Was sind Kunststoffe ?

Kunststoffe sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, überall begegnen sie uns. Viele klassische Materialien wie Glas, Keramik, Papier, Holz etc. werden heute durch maßgeschneiderte Kunststoffe ersetzt oder ergänzt.

Kurze Geschichte der Kunststoffchemie

Fritz Hofmann und der Kunstkautschuk

Begonnen hat alles vor über 100 Jahren, als man einen Ersatz für den Naturstoff Kautschuk suchte. Die Autoindustrie begann in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zu expandieren, und für die Gummireifen brauchte man immer mehr Kautschuk. Der hauptsächlich in Südamerika gewonnene Naturkautschuk reichte für die vielen Autos nicht mehr aus. Der deutsche Chemiker Fritz HOFMANN (1866-1956) entwickelte dann den ersten Kunststoff in der Geschichte der Chemie: Methylkautschuk. Für diesen ersten Kunststoff erhielt die Firma Bayer 1909 ein Patent. Ein richtig guter Ersatz für Naturkautschuk war der Methylkautschuk allerdings nicht. Erst zu Beginn der 30er Jahre wurde brauchbarer künstlicher Kautschuk nach dem berühmten Buna-Verfahren hergestellt.

Leo Hendrik BaEkeland stellt den ersten vollsynthetischen Kunststoff her

Bakelit ist einer der ältesten Kunststoffe überhaupt. Hergestellt wurde er von dem deutschen Chemiker Adolf von Baeyer bereits im Jahre 1872. Er ließ Phenol und Formaldehyd miteinander in einer exothermen Reaktion zu einer festen, harten Masse polymerisieren. Eine industrielle Herstellung des Kunststoffs fand allerdings erst 1909 durch den belgischen Chemiker Leo Hendrik Baekeland statt, der dem Kunststoff den Namen "Bakelit" verpasste. Zwei Jahre vorher, also 1907, erhielt Baekeland ein Patent für diesen ersten vollsynthetischen Kunststoff. Der Kunstkautschuk wurde zwar schon vorher entwickelt, es war aber noch kein "richtiger" Kunststoff, sondern nur eine Modifizierung eines bereits vorhandenen Naturpolymers.

Hermann Staudinger und die Makromoleküle

Ein anderer wichtiger Forscher der Kunststoffchemie war der deutsche Chemiker Hermann STAUDINGER (1881-1965), der 1953 den Nobelpreis für Chemie für seine grundlegenden Forschungen erhielt. Staudinger klärte die Struktur natürlicher Makromoleküle wie Stärke und Cellulose auf. 1922 prägte Staudinger der Begriff Makromolekül.

Makromoleküle = Moleküle, die aus vielen Tausend gleichen oder verschiedenen Bausteinen zusammengesetzt sind.

Staudinger erkannte auch, dass Kunststoffe nicht aus vielen kleinen Molekülen bestehen, sondern aus riesigen Makromolekülen mit extrem großen Molekülmassen.

Stellen Sie sich einen einfachen Kunststoff wie Polyethen vor, dessen Polymere vielleicht aus 50.000 Ethen-Molekülen bestehen. Ein Ethen-Molekül hat eine molare Masse von 28 g/mol. Multipliziert man das mit 50.000, so erhält man den Wert 1.400.000 g/mol oder 1.400 kg/mol.

Polymere

Ein ähnlicher Begriff wie Makromolekül ist der Begriff Polymer, der sich aus dem griechischen poly (= viele) und meros (= Teil) ableitet. Den Baustein eines Polymers bezeichnet man dann als Monomer.

Makromoleküle bzw. Polymere wie Stärke oder Cellulose bestehen aus vielen Tausend gleichen Monomeren, der alpha- bzw. beta-Glucose. Proteine dagegen sind Polymere, die aus 21 verschiedenen Monomeren zusammengesetzt sind, den  biogenen Aminosäuren. Nucleinsäuren schließlich, eine weitere Klasse natürlicher Makromoleküle, die bekanntlich in jedem Zellkern eines Lebewesens die Erbinformation speichern, bestehen aus vier verschiedenen Monomeren, den vier Nucleotiden, die als A, T, G und C abgekürzt werden.

Damit wären wir auch schon bei der Definition des Begriffs "Kunststoff":

Ein synthetischer Kunststoff ist ein künstlich hergestelltes Polymer, das es in der Natur nicht gibt. Die Monomere eines Kunststoffs sind in der Regel kleinere organische Verbindungen, die oft aus Erdöl gewonnen werden.
Neben Polymeren, die aus nur einer Sorte von Monomeren bestehen, gibt es auch Copolymere, die aus zwei oder sogar drei verschiedenen Sorten von Monomeren zusammengesetzt sind.

Ein halbsynthetischer Kunststoff ist ein chemisch verändertes natürliches Polymer (zum Beispiel Stärke oder Cellulose oder Proteine) oder wird durch Polymerisation biologischer Moleküle (zum Beispiel Glucose oder Milchsäure) erzeugt. Der Kunstkautschuk gehört in diese Kategorie.

Kunststoffklassen

Kunststoffe werden nach ihren Eigenschaften üblicherweise in drei verschiedene Klassen eingeteilt, die Thermoplaste, die Duroplaste und die Elastomere.

Thermoplast	Duroplast	Elastomer

Quelle: Deutsche Wikipedia. Autor: Roland.chem.
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Die obige Tabelle zeigt die molekulare Struktur eines Thermoplasts, eines Duroplasts und eines Elastomers. Die Polymer-Moleküle eines Thermoplasts sind nicht vernetzt, daher können sie beim Erwärmen aneinander vorbeigleiten. Die Moleküle eines Duroplasts sind eng vernetzt (rote Punkte), beim Erwärmen können sie also nicht aneinander vorbeigleiten. Ein Duroplast ist daher nicht verformbar, wenn man ihn erhitzt. Bei einem Elastomer ist das Netzwerk weiträumiger, die Moleküle können in begrenztem Maße aneinander vorbeigleiten, wenn man einen Elastomer erwärmt oder wenn man ihn mechanischen Beslastungen aussetzt.

Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in der Wärme verformen. Sie können leicht recycelt und in neue Formen gegossen werden. Duroplaste sind sehr harte Kunststoffe, die mit Werkzeugen bearbeitet werden können. Elastomere schließlich sind elastische Kunststoffe mit Eigenschaften wie Gummi, aber wesentlich beständiger.

Herstellungsverfahren

Künstliche Polymere - Kunststoffe - können auf drei verschiedene Weisen aus den Monomeren synthetisiert werden. Bei der Polymerisation werden ungesättigte Monomere - oft Derivate des Ethens oder Propens - einfach aneinander gehängt. Die Doppelbindungen "klappen auf", und schon sind die Monomere miteinander verbunden. Bei der Polykondensation werden Monomere mit OH-, NH₂-, Cl- oder COOH-Gruppen unter Abspaltung von Wasser oder Chlorwasserstoff HCl aneinander gehängt. Bei der Polyaddition schließlich addieren elektrophile Monomere an die C=C-Doppelbindung von Alken-Derivaten. Dabei kommt es zur Umlagerung von H-Atomen. Die so hergestellten Kunststoffe bestehen also stets aus zwei verschiedenen Monomeren, die sich regelmäßig abwechseln.

Hinweise zum Erarbeiten des Themas "Kunststoffe"

Wenn Sie sich in das Thema "Kunststoffe" für den Chemie-Unterricht der Oberstufe einarbeiten wollen, können Sie auf verschiedene Weisen vorgehen.

1. Eine Möglichkeit ist es, sich zunächst um die Eigenschaften der Kunststoffe zu kümmern. Lesen Sie dazu die Seiten über Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Anschließend können Sie sich die drei verschiedenen Syntheseverfahren anschauen. Dazu können Sie die Seiten über Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation lesen.
2. Eine andere Möglichkeit ist das umgekehrte Vorgehen. Sie machen sich erst mit den Synthesemöglichkeiten vertraut und schauen sich dann bei den Eigenschaften um.
3. Schließlich können Sie auch mit einzelnen Kunststoffen anfangen. Allerdings wären dazu einige Vorkenntnisse über die Syntheseverfahren hilfreich. Ein guter Einstieg in dieses Thema wäre zum Beispiel Polyethen.