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Ein technischer Blick auf Polymersynthese und Additive

Kunststoffe aus pflanzlichen Stoffen

Ursprünglich wurden Kunstharze aus pflanzlichen Stoffen hergestellt, darunter Zellulose aus Baumwolle, Furfural aus Haferschalen, Öle aus Samen und verschiedene Stärkederivate. Bakelit (Phenol-Formaldehyd-Harz), einer der ersten Kunststoffe aus synthetischen Komponenten, wurde 1907 von dem in Belgien geborenen Chemiker Leo Backeland in New York entwickelt. Bakelit wird durch eine Abspaltungsreaktion von Phenol mit Formaldehyd hergestellt. Es wurde ursprünglich wegen seiner elektrischen Nichtleitfähigkeit und seiner hitzebeständigen Eigenschaften in elektrischen Isolatoren, Radio- und Telefongehäusen verwendet. Da es ein ansprechendes Aussehen hat, wurde es auch zur Herstellung von Konsumgütern wie Schmuck verwendet. Heutzutage werden die meisten Kunststoffe jedoch aus Petrochemikalien einschließlich Erdgas hergestellt.

Polymersynthese: Wie Kunststoffe hergestellt werden

Kunststoffe sind organische Materialien, die Elemente wie Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Chlor (Cl) und Schwefel (S) enthalten. Sie werden typischerweise aus Rohstoffen wie Öl, Erdgas und Kohle hergestellt. Der erste Schritt bei der Herstellung von Kunststoffen ist die Polymerisation des Rohmaterials, das als Monomer bezeichnet wird.

Cracking-Phase

Kohlenwasserstoffe werden in einer „Crackphase“ erhitzt. Bei diesem Prozess werden in Gegenwart eines Katalysators größere Moleküle in kleinere zerlegt wie Ethylen (Ethan) C2H4 Propylen (Propan) C3 H6 , Butan C4 H6 und andere Kohlenwasserstoffe. Die Ausbeute an erzeugtem Ethylen wird durch die Cracktemperatur gesteuert und kann bei einer Temperatur von 850°C mehr als 30% betragen. In Folgereaktionen können Styrol und Vinylchlorid hergestellt werden.

Die beiden Hauptarten der Polymerisation sind Additions- und Kondensationsreaktionen. Diese Prozesse können in der gasförmigen, flüssigen und manchmal in einer festen Phase des Monomers stattfinden.

Kondensationsreaktion

In einer Kondensationsreaktion , verbinden sich zwei Moleküle mit dem Verlust eines kleineren Moleküls wie Wasser oder eines Alkohols oder einer Säure. Bei dieser Reaktionsart haben sowohl Monomer eins als auch Monomer zwei Wasserstoff (H) und Hydroxylgruppen (OH). Wenn sie mit einem Katalysator zusammenkommen, verliert ein Monomer ein Wasserstoffatom, während das andere die Hydroxylgruppe verliert. Der Wasserstoff und die Hydroxylgruppe verbinden sich zu Wasser (H2 ). Die verbleibenden Elektronen bilden eine kovalente Bindung zwischen den Monomeren und bilden eine lange Kette von Copolymeren.

Die resultierenden Monomere können dann zu chemischen Ketten, sogenannten Polymeren, gebunden werden. Unterschiedliche Polymere werden durch Ketten unterschiedlicher Monomere mit jeweils individuellen Eigenschaften und Eigenschaften erzeugt. Die Variabilität ermöglicht Kunststoffe, die zu Produkten geformt werden können, die Anwendungsanforderungen wie Hitzebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Festigkeit und mehr erfüllen.

Zusatzreaktion

In einer Zusatzreaktion , Elektronen mit einer Doppelbindung werden innerhalb des Monomers umgelagert, um Einfachbindungen mit anderen Monomeren zu bilden. Die folgende Additionsreaktion zwischen einem Ethanmolekül und einem Chlormolekül zeigt die Bildung eines Polymers.

H               H                                               Cl   Cl

   \             /                                                      │   │

       C =C         +         Cl – Cl       →     H ― C ― C ― H

     /               \                                                 │     │

H                 H                                                 H    H  

Hier wird die Doppelbindung zwischen den Kohlenstoffatomen zu einer Einfachbindung mit Chloratomen an jedem Ende.

Additive

Nachdem das Basispolymer gebildet wurde, können dann chemische Zusätze hinzugefügt werden, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Dazu gehören Antioxidantien zum Schutz des Polymers vor dem Abbau durch Ozon oder Sauerstoff, Flammschutzmittel, antistatische Additive und Gleitmittel für eine größere Polymerflexibilität. Außerdem sind Weichmacher zur Verbesserung der Flexibilität, Ultraviolettstabilisatoren zur Verhinderung der Zersetzung durch die UV-Strahlen der Sonne und Pigmente zum Hinzufügen von Farbe enthalten. Verbundwerkstoffe können durch Zugabe von Glas, Kohlenstoff und anderen Fasern zu den Harzen hergestellt werden. Es können Kunststoffe kompoundiert werden, die starken Säuren, Laugen und Laugen widerstehen, Feuer in Wohnmöbeln verzögern, Gleitmittel für Lager enthalten oder der tropischen Sonne standhalten.

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