Aufgaben: Struktur und Eigenschaften von Kunststoffen

Drei Kunststoffproben werden untersucht:

Probe	Verhalten beim Erwärmen	Mechanisches Verhalten bei Raumtemperatur
A	wird bei etwa $120\,°\mathrm{C}$ weich und lässt sich verformen, wird beim Abkühlen wieder fest	hart bis zäh
B	bleibt bis zur Zersetzung bei höherer Temperatur hart, verkohlt	hart und spröde
C	bleibt bis zur Zersetzung fest und unschmelzbar	gummiartig, lässt sich dehnen und zieht sich wieder zusammen

1. a) Ordnen Sie die Proben A bis C begründet den Kunststoffklassen Thermoplast, Duroplast und Elastomer zu.

1. b) Beschreiben Sie den molekularen Aufbau der drei Kunststoffklassen im Hinblick auf die Vernetzung der Makromoleküle.

1. c) Nennen Sie je ein Anwendungsbeispiel für Thermoplast, Duroplast und Elastomer.

Polyethen wird in zwei Varianten hergestellt. LDPE hat stark verzweigte Makromoleküle und eine Dichte von etwa $0{,}92\,\mathrm{g/cm^3}$. HDPE besteht aus wenig verzweigten Makromolekülen und hat eine Dichte von etwa $0{,}95\,\mathrm{g/cm^3}$. HDPE ist härter und hat einen höheren Erweichungsbereich als LDPE.

1. a) Beschreiben Sie den Unterschied im molekularen Aufbau von LDPE und HDPE.

1. b) Erklären Sie mithilfe der zwischenmolekularen Wechselwirkungen, warum HDPE dichter und härter ist als LDPE.

1. c) Begründen Sie, welche der beiden Varianten sich besser für eine dünne, flexible Einkaufstüte eignet.

Polyethen (PE) und Polyvinylchlorid (PVC) sind Thermoplaste. PVC wird für Rohre und Bodenbeläge, PE für Folien und Flaschen verwendet.

1. a) Zeichnen Sie einen Ausschnitt aus einem PVC-Makromolekül mit drei Wiederholeinheiten und nennen Sie das Monomer.

1. b) Vergleichen Sie die zwischenmolekularen Wechselwirkungen zwischen den Ketten von PE und PVC.

1. c) Erklären Sie, warum Polymere im Unterschied zu niedermolekularen Stoffen keinen scharfen Schmelzpunkt, sondern einen Erweichungsbereich haben.

Ein Fahrradschlauch besteht aus vulkanisiertem Naturkautschuk. Bei der Vulkanisation wird der Kautschuk mit Schwefel erhitzt, wobei Schwefelbrücken zwischen den Makromolekülen entstehen. Weichgummi enthält etwa 2 % bis 5 % Schwefel und ist elastisch. Hartgummi, aus dem früher zum Beispiel Kämme gefertigt wurden, enthält etwa 30 % Schwefel und ist hart und spröde.

1. a) Erklären Sie die Elastizität von Weichgummi anhand seiner molekularen Struktur.

1. b) Erklären Sie, warum Hartgummi nicht elastisch ist. Ordnen Sie beide Werkstoffe den Kunststoffklassen zu.

1. c) Begründen Sie, warum man vulkanisierten Kautschuk nicht einfach einschmelzen und neu formen kann.

In einer Sortieranlage für den Gelben Sack werden Kunststoffproben untersucht. Dichte der Proben und Verhalten bei $150\,°\mathrm{C}$:

Probe	Kunststoff	Dichte in g/cm³	Verhalten bei 150 °C
1	PE	0,95	schmilzt zu zähflüssiger Masse
2	PS	1,05	erweicht und lässt sich verformen
3	PET	1,38	erweicht, lässt sich verformen
4	Phenolharz	1,30	bleibt fest, verkohlt bei höherer Temperatur

1. a) Klassifizieren Sie die Kunststoffe begründet nach Thermoplast und Duroplast und erklären Sie das Verhalten mithilfe der Vernetzung.

1. b) Planen Sie ein Experiment zur Trennung eines Gemisches aus den Proben 1, 2 und 3 durch Schwimm-Sink-Trennung. Dichte von Wasser: $1{,}00\,\mathrm{g/cm^3}$, Dichte einer konzentrierten Kochsalzlösung: $1{,}20\,\mathrm{g/cm^3}$. Beschreiben Sie, welche Beobachtungen Sie erwarten.

1. c) Begründen Sie, warum Probe 4 vor dieser Trennung aus dem Gemisch entfernt werden sollte, wenn die Thermoplaste anschließend eingeschmolzen werden.

Zwei Polyethen-Proben haben unterschiedliche mittlere molare Massen. Probe A ist vergleichsweise weich und wenig reißfest, Probe B ist zäh und reißfest, sie wird für Gleitflächen in Gelenkimplantaten verwendet.

Probe	mittlere molare Masse
A	$28\,000\,\mathrm{g/mol}$
B	$2{,}8\cdot 10^{6}\,\mathrm{g/mol}$

Es gilt $M(\mathrm{C_2H_4}) = 28{,}0\,\mathrm{g/mol}$.

1. a) Berechnen Sie den mittleren Polymerisationsgrad $n$ für beide Proben.

1. b) Erklären Sie den Zusammenhang zwischen Kettenlänge, zwischenmolekularen Wechselwirkungen und den mechanischen Eigenschaften.

1. c) Beurteilen Sie die Aussage: „Ein Polymer mit sehr langen Ketten ist immer ein Duroplast.“

Superabsorber in Hygieneprodukten bestehen aus weitmaschig vernetzter Polyacrylsäure, deren Carboxygruppen teilweise als Natriumsalz vorliegen. Ein Gramm des trockenen Pulvers nimmt in einer Messreihe unterschiedlich viel Wasser auf, abhängig vom Anteil des Vernetzers:

Anteil Vernetzer	aufgenommene Masse Wasser je g Pulver	Beschaffenheit des Gels
0,1 %	400 g	weich, zerfließt leicht
1,0 %	150 g	formstabil
5,0 %	40 g	fest, nur wenig gequollen

1. a) Erklären Sie mit einem geeigneten Modell der Polymerstruktur, warum das Material Wasser aufnimmt, sich aber nicht löst.

1. b) Beschreiben und erklären Sie den Zusammenhang zwischen Vernetzungsgrad und Wasseraufnahme.

1. c) Beurteilen Sie, welcher Vernetzeranteil für den Einsatz in einer Windel am besten geeignet ist, und begründen Sie Ihre Entscheidung.

Zwei unbeschriftete Kunststoffteile liegen vor: Teil X (Griff einer Zahnbürste) und Teil Y (Gehäuse einer alten Steckdose). Beide sind hart. Ein weiteres Teil Z (Dichtungsring) lässt sich stark dehnen. Es steht ein Bunsenbrenner, eine Heizplatte mit Thermometer, Tiegelzange, Metallspatel und ein Abzug zur Verfügung.

1. a) Planen Sie Experimente, mit denen Sie die drei Teile den Kunststoffklassen zuordnen können. Geben Sie die Durchführung und die dabei zu beachtenden Sicherheitsmaßnahmen an.

1. b) Stellen Sie Ihre erwarteten Beobachtungen für ein Thermoplast, ein Duroplast und ein Elastomer in einer Tabelle zusammen.

1. c) Erklären Sie das jeweilige Verhalten auf Teilchenebene.

Hart-PVC wird für Fensterprofile verwendet. Weich-PVC für Fußbodenbeläge oder Schläuche enthält zusätzlich Weichmacher (zum Beispiel $30\,\%$ Massenanteil), die zwischen die Makromoleküle eingelagert sind. Weichmacher können im Laufe der Zeit aus dem Kunststoff ausgasen oder herausgelöst werden; dann wird das Material spröde.

1. a) Erklären Sie mithilfe der zwischenmolekularen Wechselwirkungen, wie Weichmacher die Eigenschaften von PVC verändern, und warum das Material nach dem Verlust der Weichmacher spröde wird.

1. b) Berechnen Sie den Massenanteil $w$ an Chlor in reinem PVC und in einem Weich-PVC mit $30\,\%$ chlorfreiem Weichmacher. Es gilt $M(\mathrm{C_2H_3Cl}) = 62{,}5\,\mathrm{g/mol}$ und $M(\mathrm{Cl}) = 35{,}5\,\mathrm{g/mol}$.

1. c) Beurteilen Sie den Einsatz von Weich-PVC für Spielzeug und Lebensmittelverpackungen, indem Sie mögliche Risiken und Nutzen gegeneinander abwägen.