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Welche Arten von Makromolekülen gibt es?
- Naturstoffe (nicht-synthetisch): Kohlenwasserstoffe (Kautschuk), Polysaccharide (Cellulose, Stärke), Proteine (Seide, Wolle)
- Umgewandelte Naturstoffe (halbsynthetisch): KW-Basis (Gummi), Cellulose-Basis (Celluloid, Viskose), Protein-Basis (Leder)
- Kunststoffe (vollsynthetisch): Polymerisate (PE, PP, PS, PVC), Polykondensate (Bakelit, Polyester), Polyaddukte (PU)
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Bei der Nomenklatur von Kunststoffen gibt es einige Definitionen. Erklären Sie folgende Begriffe: Makromolekül, Polymer, Kunststoff, Blend, Compound und Composite.
- Makromolekül: Molekül, welches sich in seiner Zusammensetzung nicht merklich unterscheidet, egal, ob es aus n oder n+1 Wiederholungseinheiten besteht.
- Polymer: Makromolekül aus Monomeren bzw. Grundbausteinen.
- Kunststoff: Material, das ein oder mehrere Polymere und Additive enthält, sowie zusätzlich Füll- oder Verstärkungsstoffe enthalten kann.
- Blend: Mischung zweier oder mehrerer thermoplastischer Polymere (z.B. ABS/PA6 Terblend, BASF).
- Compound: Mischung eines oder mehrerer thermoplastischer Polymere mit Füll- oder/und Verstärkungsstoffen sowie Additiven.
- Composite: Mischung eines Polymeren mit meist hohen Anteilen an Verstärkungsstoffen (Glas- oder Kohlefasern).
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Nennen Sie einige typische Eigenschaften und Anwendungen von Kunststoffen.
- Kunststoffe sind leicht: leichter als Metall oder keramische Werkstoffe -> hohe mechanische Tragfähigkeit wird durch Einarbeiten von Verstärkungsfasern erreicht -> Anwendung im Fahrzeug- und Flugzeugbau, Sportgeräte, Verpackungen usw.
- Kunststoffe sind flexibel: E-Modul und Festigkeit sind breit gefächert -> kunststoffgerechte Kostruktion ermöglicht Substitution
- Kunststoffe haben niedrige Verarbeitungstemperatur (bis ca. 250°C): unkomplizierte Verarbeitung -> kostengünstige Fertigung
- Kunststoffe habe niedrige thermische Leitfähigkeit (1*10^-1 bis 8*10^-1 W/mK): drei Größenordnungen kleiner als Metalle -> guter Isolierwerkstoff
- Kunststoffe haben niedrige elektrische Leitfähigkeit: -> wichtiges Isoliermaterial (Kabelummantelungen) -> kann durch Additive z.B. Metallfasern beeinflusst werden
- Kunststoffe sind häufig transparent: amorphe Erstarrung (z.B. Acrylglas, Polycarbonat)
- Kunststoffe haben eine hohe chemische Beständigkeit: -> vielfältige Anwendung ohne Schutzschicht möglich
- Kunststoffe sind durchlässig: (Permeation, Diffusion): -> Anwendung als Membran (z.B. Meerwasserentsalzung)
- Kunststoffe sind recyclebar: falls unwirtschaftlich problemlose Beseitigung durch Verbrennen
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Wodurch resultieren die physikalischen Eigenschaften eines Polymers?
Durch den Aufbau des Kettenmoleküls: Kettenlänge, Verzweigungen, Bindungsmechanismen (Hauptvalenz-, Nebenvalenzbindungen) -> lineare oder vernetzte Makromoleküle
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Grundsätzlich werden drei Arten von Kunststoffen unterschieden. Nenne diese und erläutere ihren Aufbau.
- Thermoplaste (teilkristallin oder amorph): linearer oder schwach verzweigter Aufbau der Makromoleküle (nicht vernetzt) -> beim Erwärmen plastisch verformbar
- Duroplaste (amorph): engmaschig vernetzte Makromoleküle -> nicht verformbar durch Erwärmen, Zersetzung ohne Erweichung
- Elastomere (amorph): weitmaschig vernetzte Makromoleküle können aneinander abgleiten und sich strecken -> elastisch verformbar, aber Zersetzung beim Erwärmen
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Beschreiben Sie den Kettenaufbau am Beispiel des Polyethylens.
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Was hat haben kristalline und amorphe Bereiche für einen Einfluss auf die Eigenschaften von Kunststoffen?
- kristalline Bereiche: Kettenabschnitte treten parallel gebündelt auf -> sie erhöhen die Stabilität
- amorphe Bereiche: Makromoleküle sind ungeordnet (können aneinander abgleiten) -> sorgen für elastische und biegsame Materialen
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Beschreiben Sie die Herstellung von ungesättigten Kohlenwasserstoffen.
- Ausgangsbasis meist Rohöl (Gas oder Kohle auch möglich)
- Rohöl enthält ca. 1000 verschiedene CH-Verbindungen
- Destillation im Röhrenofen bei ca. 400°C
- Fraktionen werden im Fraktionierturm auf verschiedenen Etagen voneinander getrennt (unterschiedlicher Siedepunkt, unterschiedliche Molekülgröße)
- Naphtha als Ausgangsstoff: Durch das Cracken der Naphthafraktion bei ca. 850°C im Steamcracker zerfallen die CH-Verbindungen zu kleineren Molekülen wie z.B. Ethylen
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Welche Bildungsreaktionen gibt es und wie funktionieren sie?
- Polymerisation (Kettenreaktion): Kombination gleichartiger Monomere (mit mindestens einer Kohlenstoffdoppelbindung) zu einer linearen Kette durch Aufklappen der C=C Doppelbindung ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile (reversibler Prozess)
- Polykondensation (Stufenreaktion): Kombination verschiedener Monomere zu einer linearen oder verzweigten Kette unter Abspaltung flüchtiger Bestandteile (Bildung von Nebenprodukten)
- Polyaddition: Bildung linearer oder verzweigter Ketten durch chemische Umwandlung verschiedener Moleküle (Umlagerung von Wasserstoffatomen) ohne Abspaltung flüchtiger Bestandteile
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Durch was wird die Größe der Polymere angegeben?
- Molmasse in g/mol: Summe der Atommassen der im Polymer enthaltenen Atome
- Polymerisationsgrad: Zahl der Monomereinheiten im Polymer
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Was sind typische Größen von Molmasse und Polymerisationsgrad?
- Molmasse: 8.000 - 3.000.000 g/mol
- Polymerisationsgrad: 100 - 10.000
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Welche Auswirkungen hat eine steigende Molmasse auf den Kunststoff?
- Höhere Festigkeit: höhere Nebenvalenzkräfte, mehr Verschlaufungen
- Höhere Zähigkeit: geringerer Kristallisationsgrad bei längeren Molekülen, mehr Verschlaufungen
- Höhere chem. Beständigkeit: höhere Nebenvalenzkräfte, geringer Einfluss von Abbau
- Schlechteres Fließverhalten: mehr Verschlaufungen
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Welche Auswirkungen hat die Molmassenverteilung?
- Enge Verteilung: Höhere Gleichmäßigkeit von Kennwerten, gleichmäßiger thermische Erweichungsbereich, geringe Spannungsrissempfindlichkeit, bessere Chemikalienbeständigkeit
- Breite Verteilung: Besseres Fließverhalten, abnehmende Sprödigkeit, Erniedrigung des Kristallisationsgrades
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