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2021 | Buch

Kunststoffchemie für Ingenieure

Von der Synthese bis zur Anwendung

verfasst von: Wolfgang Kaiser

Verlag: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einführung
Zusammenfassung
Als Werkstoffe werden alle festen Materialien wie Holz, Stahl, NE-Metalle, Leder, Steine, Glas, Keramik, Kunststoffe bezeichnet, die sich zur Herstellung von Werkstücken, beispielsweise Maschinenteilen und Gebrauchsgegenständen eignen.
Wolfgang Kaiser
2. Grundlagen
Zusammenfassung
Die Bezeichnung Kunststoffe geht auf Dr. Richard Escales, den Begründer einer Zeitschrift zurück, die erstmals im Jahre 1911 unter dem Titel „Kunststoffe“ erschien und sich mit der Erzeugung und Verwendung veredelter oder chemisch hergestellter
Wolfgang Kaiser
3. Technologie der Ver- und Bearbeitung von Kunststoffen
Zusammenfassung
Der Begriff Technologie wird im wissenschaftlichen Sinne für die beschreibende Lehre von der Gewinnung und/oder Verarbeitung von Roh- und Werkstoffen verwendet.
Die treibende Kraft als Schrittmacher übernehmen dabei die aktuellen naturwissenschaftlich- technischen Erkenntnisse, die für jeden technologischen Fortschritt unentbehrlich sind.
Wolfgang Kaiser
4. Polyolefine
Zusammenfassung
Trivialnamen haben es so an sich. Gelegentlich basieren sie auf einer einzigen, oft zufälligen Beobachtung. Ein Paradebeispiel dafür liefert die Bezeichnung Olefine. Der Beiname Olefine für die Stoffklasse der Alkene geht auf chemische Experimente im vorletzten Jahrhundert zurück, bei denen sich die Gase Ethylen, Propylen und Isobutylen mit dem ebenfalls gasförmigen Chlor zu flüssigen, ölartigen/ölbildenden Substanzen (,,Olefine“) vereinigten. Doch die Polymere dieser Gase sind alles andere als ölartige/ ölbildende Substanzen − eher aus ,,Ölen“ gebildet. Es sei denn, man beziehe in das Wort Polyolefine das chemische Recycling mit ein, bei dem diese ,,Polyalkene“ wiederum zu Ölen werden. Also doch Polyolefine!
Wolfgang Kaiser
5. Halogenierte Kunststoffe I
Zusammenfassung
Gäbe es einen Preis für den vielseitigsten Werkstoff bei den Kunststoffen, so würde der Träger dieses Preises ganz gewiss PVC heißen. Auch scheiterten bisher diverse ,,Öko“ Bemühungen, dem PVC ein ,,Down-sizing“ zu verpassen. Im Gegenteil: Mit einem Chlorgehalt von 56,7% an der molaren Masse (Molekulargewicht) verfügt das PVC über strategische Vorteile gleich in zweifacher Hinsicht. Zum einen stellt es ein hochwillkommenes Koppelprodukt der Chlorchemie dar; zum anderen macht der Chloranteil – ähnlich wie beim Natriumchlorid (Kochsalz) – mehr als die Hälfte des Eigengewichts des PVCMoleküls aus. Ergo bedeutet dies erhebliche Einsparungen hinsichtlich benötigter Erdölbzw. Erdgasprodukte bei der PVC-Synthese.
Wolfgang Kaiser
6. Polystyrol-Kunststoffe
Zusammenfassung
Man schreibt das Jahr 1839. In Berlin beschäftigt sich der Apotheker Eduard Simon mit dem Storax, einem Wundbalsam aus der Rinde des Amberbaumes (liquidambar orientalis M.), der zur Behandlung gegen Krätze und als Räuchermittel diente. Durch Wasserdampfdestillation des flüssigen Storax (storax liquidus) erhält der Apotheker eine ölige Flüssigkeit, die er als Styrol bezeichnet. Auch beobachtet E. Simon bereits ein allmähliches Verfestigen des Styrols zu einer durchsichtigen zähen Masse und deutet dies als einen Oxidationsvorgang.
Wolfgang Kaiser
7. Ester-Thermoplaste
Zusammenfassung
Warum schreibt man Ester ohne h? Auf den ersten Blick scheint diese Frage berechtigt zu sein; immerhin ist „Esther“ als Mädchenname seit biblischem Gedenken ein Begriff. Doch bei genauerer Betrachtungsweise entpuppt sich der „Ester“ als ein Kunstwort, das Leopold Gmelin, anno 1848, für aus Sauerstoffsäuren und Alkoholen erzeugte Verbindungen einführte. Zitat: „Ich nannte sie früher Naphten durch Sauerstoffsäuren erzeugt, und schlage jetzt den Namen „Ester“ vor, vgl. Abschnitt 2.1. Ferner wurden Ester zur damaligen Zeit auch als „Ethers du troisième genre“ bezeichnet, z. B. der „Essigäther“, deutsch geschrieben; eine veraltete Bezeichnung für Essigsäureethylester, das Reaktionsprodukt von Essigsäure mit Ethanol (Ethylalkohol) unter Abspaltung von Wasser.
Wolfgang Kaiser
8. Stickstoff-Thermoplaste
Zusammenfassung
Obwohl Stickstoff mit der Luft allgegenwärtig ist, wurde er wegen seiner Reaktionsträgheit erst relativ spät entdeckt (1772). Ursache ist eine extrem stabile Dreifach-Bindung, mit der die beiden Stickstoffatome im N2-Molekül fest miteinander verknüpft sind. Elementarer Stickstoff lässt sich daher bis heute nicht direkt in beliebige Moleküle einbauen. Es musste daher zunächst ein großtechnisches Verfahren gefunden werden, das es ermöglichte, Stickstoff in chemisch gebundener Form für nachfolgende Synthesen zur Verfügung zu stellen (Haber-Bosch-Prozess, 1913). Auch die Stickstoff-Thermoplaste bergen demzufolge ein Stück „gefesselten“ Luftstickstoff in sich. Übrigens stammt der bei Polymer-Synthesen benötigte Sauerstoff ebenfalls aus der Luft, allerdings mit dem kleinen Unterschied, dass dieses reaktionsfreudige chemische Element „freiwillig“ Verbindungen eingeht.
Wolfgang Kaiser
9. Acetal- und Ether-Thermoplaste
Zusammenfassung
Der Ausdruck Äther leitet sich ursprünglich vom griechischen ,,aither“ ab, das so viel wie ,,obere Luft“ bedeutet. Doch auch vom chemischen Standpunkt aus bleiben die Ether (veraltet: Äther) fürs erste eher eine ,,luftige“ Angelegenheit. Und dies sogleich in mehrfacher Hinsicht. Zum einen sind die niedermolekularen Ether meist leicht verdampfbare Substanzen, deren Dämpfe im Gemisch mit Luft (Sauerstoff) explosiv sind. Darüber hinaus existiert kein Ether, der nicht bereits in Form so genannter Etherbrücken Sauerstoff in seinen Molekülen beherbergen würde. Sauerstoffatome, die durch Einfachbindungen zwischen benachbarten Kohlenstoffatomen gebunden sind, gehören damit zum charakteristischen Bestandteil eines jeglichen Ethermoleküls.
Wolfgang Kaiser
10. Halogenierte Kunststoffe II
Zusammenfassung
Seit alters her – also nicht erst seit es Kunststoffe gibt – werden zur Erzielung dünnflüssiger Schmelzen so genannte Flussmittel (Fließmittel) zugesetzt. Das Mineral Flussspat, schon sein Name lässt es vermuten, ist so ein Flussmittel und findet in der Hüttenindustrie Verwendung.
Wolfgang Kaiser
11. Duroplaste
Zusammenfassung
Not ist die Mutter der Erfindung (Necessity is the mother of invention, engl. Sprichwort).
Nicht selten stand die Not auch am Anfang der Entwicklung neuer polymerer Werkstoffe. So verdankte bereits um 1900 das erste vollsynthetische Produkt „Laccain“ seine Entstehung einer notgedrungenen Suche nach einem Ersatzstoff für Schellack, da dieses Naturharz sehr teuer und damit für viele Anwendungen unerschwinglich geworden war. In der Folge dieser Entwicklungen gelang C. H. Meyer (Fa. Blumer in Zwickau) anno 1902 erstmalig die Herstellung eines technischen Kunstharzes auf Phenolharzbasis. Doch es war L. H. Baekeland, der kurze Zeit später den wirtschaftlichen Durchbruch schaffte, indem er mit seinem berühmten „Hitze- und Druckpatent“ eine kontrollierte Vernetzung der Phenolharze und damit deren industrielle Verwertbarkeit ermöglichte (Bakelite). Es blieb somit den Duroplasten vergönnt, das Zeitalter der vollsynthetischen Kunststoffe einzuläuten. Sicherlich nicht zuletzt zur großen Freude der Lackschildläuse Ostasiens, „coccus lacca“ (lat.). Wurden doch für 1 kg Schellack (u. a. der ursprüngliche Rohstoff für Schallplatten) „nur“ 300 000 Exemplare dieser Spezies benötigt.
Wolfgang Kaiser
12. Hochleistungspolymere
Zusammenfassung
Leistungsmerkmale von Soft- und Hardware werden heutzutage oftmals nur noch unter dem neudeutschen Modewort „Features“ vermarktet. Doch wie sieht es bei den Hochleistungspolymeren mit „Features“ aus? Um auf diese Frage eine vernünftige Antwort zu erhalten, sei zunächst der Begriff Leistung unter die Lupe genommen. Dabei lässt sich unschwer erkennen, dass der klassische Leistungsbegriff aus der Physik als exakt messbare Größe nicht geeignet erscheint, um die Charakteristika von „Features“ im Falle von Hochleistungspolymeren beschreiben zu können. Erfolg versprechender ist der Ansatz, die Leistung individuell zu definieren, z. B. in ihr den Grad einer bestimmten Beanspruchung als auch deren Ergebnis zu sehen. Auf diese Weise ergibt sich als wichtigstes „Feature“ von Hochleistungspolymeren deren sehr gute Temperaturbeständigkeit. Gleichzeitig ist zu hoffen, dass das Marketing bei den Hochleistungspolymeren keine Sprachmanipulation hin zu den „Höchstleistungspolymeren“ zulässt. Denn dies hätte, wie die Erfahrung aus der Informatik zeigt, lediglich ein Aufblähen der „Features“ bei der Vorgängerversion zur Folge, spöttisch auch als „Featuritis“ bezeichnet. Hochleistungspolymere ist hoch genug.
Wolfgang Kaiser
13. Elastomere
Zusammenfassung
Unter Symbiose versteht man in der Biologie das Zusammenleben von Lebewesen verschiedener Art zu gegenseitigem Nutzen. Im übertragenen Sinn lässt sich dieses Phänomen auch bei den Elastomeren orten. Im Kern der Sache geht es um die erfolgreiche Wechselbeziehung zwischen natürlich und künstlich. Auf der einen Seite befindet sich der Naturkautschuk, der aufgrund einer einzigartigen Kombination von herausragenden Eigenschaften für viele Anwendungen nach wie vor unentbehrlich ist.
Wolfgang Kaiser
14. Schaumstoffe
Zusammenfassung
Vorausgesetzt man hat eine Schwäche für feine Desserts, könnte allein schon der Gedanke an „Meringe mit Schlagsahne“ für die schlanke Linie zur Bedrohung werden. Aus verfahrenstechnischer Sicht scheint das Ganze allerdings weitaus weniger spektakulär zu sein, handelt es sich doch bei dieser süßen Versuchung lediglich um zwei unterschiedliche, zum Verzehr hergestellte Schaumstoffe. Prosaisch betrachtet entsteht im Falle der Meringe, dem zart-zerbrechlichen Schaumgebäck, ein „verfestigter Schaum“; ganz im Gegensatz zur Schlagsahne, die auf einer „physikalischen“ Speisekarte unter der Rubrik „Dispersion eines Gases in einer flüssigen Phase“ zu suchen wäre. Doch wie gelangt man zu „verfestigten Schäumen“? Eine Frage, die offensichtlich nicht nur Konditoren interessiert.
Wolfgang Kaiser
15. Kunststoffe als Sonderwerkstoffe
Zusammenfassung
„Wie viele Engel haben auf der Spitze eines Gänsekiels (Schreibfeder) Platz?“, so lautete eine akademische Streitfrage unter den Scholastikern im Mittelalter. Etwas prosaischer hingegen hört sich in unseren Tagen die Frage an, wie viel Speicherplatz auf einem USBStick unter Ausnutzung aller technischen Möglichkeiten denkbar wäre? In beiden Fällen erregt das Neue, das Unbekannte die Aufmerksamkeit des Menschen und beflügelt seine Phantasie. Doch was neu ist, kann schon im nächsten Augenblick zur Normalität werden oder gar als überholt und veraltet gelten.
Wolfgang Kaiser
16. Gesundheits-, Sicherheits- und Umweltaspekte von Kunststoffen
Zusammenfassung
Die akute Toxizität einer Substanz entspricht deren Giftwirkung bei einmaliger (¼ akuter) Aufnahme. Die Aufnahme kann durch den Mund (¼ oral), durch die Haut (¼ dermal bzw. percutan) oder durch Einatmen (¼ Inhalieren) erfolgen.
Wolfgang Kaiser
Backmatter
Metadaten
Titel
Kunststoffchemie für Ingenieure
verfasst von
Wolfgang Kaiser
Copyright-Jahr
2021
Verlag
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
Electronic ISBN
978-3-446-46602-9
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-446-46602-9