PS und SANHerstellung, Eigenschaften und bedeutende Anwendungen heuteVortrag von André Nestler im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Organische Chemie", SS 08
Gliederung:
Die meisten Produkte aus dem Alltag, wie Joghurtbecher, CD-Hüllen, Einkaufskisten, Styropor, etc., bestehen aus PS/SAN. Doch oftmals wissen auch Chemielehrer kaum, wie diese Stoffe chemisch aufgebaut sind.
PS und SAN sind geläufige Abkürzungen in der Chemie für: PS = PolyStyrol
1 Definition ThermoplasteFast alle Kunststoffe aus dem Alltag sind Thermoplaste. So gehören auch PS und SAN zu den Thermoplasten. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal zwischen Thermoplasten, Duroplasten oder Elastomeren ist die Quervernetzung.
Thermoplasten fehlt die Quervernetzung, die einzelnen Molekülketten sind also nicht durch chemische Bindungen, sondern nur durch zwischenmolekulare Kräfte miteinander verbunden. Bei Erwärmung sind Thermoplaste formbar, denn mit zunehmender Temperatur nimmt die Bewegung der langen Molekülketten zu und sie können gut aneinander vorbeigleiten. Der Kunststoff wird weich und schmilzt schließlich. Im Gegensatz dazu besitzen Duroplaste eine stark ausgeprägte Quervernetzung, sie sind deshalb nicht verformbar und zersetzen sich bei großer Hitze. Versuch:
2 Polystyrol (PS)Polystyrol (PS) ist ein thermoplastischer Massenkunststoff. Er wird in der Industrie entweder als thermoplastischer Werkstoff oder als Schaumstoff (Styropor) eingesetzt. 2.1 HerstellungPS wird in der Regel durch Polymerisation von Styrol gewonnen.
Im Styrolmolekül sind die aromatische und die olefinische Einheit kombiniert. Für die Polymerisation ist aber nur die olefinische Einheit entscheidend. Styrol wurde erstmals 1839 vom Berliner Apotheker Eduard Simon entdeckt, als er das Harz der Storaxpflanze (ein Baum aus Vorderasien, Liquamber orientalis) im Wasserdampf destillierte und sich wider erwartens eine zähe Masse bildete. Eigentlich hätte die Substanz verdampfen müssen, doch es bildete sich eine gallertartige, zähflüssige Substanz. Für Simon kam deshalb nur der Sauerstoff als Reaktionspartner in Frage und er nannte die Substanz deshalb Styroloxid. Um 1845 wurde von J. Blyth und A.W. von Hofmann bewiesen, dass es sich dabei um keine Oxidation handelte und die Substanz wurde in Metastyrol umbenannt. 1866 wurde die Bildung von Metastyrol aus Styrol erstmals von M. Berthelot als Polymerisation bezeichnet. Doch erst H. Staudinger deckte in den 1920ern die Mechanismen der Polymerisation vollständig auf und bewies, dass sich durch das Erwärmen von Styrol ein Makromolekül bildete. Seither spricht man von Polystyrol. Erst in den 1930ern gelang bei IG Farben die großtechnische Herstellung von Styrol, denn ein großes Problem bestand darin, dass schon bei geringer Erwärmung eine ungewollte Polymerisation einsetzt. Styrol wird heute hauptsächlich synthetisch hergestellt, da es nur zu geringen Anteilen im Crackbenzin vorkommt und nur so der weltweite Bedarf gedeckt werden kann. Es wird überwiegend durch katalytische Dehydrierung aus Ethylbenzol (an Mischoxiden bei hoher Temperatur) gewonnen.
Wie erwähnt neigt Styrol dazu, spontan, ohne Initiator-Zugabe, thermisch zu polymerisieren. Deshalb wird für Transport und Lagerung von Styrol ein Inhibitor zugesetzt, der die thermische Polymerisation unterdrückt. Als Inhibitor kommt dabei TBC (4-tert-Butyl-1,2-dihydroxybenzol) zum Einsatz. Polymerisation: Styrol kann radikalisch, kationisch, anionisch oder mit Ziegler-Natta-Katalysatoren polymerisiert werden. Die wichtigste technisch durchgeführte Polymerisation ist die radikalische Polymerisation, die entweder thermisch oder durch Radikalstarter (z.B. 1,1-Bis-(tert-butylperoxi)-cyclohexan und 1,1-Bis-(tert-butyloxi)-3,3,5-trimethylcyclohexan) ausgelöst wird.
Die Reaktion verläuft exotherm (74,5 kJ/mol) und findet in Rührkessel- u. Turmreaktoren sowie in Reaktorkaskaden statt. Die Anlagen arbeiten kontinuierlich in Masse. Die entstehende Wärme wird durch Reaktor- und Siedekühlung abgeleitet. Zudem wird Styrol gekühlt dazugegeben.
Anschließend wird im Entgaser das ca. 230 °C heiße, hochviskose Produkt von nicht umgesetztem Styrol befreit und anschl. in einem Unterdruckbehälter entspannt. Die verdampften Produkte kondensieren und werden dem Prozess wieder zugeführt (Umsatz ca. 90 %). Anschließend findet eine Aufarbeitung zu Granulat für die weiterverarbeitende Industrie statt.
2.2 Arten von PolystyrolEs sind drei verschiedene Arten von Polystyrol bekannt, welche sich in ihrer
Taktizität unterscheiden. Die Taktizität (von griech. taxis = Anordnung)
beschreibt die Art und Weise, wie vorhandene Reste an der Hauptkette von
Kunststoffmolekülen hängen. Die Taktizität beeinflusst entscheidend die
Eigenschaften des Kunststoffes, wie z.B. Härte, Formbeständigkeit,
Wärmeleitfähigkeit, Schmelzpunkt bzw. Glasübergangstemperatur. Bei der unter 2.1 beschriebenen radikalischen Polymerisation wird Standard-Polystyrol produziert, welches ataktisch ist. Aber es sind von PS auch isotaktische und syndiotaktische Einheiten bekannt.
Je gleichmäßiger die Moleküle aufgebaut sind, desto leichter bilden sie Kristalle, weil sie sich besser, platzsparender aneinanderlagern können. Die Kristallinität eines Kunststoffes hat entscheidende Auswirkungen auf die Eigenschaften eines Kunststoffes. Je kristalliner ein Kunststoff ist, desto härter, aber auch spröder ist er. Zudem nimmt der Schmelzpunkt zu, weil aufgrund der gleichmäßigeren Anordnung der Moleküle eine höhere Energie zur Zerstörung des Kristallgitters nötig ist. Ataktisches PS ist amorph, d.h. es besitzt kein Kristallgitter. Es besitzt somit auch keinen Schmelzpunkt, sondern eine Glasübergangstemperatur von ca. 100 °C je nach Verarbeitung. Dagegen sind syndiotaktisches und isotaktisches Polystyrol kristallin und besitzen somit eine Schmelztemperatur. Im Fall des syndiotaktischem PS beträgt sie 270 °C und im Fall von isotaktischem PS beträgt sie 240 °C . Es ist zu beachten, dass die Glasübergangstemperatur nicht der Schmelztemperatur entspricht. Schmelzen findet bei Stoffen statt, welche kristallin sind. Durch Wärmezufuhr wird das Kristallgitter zerstört und man erhält eine ungeordnete Flüssigkeit. Doch Stoffe, welche schon im festen Zustand ungeordnet (amorph) vorliegen, benötigen keine Energie zum Zerstören des Kristallgitter, sie werden lediglich flüssig. Will man Polymere herstellen, welche nur isotaktisch oder syndiotaktisch sind, muss eine stereoselektive Synthese durchgeführt werden. Dabei müssen die Monomere in einem bestimmten Mechanismus und aus einer bestimmten Annäherungsgeometrie miteinander reagieren können. Dies geschieht mit Hilfe stereoselektiver Katalysatoren, die von Karl Ziegler und Giulio Natta entwickelt wurden (Nobelpreis für Chemie 1963). Zu Ehren der beiden wird diese stereoselektive Polymerisation auch Ziegler-Natta-Polymeristion genannt. Doch ataktisches Polystyrol, welches radikalisch hergestellt wird, hat derzeit den größten Marktanteil. Dies liegt daran, dass solche Katalysatoren sehr teuer sind und die Kristallisationsgeschwindigkeit von iso- und syndiotaktischen PS sehr gering ist. Ein weiterer Grund besteht darin, das kristallines Polystyrol fast genauso spröde wie ataktisches ist und es sich somit nicht lohnt kristalline Spezies herzustellen, da PS ein Massenkunststoff ist, welcher kostengünstig produziert werden muss. Um die schlechten Eigenschaften von reinem PS zu verbessern, werden oftmals andere Kunststoffe in bestimmten Verhältnissen als Copolymere zugesetzt. (siehe 3.). 2.3 Geschäumtes Polystyrol (EPS)(EPS - Expanded PS, engl. expanded = ausgedehnt) Das geschäumte PS wurde 1951 vom BASF-Chemiker Fritz Stastny beim Experimentieren mit PS-Spittern entdeckt. Man sagt, er füllte eine Schuhcremedose zu einem Fünftel mit PS-Splittern und tauchte diese in kochendes Wasser. Das PS schäumte dabei auf und nahm die Gestalt der Dose an. Der gängige Handelsname ist Styropor® (BASF). Die Rechte des Namens liegen seit 1990 beim IVH (Industrieverband Hartschaum e.V.), welcher auch die Qualität der Produkte kontrolliert. Denn nur Hersteller, welche expandierten Hartschaum (EPS) herstellen, dürfen ihr Produkt Styropor nennen. Allgemeines:
Herstellung von Styropor: Die Herstellung von Styropor unterteilt sich in vier Stufen:
Vorschäumen Im Vorschäumer wird das PS-Granulat (mit Treibmittel Pentan) mit Hilfe von Wasserdampf bei Temperaturen über 90°C vorgeschäumt. Dabei blähen die Perlen infolge des verdampfenden Treibmittels Pentan auf das 20 – 50 fache auf. Der Aufschäumungsgrad bestimmt die Rohdichte der Styroporplatten (10 – 35 kg/m³) und hat entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften.
Zwischenlagerung Die vorgeschäumten Perlen werden einige Zeit in belüfteten Silos zwischengelagert. Dabei kühlen die Partikel ab und noch vorhandenes Treibmittel kann kondensieren. Nur so bekommen die vorgeschäumten Perlen die nötige Stabilität zur Weiterverabeitung.
Aufschäumen/ Blockschäumen Die vorgeschäumten Perlen werden in quaderförmige Blockformen (Metallformen, allseitig mit Dampfdüsen ausgestattet) gefüllt und bei ca. 115 °C mit Wasserdampf besprüht. Die Perlen schäumen weiter auf, werden plastisch und leicht klebrig und verbinden sich ("verschweißen") durch den von ihnen selbst ausgehenden Druck zu einem homogenen Schaumstoffblock. Kompliziertere Form- und Verpackungsteile werden mit speziellen Werkzeugen (Negative) auch im Blockverfahren einzeln geschäumt.
Plattenschneiden Aus den großen Styroporblöcken werden mit Hilfe von mechanischen oder thermischen Schneideanlagen handelsübliche Styroporplatten zugeschnitten. Anschließend erfolgen noch Rand- und Oberflächenprofilierungen in weiteren Arbeitsschritten.
2.4 Eigenschaften und VerwendungDie Eigenschaften von PS können fast alle anhand kleiner Versuche demonstriert werden:
Verwendung von PS in/als:
3 Styrol-Acrylnitril (SAN)Da die Eigenschaften von reinem PS oft zu wünschen übrig lassen, können durch Copolymerisation die Eigenschaften entscheidend verbessert/beeinflusst werden. Bei der Copolymerisation werden verschiedene Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften zu einem einzigen Kunststoff vereint.
Das Polymer Styrol-Acrylnitril (SAN) besteht aus den Monomeren Styrol und Acrylnitril. Die typische Zusammensetzung liegt aus physikalischen Gründen bei 70% Styrol und 30% Acrylnitril. Es sind aber auch andere Zusammensetzungen möglich.
Übliche Handelsnamen sind Luran® (BASF) und Tyril® (Dow Chemical). 3.1 HerstellungFindet nach dem gleichen Verfahren wie PS durch Massenpolymerisation statt. Universelle Polystyrol-Anlagen gestatten die abwechselnde Herstellung einer breiten Palette von Polystyrolkunststoffen. Als Rohstoffe wird bei SAN neben Styrol noch Acrylnitril in einem bestimmten Verhältnis zugegeben. 3.2 Eigenschaften und VerwendungEigenschaften von SAN
Verwendung im/als:
4 Literatur:
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