drei wichtigsten gehören:
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:
- Eine Verknüpfung der Monomere mit mindestens zwei gleichartigen funktionellen Gruppen.Das heißt: Reaktionstyp AA → AA
- Monomere, von mindestens zwei unterschiedlichen funktionellen Gruppen, verknüpfen sich.Das sieht wie folgt aus: Reaktionstyp AB → AB
- Eine Verknüpfung von zwei unterschiedlichen Monomeren, die aus mindestens zwei gleichartigen funktionellen Gruppen bestehen.Das heißt: Reaktionstyp AA + BB → AABB
Funktionelle Gruppen sind einzelne Gruppen von Atomzusammensetzungen in organischen Verbindungen, die das ursprüngliche Molekül in Bereichen der Stoffeigenschaften und des Reaktionsverhaltens enorm verändern können. Die Gruppen, in die die funktionellen Gruppen eingeteilt sind, werden Stoffklassen genannt.
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.
Als Katalysator wird in der Chemie ein Stoff bezeichnet, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator liegt also nach der Reaktion unverändert vor.
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:
Wenn Du mehr über die Elastomere, Duroplasten und Thermoplasten herausfinden möchtest, dann schau einfach in die Erklärung Polymere!
Da sie alle drei Polymergruppen repräsentieren, sind sie ebenso vielfältig einsetzbar, zum Beispiel als:
- Klebemittel
- Harte Lacke
- Schaumstoffe
- Dämmmaterial
- Wärme- und Schallisolierung
- Polstermöbel
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:
ODER
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
Polyaddition - Das Wichtigste
- Die Polyaddition dient der Herstellung von Kunststoffen
- Bei der Polyaddition reagieren Monomere miteinander und werden zu Kunststoff
- Die Reaktionen der Polyaddition verlaufen in verschiedenen Stufen
- Es gibt drei verschiedene Reaktionsmöglichkeiten
- Die drei wichtigsten Kunststoffe, welche bei der Polyaddiation hergestellt werden sind: Polyurethan, Polyharnstoffe und Epoxidharze
Nachweise
- maschinenbau-wissen.de: Polyaddition - Entstehungsreaktion von Kunststoff (07.09.2022)
- u-helmich.de: Polyaddition (11.09.2022)
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