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Werkstofftechnik 2 - Polyreaktion

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Werkstofftechnik 2

Polyreaktion

Kunststoffgranulat
Kunststoffgranulat

Die Herstellung von Kunststoffen erfolgt über chemische Reaktionen. Hierbei werden Monomere (niedermolekulare Stoffe) in Polymere (hochmolekulare Stoffe) gewandelt. Dieser Vorgang, der als Polyreaktion bekannt ist, setzt voraus, dass die eingesetzen Stoffe über Moleküle mit zwei oder mehr reaktionssensiblen Stellen verfügen. Diese als funktionelle Gruppen benannten Stellen haben auch Einfluss auf die Beschaffenheit eines Monomers. Denn Monomere mit zwei funktionellen Gruppen werden als bifunktionell bezeichnet und ermöglichen die Bildung von kettenförmigen Molekülen mit thermoplastischem Verhalten. Trifunktionelle oder mehrfunktionelle Monomere hingegen bilden räumliche Netzwerke, die entweder ein duroplastisches oder ein gummielastisches Verhalten aufweisen. 

Bekannte Vertreter von funktionellen Gruppen sind:

  • $ NH_2  $ - Gruppen $\rightarrow $ in Aminen, 
  • $ OH  $ - Gruppen $\rightarrow $ in Alkoholen, 
  • $ NCO  $ - Gruppen $\rightarrow $ in Cyanaten, 
  • C-Doppelbindungen, 

Um die funktionellen Gruppen reaktionsfreudig werden zu lassen, ist eine Aktivierungsenergie notwendig. Hierbei können zwei Wege beschritten werden. 

  1. Zuführung thermischer oder elektromagnetischer Energie, wie Wärme, UV-Strahlen, Licht oder
  2. Zuführung von Zusätzen, die initiierend oder katalytisch wirken.

Um eine störungsfreie Polyreaktion durchführen zu können, muss vermieden werden, dass im System vorhandene Störsubstanzen im Reaktionsprozess reagieren. Da es sich bei den Störsubstanzen oft um sauerstoffhaltige Substanzen handelt, wird die Polyreaktion im Vakuum oder unter einer Schutzatmosphäre (Inertgas) durchgeführt. 

Merke

Beachtlich ist, dass bei der Polyreaktion und der damit verbundenen Bildung von Primärbindungen die Packungsdichte der Atome sehr hoch wird und somit insgesamt zu einer enormen Volumenminderung führt. 

Je nach Zweck und Ausgangsituation der Polyreaktion kann der Ablauf stark variieren. Man unterscheidet:

Polyreaktion in Substanz $\rightarrow $ Reaktion reiner Monomere.

Polyreaktion in Lösung $\rightarrow $ Reaktion verdünnter Monomere in Lösungsmittel

Bei Monomeren die sich in einer Lösung befinden, sorgen Emulgatoren für die Bildung von Mizellen. Unter Mizellen versteht man eine Ansammlung von Emulgatoren, die einen hydrophoben (wasserabweisenden) und einen hydrophilen (wasserliebenden) Teil besitzen. Der hydrophobe Teil richtet sich nach innen und der hydrophile Teil entsprechend nach außen. Die Monomere reichern sich in den Mizelle an und reagieren im Rahmen der Polyreaktion zu Polymeren.  

Polyreaktion
Polyreaktion

Wie in der Abbildung zu sehen ist, besteht der Vorgang aus vier Schritten

  1. Emulgatormoleküle liegen noch ungeordnet vor, richten sich aber langsam aus.
  2. Emulgatormoleküle richten sich zur Mizelle aus.
  3. Monomere reichern sich in Mizelle an.
  4. In der Mizelle reagieren Monomere zu Polymeren (Polyreaktion).

Möchte man nun das noch in Lösung befindliche Polymerprodukt in fester und reiner Form vorliegen haben, so kann dies auf drei Weisen erfolgen:

  • Trocknen
  • Filtrieren
  • Zentrifugieren

Wichtig

In diesem Kurstext wurde nur oberflächlich auf die einzelnen chemischen Prozesse eingegangen und sich hauptsächlich auf den technischen Ablauf konzentriert. Eine genaue chemische Betrachtung erfolgt im nachfolgenden Abschnitt.