Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 02.05.16


Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

Vortrag von Katrin Morawitz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 2011


Gliederung:


Abb. 1: Legosteine

Legosteine – kaum jemand, der noch nie mit den bunten Klötzchen gespielt hat. Das Faszinierende daran: Kein Spiel gleicht dem anderen, es lassen sich immer neue Werke bauen. So kann jeder in seine eigene Fantasiewelt abtauchen. In selbstgebauten Burgen kann man das Mittelalter nacherleben. Mit Raumschiffen lassen sich neue Welten erkunden. Ja, sogar ein ganzes Land ist aus den kleinen Steinen entstanden.

Es gibt praktisch nichts, was man aus Legosteinen nicht bauen könnte. Trotz der schier unbegrenzten Möglichkeiten soll es hier aber nicht darum gehen, was man aus Legosteinen alles zusammensetzen kann, sondern darum, woraus Legosteine selbst zusammengesetzt sind.


1 Zusammensetzung eines Legosteins

Um den Bestandteilen eines Legosteins auf die Spur zu kommen, eignet sich der folgende Versuch. Dabei wird ein Stein in seine Komponenten aufgetrennt und die jeweilige Beschaffenheit geprüft.

Experiment 1 Darstellung der Komponenten eines Legosteins
Material
  • Trockenschrank
  • Zentrifuge

Für Durchführung 1:

  • Legostein
  • Messzylinder 50 ml
  • Becherglas 100 ml
  • Rührgerät
  • Magnetstäbchen

Für Durchführung 2:

  • Magnetstäbchenangel
  • Zentrifugenglas
  • Becherglas 100 ml 
  • PE-Folienstück ca. 7x7 cm
  • Uhrglas ca. d = 80 mm
  • Spatel
Für Durchführung 3:
  • Becherglas 100 ml 
  • Magnetstäbchen
  • Rührgerät
  • Pasteurpipette mit Hütchen

Für Durchführung 4:

  • Erlenmeyerkolben 200ml
  • Glastrichter 80mm
  • Rundfilter d=100mm
  • Spatel
  • Uhrglas
  • Saugpapier

Für Durchführung 5:

  • 1 PE-Folienstücke ca. 7*7cm
  • Uhrglas
  • Pipette
Chemikalien
  • Aceton techn.
  • Wasser
Durchführung 1 Das mit 50 ml Aceton, einem Magnetstäbchen und einem Legostein gefüllte Becherglas wird 20-30 Minuten auf dem Rührgerät gerührt.
Beobachtung 1 Es entsteht eine Trübung im Aceton. Der Legostein löst sich auf.
Durchführung 2 Nach Entfernen des Magnetstäbchens wird das Becherglas ein paar mal geschwenkt. Der Inhalt wird in ein Zentrifugenglas gefüllt und für fünf Minuten in die Zentrifuge gegeben. Der Überstand wird in ein Becherglas gegossen. Auf ein Uhrglas wird ein PE-Folienstück gelegt und der Bodensatz mit Hilfe des Spatels darauf gegeben. Das Uhrglas wird für 15 Minuten in den Trockenschrank gestellt.
Beobachtung 2
  • Die getrocknete Masse (Komponente 1) ist zäh und leicht elastisch
  • Am Boden des Becherglases haben sich helle Flocken gebildet (Komponente 2)
Deutung 1 + 2 Ein Legostein lässt sich in Aceton in zwei Komponenten trennen: Durch Zentrifugation setzt sich eine am Boden ab, eine verbleibt im Lösungsmittel.
Durchführung 3 In ein Becherglas werden 60 ml Wasser und ein Magnetstäbchen gegeben. Unter Rühren wird mit der Pipette etwa die Hälfte des Überstandes aus Durchführung 2 zugegeben.
Beobachtung 3 Im Wasser entstehen weiße Flocken.
Deutung 3 In Aceton war die zweite Komponente des Kunststoffes gelöst.
Durchführung 4 Die Flocken werden abfiltriert. Der Rückstand aus dem Filter wird auf ein Uhrglas gegeben und nach Entfernen des restlichen Wassers mit dem Saugpapier für 15 Minuten bei 70°C in den Trockenschrank gestellt.
Beobachtung 4 Der Rückstand (Komponente 2) sieht flockig aus. 
Durchführung 5 Ein PE-Folienstück auf ein Uhrglas legen und eine Pipette voll Lego-Lösung aus Durchführung 2 darauf geben. Im Trockenschrank bei 70°C ca. 15 Minuten lang das Lösemittel Aceton abdampfen.
Beobachtung 5 Der Rückstand (Komponente 2) bildet eine knisternde, spröde Folie.
Deutung Die beiden Komponenten haben im Gemisch unterschiedliche Funktionen.
Bei Komponente 2 (Abb. 2 rechts) handelt es sich um das Copolymer Styrol-Acrylnitril (SAN). Im getrockneten Zustand ist es faserig und spröde. Im Legostein sorgt es für die Festigkeit und Härte.
Komponente 1 (Abb. 2 links) ist Butadien-Kautschuk. Im getrockneten Zustand ist es biegsam und so zäh, dass eine Stecknadel stecken bleibt. Im Legostein sorgt es für die Schlagzähigkeit.

Abb. 2:
links: Butadien-Kautschuk (Komponente 1);
rechts und hinten: SAN (Komponente 2) [3]

Entsorgung Filtrat und Zentrifugat: Hausmüll; Überstände: organische Lösemittel

Mit Hilfe des Versuchs wurde ein Legostein in zwei Komponenten aufgetrennt. Eine Komponente wurde identifiziert als Butadien-Kautschuk, die andere als Styrol-Acrylnitril (SAN).

Beide Komponenten zusammen ergeben Acrylnitril-Butadien-Styrol oder kurz: ABS - der Stoff, aus dem Legosteine hergestellt sind.


2 Herstellung von ABS

Da bei der Herstellung des Kunststoffs ABS verschiedene Monomere eingesetzt werden, spricht man von einem Copolymer. Genauer gesagt handelt es sich ein Terpolymer, da er aus drei verschiedenen Monomeren Acrylnitril (Abb. 3), 1,3-Butadien (Abb. 4) und Styrol (Abb. 5) besteht.

Abb. 3: Acrylnitril Abb. 4: 1,3-Butadien Abb. 5: Styrol

Der prozentuelle Anteil der Komponenten am fertigen Polymer kann variieren: Der Gehalt von Acrylnitril liegt zwischen 15 – 35 %, der von Butadien liegt zwischen 5 – 30 % und der von Styrol bei 40 – 60 %.

Eine Möglichkeit ABS herzustellen ist die Pfropf-Copolymeristaion. Dabei gibt es zwei Wege: Das Emulsions-Verfahren und das In-Masse-Verfahren. Während beim Emulsionsverfahren die einzelnen Monomere nach und nach der Polymerisation hinzugefügt werden, kommen beim In-Masse-Verfahren alle Monomere gleichzeitig zur Polymerisation. Das Produkt des In-Masse-Verfahrens ist schlagzäher, leichter einfärbbar und enthält weniger Fremdstoffe als das Produkt des Emulsions-Verfahrens.

Bei einer anderen Möglichkeit ABS herzustellen werden bereits fertige Polymere verwendet. Das Copolymer SAN wird dabei mit dem Polymer Butadien-Kautschuk vermischt. Der Kautschuk wird in kugeliger Form zugegeben und lagert sich fein dispergiert in die Matrix aus SAN.


3 Eigenschaften von ABS

In Copolymeren werden die Eigenschaften, die die Homopolymere der jeweiligen Monomere zeigen, zusammengefügt. Dadurch kommt es zu neuen und je nach Verwendungszweck günstigeren Eigenschaften als bei den Homopolymeren. So besitzt Acrylnitril-Butadien-Styrol andere Eigenschaften als Polystyrol.

In den folgenden Versuchen werden die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Kunststoffe Acrylnitril-Butadien-Styrol und Polystyrol vergleichend untersucht.

Experiment 2 Mechanische Eigenschaften von ABS und PS im Vergleich
Material
  • zwei Streifen PS
  • zwei Streifen ABS
  • Arbeitshandschuhe
  • Schutzbrille
  • Isolierbehälter
  • kleiner Schraubstock
  • Hammer
Chemikalien
  • Eis
  • Kochsalz
Vorbereitung Kochsalz wird zusammen mit Eis in den Isolierbehälter gegeben. Darin wird ein Streifen PS und ein Streifen ABS gekühlt.
Durchführung Zuerst wird versucht, die ungekühlten Kunststoffstreifen zu brechen. Dies kann mit der Hand und unter Verwendung von Schraubstock und Hammer geschehen. Danach wird mit den gleichen Methoden versucht, die gekühlten Kunststoffstreifen zu brechen.
Beobachtung Bei Raumtemperatur: PS bricht, ABS lässt sich nicht brechen. Bei – 18°C: PS bricht leicht und splittert, ABS bricht, splittert aber nicht.
Interpretation ABS ist schlagfester und zäher als PS.

 

Experiment 3 Thermische Eigenschaften von ABS und PS im Vergleich
Material
  • Ein Streifen PS
  • ein Streifen ABS
  • digitales Thermometer
  • Schraubendreher
  • Heizplatte
Durchführung Die Kunststoffstreifen werden auf das Blech und das Blech auf die Heizplatte gelegt. Die Heizplatte wird auf 100 – 150°C eingestellt und eingeschaltet. Mit dem Schraubendreher wird die Konsistenz der Kunststoffstreifen geprüft und mit dem Thermometer die Temperatur der Heizplatte gemessen.
Beobachtung Bei 50°C wird PS weich, bei 70°C ABS; Im Gegensatz zu PS behält ABS die Form auch bei höheren Temperaturen bei.
Interpretation ABS ist hitzebeständiger als PS.

Wie im Vorfeld vermutet, wurde in den Versuchen festgestellt, dass ABS und PS unterschiedliche mechanische und thermische Eigenschaften haben. Unterschiedliche Eigenschaften zeigen sich bereits beim Vergleich von Polystyrol mit dem Dimer Styrol-Acrylnitril: SAN beweist eine höhere Festigkeit, Kratz- und thermische Beständigkeit auf als PS. Die Zugabe von Butadien-Kautschuk im ABS sorgt weiterhin für Schlagzähigkeit. Durch die Zusammenfügung der drei unterschiedlichen Komponenten ist ein Kunststoff entstanden, der sich als ideal für Legosteine erweist.


4 Verwendung von ABS

ABS ist natürlich nicht nur für die Herstellung von langlebigen Spielwaren interessant. Es gibt vielfältige Einsatzmöglichkeiten, Beispielsweise in der Kfz-Industrie (für die Innenraumverkleidung, Lautsprecherabdeckung und den Kühlergrill, etc.), der Elektroindustrie (für Lampen-, Computer- und Monitorgehäuse, etc.) und der Herstellung von Haushaltswaren (Haartrockner, Ventilatoren und Staubsaugergehäuse, etc.).


5 Quellen

  1. Bruice, P.: Organische Chemie, 5. Auflage, Pearson Studium, München 2007.
  2. Walter, W.; Francke, W.: Lehrbuch der Organischen Chemie, 24. Auflage, Hirzel Verlag, Stuttgart 2004.
  3. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/cnat/technik/abs_chemisch_l.htm [01.11.2011]
  4. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/cnat/technik/abs_mechanisch_l.htm [01.11.2011]
  5. Quelle entfernt
  6. http://www.kunststoff-handelsnamen.de/Default.aspx?tabid=313 [01.11.2011]
  7. http://de.wikipedia.org/wiki/Styrol-Acrylnitril [01.11.2011]

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de