Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 23.11.15


Radikalische Polymerisation

Vortrag von Fabian Engelmann im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - OC", SS 14


Gliederung:

1 Polyethylen
    
1.2 Radikalische Polymerisation
     1.3  Vorteile und Nachteile
     1.4  Monomerherstellung

2 Weitere Kunststoffe

3 Ausblick

4 Literatur


Einführung. Plastiktüten gibt es beim Kauf oft gratis oder für wenig Geld dazu. Aber wie kann das sein? Eigentlich sollte doch das Polyethylen in den Plastiktüten teuer sein, weil diese Kunststoffe nur mit Hilfe von Erdöl hergestellt werden können. Aber die Nachfrage des Erdöls steigt immer weiter an und die Erdölfunde werden weniger. Der Bedarf an Kunststoffen steigt ebenso weiter an. In Deutschland werden 21 Mio. t Kunststoff produziert (davon ca. 7 Mio t PE). Trotz des Anstieges der Nachfrage von Erdöl werden viele Plastiktüten verschenkt oder sind für wenig Geld zu erwerben. Wie kann dies möglich sein?


1 Polyethylen

Polyethylen (PE) ist eine Kunststoff, welcher durch eine Polymerisation aus Ethen gebildet wird. Um diesen Kunststoff herzustellen wird überwiegend die radikalische Polymerisation verwendet. PE wird für Müllsäcke, Plastiktüten, Folie und Behälter verwendet.

1.2 Radikalische Polymerisation

Die radikalische Polymerisation unterteilt sich in vier Teilschritte:

  1. Initiation und Kettenstart
  2. Kettenwachstum
  3. Kettenübertragung
  4. Kettenabbruch

Initiation

Bei der Initiation benötigt man einen Starter (hier AIBN), welcher ein Anfangsradikal freisetzt.


Abb. 1: Azo-bis-isobutyronitril (AIBN) zerfällt in 2 Isobutyronitrilradikal und Stickstoff 

Kettenstart

Dieses Anfangsradikal, welches bei Initiation freigesetzt wurde greift nun an die Doppelbindung des Ethens an.


Abb. 2: Addition von Isobutyronitrilradikal und Ethen

Kettenwachstum

Das Ethen wird von dem Radikal immer wieder angegriffen und daraus entsteht dann eine Kette. Diese Kette kann mehr als 20.000 Einheiten umfassen.


Abb. 3: Kettenwachstum zu Polyethylen

Kettenübertragung

Bei der radikalischen Polymerisation entstehen auch viele Seitenketten, daher entstehen bei dieser Form das Weich-Polyethylen auch PE-LD (PE-Low density) genannt.


Abb. 4: Kettenübertragung

Kettenabbruch

Der Kettenabbruch erfolgt dann entweder durch eine Rekombination bei der es zu einer Addition der beiden führt.


Abb. 5: Kettenabbruch durch Rekombination

Eine weitere Möglichkeit wie der Abbruch erfolgen kann ist durch eine Disproportionierung. Bei dieser Form entsteht eine gesättigte Kette und eine ungesättigte Kette.


Abb. 6: Kettenabbruch durch Disproportionierung

1.3 Vorteile und Nachteile

Vorteile

Nachteile

unempfindlich im Vergleich mit anderen Kettenreaktionen Polymerisationswärme
kleine Umsätze werden benötigt um hohe Polymerisationsgrade zu erreichen Hohe Drücke (320MPa) und Temperaturen (350°C)
relativ leicht zu kontrollieren  


Abb. 7: Hochdruckreaktor [4]

Abb.1 zeigt ein Hochdruckreaktor in denen 320 MPa erzeugt werden damit die Reaktion besser und kontrollierter abläuft. Die hohen Temperaturen und Drücke sprechen gegen die günstige Herstellung von Polyethylen.

1.4 Monomerherstellung

Das Erdöl wird auf den Bohrinseln (siehe Abb.1) gefördert und durch das thermische Cracken wird Naphta gewonnen. Wird nun Naphta weiter mit Wasserdampf gecrackt entstehen kurzkettige Kohlenwasserstoffe. 30% der Produkte sind davon Ethen. Die Aufwendigkeit dieses Monomer herzustellen ist nicht aufwendig, da es beim Cracken entsteht. 


Abb. 8: Bohrinseln [5]


2 Weitere Kunststoffe

Die folgenden Kunststoffe PVC und PS werden ebenfalls überwiegend durch eine radikalische Polymerisation hergestellt.

Abb. 9: PS (Polystyrol) Abb. 10: Styrol

Das Styrol bildet bei der Polymerisation das Monomer. Polystyrol wird für Joghurtbecher und Verpackungsmaterial genutzt. Ein Kilogramm kosten 70-75 Cent. Styrol wird aus Ethylbenzol über eine katalytische Dehydrierung gewonnen.

 
Abb. 11: PVC (Polyvinylchlorid) Abb. 12: Chlorethylen

Um PVC herzustellen benötigt man Chlorethylen. Chlorethylen wird durch eine direkte Chlorierung aus Ethen und Chlor erzeugt oder durch die Addition von Chlorwasserstoff an Ethin. PVC wird für Fußbodenbeläge, Fensterrahmen und Rohre verwendet. Ein Kilogramm PVC kostet 50-55 Cent.


3 Ausblick

   
Abb. 13: Plastiktüten im Ökosystem Meer [6] Abb. 14: Plastiktüte im Storchennest [7]

Damit die Plastiktüten nicht die Umwelt zerstören sollen zukünftig Regeln entworfen werden und Gesetze verabschiedet werden. Die Plastiktüten die dünner als 0.05 mm sind, sollen zukünftig verboten werden, weil diese zu schnell reißen. Weiterhin soll eine Steuer von 22 Cent auf jede Plastiktüte geben.


Zusammenfassung. PE, PS und PVC werden überwiegend durch radikalische Polymerisation hergestellt. Die radikalische Polymerisation setzt sich aus vier Teilabschnitten zusammen: 1. Initiation und Kettenstart, 2. Kettenwachstum, 3. Kettenübertragung, 4. Kettenabbruch. Der Preis der Kunststoffe ist abhängig von der Aufwendigkeit die Monomere herzustellen. Es ist umso aufwendiger je mehr Zwischenschritte benötigt werden um zum gewünschten Produkt zu gelangen. Der Preis der Plastiktüten ist momentan nur ökonomisch geprägt, soll aber später noch politisch beeinflusst werden.


4 Literatur:

  1. Brahm, Martin (2009): Polymerchemie Kompakt. Stuttgart: Hirzel Verlag
  2. Kaiser, Wilhelm (2011): Kunststoffchemie für Ingenieure.Weimar: Carl Hanser Verlag
  3. Tieke, Bernd (2005): Makromolekulare Chemie. Köln: Wiley-VCH Verlag
  4. http://www.bhdt.at/produkte/hochdrucksysteme/ldpe_anwendungen (18.07.2014)
  5. http://de.wikipedia.org/wiki/Mittelplate_%28%C3%96lfeld%29 (Urheber: Ralf Roletschek, Lizenz: CC BY-SA 3.0 de , Stand:23.11.2015)
  6. http://www.goodgirlgonegreen.com/interactive-plastic-bag-map/ und 141 weiter Quellen (23.11.2015)
  7. http://www.abload.de/image.php?img=20.03.0180zb.jpg (Urheber: Aktion Pfalzstorch e.V., Lizenz: CC BY-SA 3.0 DE, Stand: 23.11.2015)

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 23.11.15