KUNSTSTOFFE

Herstellung von Kunststoffen

Rohmaterialen für die Kunststofferzeugung sind Naturstoffe wie Zellulose, Kohle, Erdöl und Erdgas. Alle sind Verbindungen von Kohlenstoff und Wasserstoff. Auch Sauerstoff, Stickstoff  und Schwefel können beteiligt sein.



Erdöl   In der Raffinerie wird Erdöl durch Destillation in mehrere Bestandteile getrennt.

Destillation

↓      ↓
  Bei der Destillation fallen im Fraktionsturm folgende Bestandteile an: Gas, Rohbenzin, Diesel, Heizöle sowie Gasöl.
Alle Bestandteile bestehen aus Kohlenwasserstoffen, die sich durch ihre Grösse und die Gestalt ihrer Moleküle unterscheiden
. Das geförderte Erdöl wird auf ca. 400°C erhitzt und dem unteren Teil des Fraktionsturmes als Erdölgas zugeführt. Der Fraktionsturm besteht aus vielen Etagen, die so genannte Glocken besitzen, Teile des aufsteigenden Ölgas kondensieren beim Abkühlen an den einzelnen Etagenglocken. Die Fraktion beruht auf verschiedene Siedepunkte der einzelnen Bestandteile des Rohöles
Naphtha   Das für die Kunststofferzeugung wichtigste Bestandteil ist das Rohbenzin (Naphtha).

Cracken

↓      ↓
  Es wird in einem thermischem Spaltprozess (Krack-Prozess) in Ethylen, Propylen, Butylen und andere Kohlenwasserstoff-Verbindungen auseinander gebrochen und umgebaut. Das erfolgt im sogenannten Cracker.
Ethylen, Propylen
Butylen ...
  Die Ethylen-Ausbeute kann begrenzt über die Krack-Temperatur gesteuert werden und beträgt bei 850°C mehr als 30%.
 
Polymerisation

Polykondensation
Polyaddition
↓      ↓
  Nun kann durch Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition die Herstellung des eigentlichen Kunststoffes begonnen werden.
Kunststoffe    


Die 3 direkten Kunststoffherstellungsverfahren bezeichnet man als:

- Polymerisation
- Polykondensation
- Polyaddition


Polymerisation

Bei der radikalischen Polymerisation wird die Doppelbindung einer Verbindung durch Erhitzen, Licht oder durch so genannte Radikalbildner gespalten. Es entsteht ein Monomer mit C-C- Einfachbindung eines der Kohlenstoffatome wird radikal und kann nun mit einem anderen Monomer mit Doppelbindung reagieren. Die radikalische Polymerisation läuft in vier Phasen ab. Im folgenden wird der Mechanismus der radikalen Polymerisation am Beispiel der Herstellung von Polyethen (PE) erläutert.

Startreaktion:

Zunächst muss der Radikalbildner durch Erwärmen oder Lichtzufuhr homolytisch in zwei Radikale aufgespaltet werden. Ein sehr geeigneter Initiator für die Herstellung von Polymeren ist das Dibenzoylperoxid, welches sich schon durch leichtes Erwärmen oder Lichtzufuhr in zwei Radikale spalten lässt.

 

 Das hier entstehende Radikal wird im Folgenden mit R abgekürzt.

Kettenstart:

Das entstandene Radikal reagiert nun mit dem Ethen. Dabei greift es an der Doppelbindung des Monomers an und es entreißt diesem ein Elektron. Es bildet sich nun eine Bindung zwischen dem Radikal und einem der beiden Kohlenstoffatome. Dadurch entsteht ein neues Radikal, welches sich nun mit einem weitern Ethen -Molekül reagieren kann.

 

Kettenwachstum:

Das nun entstanden Radikal trifft nun immer wieder auf neue Ethen - Moleküle, somit wächst die Kohlenwasserstoffkette immer weiter an. Es entsteht nun ein Makromolekül. Im Falle des Ethen entsteht der Kunststoff Polyethen (PE).

 

Diese Reaktion läuft immer wieder ab und es entsteht ein Makromolekül mit mehreren Hundert Kohlenstoffatomen. Um die Struktur eines solchen Moleküls anzugeben zeichnet man nur einen so genannten charakteristischen Polymerausschnit. Dabei wird die Länge des Makromoleküls durch den Index n angegeben.

 

Kettenabbruch:

Der Kettenabbruch kann dadurch erfolgen, dass ein Radikal auf ein Anderes treffen, sodass ein neues Molekül entsteht. Dieser Vorgang wird als Rekombination bezeichnet.

 

Die Kettenlänge eines Polymers ist von den Reaktionsbedingungen abhängig bei denen der Mechanismus abläuft. So beeinflusst die Konzentration der Monomere und die Konzentration der Radikalbildner, sowie die Temperatur bei der die Reaktion abläuft die Länge des Polymers.


Polykondensation

Diese Art der Polymerisation erfolgt stufenweise, d.h. zwei unterschiedliche Monomere besitzen reaktive Gruppen an beiden Enden des Moleküls, die miteinander reagieren können. Damit ein Monomer an der Reaktion teilnehmen kann muss es mindestens zwei funktionelle Gruppen besitzen, die besonders reaktionsfähig sind (z.B. -OH, -COOH, -CO, ..). Dieser Vorgang erfolgt mehrmals hintereinander bis sich ein Makromolekül gebildet hat. Im Gegensatz zu den anderen Arten der Polymergewinnung (Polymerisation und Polyaddition), wird bei der Polykondensation ein oder mehrere Nebenprodukte frei. Diese Nebenprodukte (Wasser, Ammoniak, Alkohole, usw.) müssen kontinuierlich abgeführt werden und der Reaktionsumsatz muss mindestens 99% betragen um ein echtes Polymer hohen Molekulargewichts zu bekommen. Diamine reagieren mit Dicarbonsäuren auf diese Weise zu Polyamiden (z.B. Nylon) und Diole (Verbindungen mit zwei Alkoholgruppen) reagieren mit Karbonsäuren zu Polyestern (z.B. Polyethylenterephthalat, PET).


Polyadditon

Die 3. Aufbaureaktion für Makromoleküle ist die Polyaddition. Die Addition ist die typische Reaktion von Molekülen mit Doppelbindung und zwar nicht nur von Kohlenstoff-Kohlenstoff sondern auch von Kohlenstoff-Stickstoff oder Kohlenstoff-Sauerstoff Doppelbindung. Bei der technisch wichtigsten Polyaddition werden Alkoholmoleküle an die Isocyanatgruppe N=C=O und zwar ausschließlich an die Kohlenstoff Stickstoffverbindung addiert, die Carbonylgruppe bleibt erhalten. Enthalten die bei der Polyaddition eingesetzten Diole Wasser, so entsteht in einer Nebenreaktion Kohlenstoffdioxid, dass das entstehende Polyurethan zum Schaumstoff auftreibt. Es können außer Diisocyanaten auch Triisocyanate und ebenso trifunktionelle Alkohole eingesetzt werden, so entstehen auch vernetzte Polyurethane. Vernetzung treten auch durch Reaktion des Polyurethan mit überschüssigen Isocyanat ein. Durch Variationen der Komponenten lassen sich harte, weiche und elastische Polyurethankunststoffe herstellen, die vielseitig eingesetzt werden können, sowohl als auch massive Materialien als auch als Schaumstoffe, wie z.B. als Isoliermaterial für Kühlgeräte, Polstermöbel, Autositze, Lacke, Sportgeräte.

Hierbei werden durch wiederholte Addition von Monomeren mit zwei oder mehr reaktionellen Gruppen über Oligomere Polymere gebildet. Bei der Additionsreaktion kommt es dabei zu keiner Abspaltung kleiner Moleküle. Die Polyaddition lässt sich einteilen in die Unipolyaddition, bei der zwei unterschiedliche Monomertypen verwendet werden, und die Copolyaddition, bei der mehr als zwei Monomertypen verwendet werden. Die Reaktionsprodukte der Polyaddition heißen Polyaddukte.

Die Reaktion der Polyaddition verläuft ähnlich wie die der Polykondensation. Doch im Gegensatz zur Polykondensation wird hier nichts abgespalten, es entstehen keine Nebenprodukte, sondern das Wasserstoffatom wandert von einer funktionellen Gruppe zur anderen. Die Ausgangsmonomere müssen also mindestens bifunktionell sein. Auch ringförmige Ausgangsprodukte sind geeignet. In der Regel werden (Di- bzw. Poly) Isocyanate und zwei- oder dreiwertige Alkohole verwendet.
Die Reaktion läuft folgendermaßen ab: zuerst liegen ein Molekülende mit einem leicht abspaltbaren Wasserstoffatom und ein Molekülende mit einer leicht spaltbaren Bindung vor. Das Wasserstoffatom spaltet sich ab und die Bindung der anderen funktionellen Gruppe spaltet sich auf. Das Wasserstoffatom geht dann mit einem der freigewordenen Elektronen eine Bindung ein. Das andere Elektron der aufgespalteten Bindung bildet ebenfalls eine neue Bindung, eine Kette entsteht.
Die entstandenen Polymere werden Polyaddukte genannt. Beispiele für Polyaddukte sind:
· Polyurethan PUR
· Polyurethan-Schaumstoffe (PUR-Schaum)
· Epoxide (EP)