Themenkreis

Chemie der Kunststoffe

Leitfragen

Aus welchen Rohstoffen werden Kunststoffe hergestellt?

Welche Aufarbeitungsschritte vom Erdöl zu den Ausgangsstoffen

von Kunststoffen gibt es?

Wie sind Kunststoffe aufgebaut?

Was versteht man unter einem Monomer?

Was sind Makromoleküle und was sind Kettenelemente?

Welche Polymersyntheseverfahren gibt es?

Inhalt

2.1 Rohstoffe für Kunststoffe

2.2 Monomere und Polymere

2.3 Synthese des Polyethylens

Erfolgskontrolle zur Lektion 2

Vorwissen

Grundlagen der Kunststoffe (Lektion 1)

Rohstoffe für die Kunststofferzeugung sind Naturstoffe wie Zellulose, Kohle, Erdöl und Erdgas. Den Molekülen dieser Rohstoffe ist gemeinsam, dass sie Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) enthalten. Es können auch Sauerstoff (O), Stickstoff (N) oder Schwefel (S) beteiligt sein. Der wichtigste Rohstoff für die Kunststoffe ist das Erdöl.

In Bild 2.1 ist dargestellt, welchen Anteil die verschiedenen Produkte, die aus Erdöl hergestellt werden, am Gesamterdölaufkommen haben. Es wird deutlich, dass nur sechs Prozent des Erdöls zu Kunststoffen weiterverarbeitet wird.

Aus Erdöl werden aber nicht direkt Kunststoffe hergestellt. Es sind mehrere Zwischenschritte notwendig.

In einer Raffinerie wird das Erdöl durch Destillation (Verfahren zur Trennung von Flüssigkeiten) in seine verschiedenen Bestandteile getrennt. Zur Trennung werden die Siedepunkte dieser verschiedenen Bestandteile benutzt. Es werden getrennt: Gas, Benzin, Petroleum, Gasöl und als Destillationsrückstand bleibt Bitumen übrig, das im Straßenbau verwendet wird.

Das für die Kunststoffherstellung wichtigste Destillat ist das Rohbenzin. Das destillierte Benzin wird in einem thermischen Spaltprozess in Ethylen, Propylen, Butylen und andere Kohlenwasserstoffe auseinandergebrochen. Dieser Prozess wird auch als Cracken (to crack = brechen) bezeichnet. Zu welchen Anteilen die einzelnen Spaltprodukte anfallen, lässt sich über die Prozesstemperatur steuern. Zum Beispiel fallen bei 850 °C mehr als 30 % Ethylen an.

Aus Ethylen können in nachfolgenden Reaktionsschritten z. B. noch Styrol und Vinylchlorid gewonnen werden. Diese beiden Stoffe sind ebenso wie Ethylen, Propylen und Butylen Ausgangsstoffe (Monomere), aus denen Kunststoffe hergestellt werden können.

Bekanntermaßen brauchen alle Arbeitsprozesse eine gewisse Energie (Druck, Wärme, motorische Leistung etc.). Das Bild 2.2 zeigt, wie energiegünstig Kunststoffprodukte im Vergleich zu anderen Werkstoffen hergestellt werden. In der Grafik ist der Energieaufwand (gerechnet in Tonnen Erdöl) dargestellt, der zur Herstellung verschiedener Produkte benötigt wird.

Man bezeichnet die Ausgangsstoffe von Kunststoffen auch als Monomere (mono = einzeln, meros = Teil). Aus diesen Ausgangssubstanzen lassen sich die Kunststoffmakromoleküle herstellen. Der Begriff Makromolekül leitet sich aus der Größe der Kunststoffmoleküle ab (makro = groß), da sie aus vielen Tausend Monomermolekülen entstehen.

Bevor sich das Makromolekül bildet, liegen die Monomere einzeln vor (Bild 2.3). Der Kunststoff aus vielen dieser Teilchen heißt Polymer (poly = viele). Erst durch eine chemische Reaktion werden die einzelnen Moleküle zum Makromolekül.

Da die Makromoleküle im einfachsten Fall aus vielen gleichen Monomeren entstehen, bestehen sie aus einer Abfolge von Kettenbausteinen, die sich immer wiederholen (Bild 2.4).

Jede Molekülkette hat eine durchgehende Linie von Kettenbausteinen, an der andere hängen, die sich nicht in dieser Linie befinden. Die durchgehende Linie des Makromoleküls, das sogenannte Rückgrat, wird oft allein durch das Element Kohlenstoff (C) gebildet. Manchmal kommen auch Sauerstoff (O) oder Stickstoff (N) vor. Der Kohlenstoff hat die Eigenschaft, dass er leicht mit sich selbst oder auch mit Sauerstoff und Stickstoff Ketten bildet. Bei anderen Elementen ist diese Eigenschaft nicht so ausgeprägt.

Am Rückgrat hängen verschiedene andere Elemente oder Elementgruppen, zum Beispiel Wasserstoff (H). Bestehen die Elementgruppen aus Kettenbausteinen, die auch die eigentliche Molekülkette bilden, so werden sie als Verzweigungen oder Seitenketten bezeichnet. Diese Verzweigungen treten in mehr oder weniger starkem Maße bei allen Kunststoffen auf.

Ein Beispiel für einen makromolekularen Stoff ist Polyethylen (Bild 2.5).

Das Monomer, aus dem sich Polyethylen bildet, heißt Ethylen und besteht nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff, wie die Strukturformel in Bild 2.6 zeigt.

Die Striche im Bild stellen die Bindungen zwischen den Atomen dar. Eine Bindung besteht aus einem Elektronenpaar. Die beiden Striche zwischen den Kohlenstoffatomen stellen die Doppelbindung dar.

Die Doppelbindung ist wichtig für die Reaktion zur Bildung des Makromoleküls. Die Ethylenmoleküle werden eines nach dem anderen aktiviert und bilden nach und nach ein Makromolekül, dessen Strukturformel in Bild 2.7 dargestellt ist.

Der Buchstabe „n“ steht für die Zahl, welche angibt wie oft sich diese Einheit in einem Makromolekül wiederholt. Sie liegt in der Regel über 10.000. Da sich nicht ein Makromolekül nach dem anderen, sondern gleichzeitig viele Makromoleküle bilden, verknäueln sich diese hierbei (Bild 2.8). Der Kunststoff entsteht.

Je nach Monomerart werden die Makromoleküle durch eine andere Reaktion gebildet. Es gibt drei grundsätzlich verschiedene Reaktionen bzw. Verfahren, mit denen die Kunststoffe hergestellt werden. Solche Herstellungsverfahren von Kunststoffen nennt man Syntheseverfahren, weil ein neuer Stoff (hier: ein Kunststoff) aus Bausteinen (hier: Monomere) synthetisiert (synthetisieren = zusammenführen) wird. Die Fachbezeichnung für die Kunststoffe, die nach diesen Verfahren hergestellt werden, lehnt sich an die Verfahrensbezeichnung an (Tabelle 2.1).

Erfolgskontrolle zur Lektion 2