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Kunststoffe
- Thermoplaste werden weich und schmelzen, wenn genügend Hitze zugeführt wird; Beispiele sind Polyethylen, Polystyrol und PTFE.
- Duroplaste erweichen oder schmelzen nicht, egal wie viel Hitze angewendet wird. Beispiele: Micarta, GPO, G-10
  
  Überblick:
  Kunststoffe können nach ihrer chemischen Struktur klassifiziert werden, nämlich den molekularen Einheiten, aus denen das Rückgrat und die Seitenketten des Polymers bestehen. Einige wichtige Gruppen in diesen Klassifizierungen sind Acryle, Polyester, Silikone, Polyurethane und halogenierte Kunststoffe. Kunststoffe können auch nach dem bei ihrer Synthese verwendeten chemischen Prozess klassifiziert werden; B. als Kondensation, Polyaddition, Vernetzung usw. Andere Klassifizierungen basieren auf Eigenschaften, die für die Herstellung oder das Produktdesign relevant sind. Beispiele für solche Klassen sind Thermoplaste und Duroplaste, Elastomere, strukturelle Kunststoffe, biologisch abbaubare Kunststoffe, elektrisch leitfähige Kunststoffe usw. Kunststoffe können auch nach verschiedenen physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Zugfestigkeit, Glasübergangstemperatur, Beständigkeit gegenüber verschiedenen chemischen Produkten usw. eingestuft werden. Aufgrund ihrer relativ geringen Kosten, einfachen Herstellung, Vielseitigkeit und Wasserundurchlässigkeit werden Kunststoffe in einer enormen und wachsenden Produktpalette verwendet, von Büroklammern bis hin zu Raumschiffen. Sie haben bereits viele traditionelle Materialien wie Holz verdrängt; Stein; Horn und Knochen; Leder; Papier; Metall; Glas; und Keramik, in den meisten ihrer früheren Verwendungszwecke. Die Verwendung von Kunststoffen wird hauptsächlich durch ihre organische Chemie eingeschränkt, die ihre Härte, Dichte und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Hitze, organischen Lösungsmitteln, Oxidation und ionisierender Strahlung erheblich einschränkt. Insbesondere schmelzen oder zersetzen sich die meisten Kunststoffe, wenn sie auf einige hundert Grad Celsius erhitzt werden. Während Kunststoffe bis zu einem gewissen Grad elektrisch leitfähig gemacht werden können, sind sie Metallen wie Kupfer oder Aluminium immer noch nicht gewachsen. [Zitat erforderlich] Kunststoffe sind immer noch zu teuer, um Holz, Beton und Keramik in sperrigen Gegenständen wie gewöhnlichen Gebäuden, Brücken, Dämmen usw. zu ersetzen. Gehweg, Eisenbahnschwellen usw.
  
  Chemische Struktur:
  Übliche Thermoplaste haben eine Molekularmasse von 20.000 bis 500.000, während Duroplaste vermutlich ein unendliches Molekulargewicht haben. Diese Ketten bestehen aus vielen sich wiederholenden Moleküleinheiten, sogenannten Wiederholungseinheiten, die von Monomeren abgeleitet sind; Jede Polymerkette weist mehrere tausend Wiederholungseinheiten auf. Die überwiegende Mehrheit der Kunststoffe besteht aus Polymeren aus Kohlenstoff und Wasserstoff allein oder mit Sauerstoff, Stickstoff, Chlor oder Schwefel im Grundgerüst. (Einige kommerzielle Interessen basieren auf Silizium.) Das Rückgrat ist der Teil der Kette auf dem Haupt-„Pfad“, der eine große Anzahl von Wiederholungseinheiten miteinander verbindet. Um die Eigenschaften von Kunststoffen zu variieren, werden sowohl Wiederholungseinheiten mit unterschiedlichen Molekülgruppen verwendet, die am Grundgerüst „hängen“ oder „hängen“ (normalerweise „hängen“ sie als Teil der Monomere, bevor sie die Monomere miteinander verbinden, um die Polymerkette zu bilden). Diese Anpassung durch die Molekülstruktur der Wiederholungseinheit hat es ermöglicht, dass Kunststoffe durch die Feinabstimmung der Eigenschaften des Polymers zu einem unverzichtbaren Bestandteil des Lebens im 21. Jahrhundert geworden sind.
  
  Einige Kunststoffe haben eine teilweise kristalline und teilweise amorphe Molekülstruktur, was ihnen sowohl einen Schmelzpunkt (die Temperatur, bei der die anziehenden intermolekularen Kräfte überwunden werden) als auch einen oder mehrere Glasübergänge (Temperaturen, oberhalb derer das Ausmaß der lokalen molekularen Flexibilität erheblich erhöht wird) verleihen. . Zu den sogenannten teilkristallinen Kunststoffen zählen Polyethylen, Polypropylen, Poly (Vinylchlorid), Polyamide (Nylons), Polyester und einige Polyurethane. Viele Kunststoffe sind völlig amorph, wie z Polystyrol und seine Copolymere, Poly(methylmethacrylat) und alle Duroplaste.
  
  Geschichte der Kunststoffe:
  Der erste von Menschen hergestellte Kunststoff wurde 1855 von Alexander Parkes erfunden; er nannte diesen Kunststoff Parkesine (später Zelluloid genannt). Die Entwicklung von Kunststoffen reichte von der Verwendung natürlicher Kunststoffmaterialien (z. B. Kaugummi, Schellack) über die Verwendung chemisch modifizierter natürlicher Materialien (z. B. Gummi, Nitrozellulose, Kollagen, Galalit) bis hin zu vollständig synthetischen Molekülen (z. B. Bakelit). , Epoxidharz, Polyvinylchlorid, Polyethylen).
  
  Arten von Kunststoffen:
  Kunststoffe auf Zellulosebasis
  Im Jahr 1855 entwickelte ein Engländer aus Birmingham namens Alexander Parkes einen synthetischen Ersatz für Elfenbein, den er unter dem Handelsnamen Parkesine vermarktete und der auf der Weltausstellung 1862 in London eine Bronzemedaille gewann. Parkesin wurde aus Zellulose (dem Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände) hergestellt, die mit Salpetersäure und einem Lösungsmittel behandelt wurde. Das Ergebnis des Prozesses (allgemein bekannt als Cellulosenitrat oder Pyroxilin) könnte in Alkohol gelöst und zu einem transparenten und elastischen Material ausgehärtet werden, das beim Erhitzen geformt werden könnte. Durch die Einarbeitung von Pigmenten in das Produkt könnte es Elfenbein ähneln.
  
  Bakelit®
  Der erste Kunststoff auf Basis eines synthetischen Polymers wurde aus Phenol und Formaldehyd hergestellt. Die ersten praktikablen und kostengünstigen Synthesemethoden wurden 1909 von Leo Hendrik Baekeland, einem in Belgien geborenen Amerikaner, der im Bundesstaat New York lebte, erfunden. Baekeland war auf der Suche nach einem isolierenden Schellack zur Beschichtung von Drähten in Elektromotoren und Generatoren. Er fand heraus, dass Mischungen aus Phenol (C6H5OH) und Formaldehyd (HCOH) beim Mischen und Erhitzen eine klebrige Masse bildeten und die Masse beim Abkühlen extrem hart wurde. Er setzte seine Untersuchungen fort und stellte fest, dass das Material mit Holzmehl, Asbest oder Schieferstaub gemischt werden konnte, um „Verbundmaterialien“ mit unterschiedlichen Eigenschaften herzustellen. Die meisten dieser Zusammensetzungen waren stark und feuerbeständig. Das einzige Problem bestand darin, dass das Material während der Synthese zum Schäumen neigte und das resultierende Produkt eine nicht akzeptable Qualität aufwies. Baekeland baute Druckbehälter, um die Blasen herauszudrücken und ein glattes, gleichmäßiges Produkt zu gewährleisten. Er gab seine Entdeckung 1912 öffentlich bekannt und nannte sie Bakelit. Es wurde ursprünglich für elektrische und mechanische Teile verwendet und fand in den 1920er Jahren schließlich breite Anwendung in Konsumgütern. Als das Bakelit-Patent 1930 auslief, erwarb die Catalin Corporation das Patent und begann mit der Herstellung von Catalin-Kunststoff nach einem anderen Verfahren, das eine größere Farbpalette ermöglichte. Bakelit war der erste echte Kunststoff. Es handelte sich um ein rein synthetisches Material, das nicht auf einem in der Natur vorkommenden Material oder gar einem Molekül basierte. Es war auch der erste duroplastische Kunststoff. Herkömmliche Thermoplaste können geformt und dann wieder geschmolzen werden, aber duroplastische Kunststoffe bilden beim Aushärten Bindungen zwischen den Polymersträngen, wodurch eine verworrene Matrix entsteht, die nicht gelöst werden kann, ohne den Kunststoff zu zerstören. Duroplastische Kunststoffe sind zäh und temperaturbeständig. Bakelit® war billig, stark und langlebig. Es wurde in Tausende von Formen geformt, beispielsweise in Radios, Telefone, Uhren und Billardkugeln. Phenolische Kunststoffe wurden größtenteils durch billigere und weniger spröde Kunststoffe ersetzt, sie werden jedoch immer noch in Anwendungen verwendet, die ihre isolierenden und hitzebeständigen Eigenschaften erfordern. Einige elektronische Leiterplatten bestehen beispielsweise aus mit Phenolharz imprägnierten Papier- oder Stoffblättern. Bakelite® ist jetzt eine eingetragene Marke der Bakelite GmbH.
  
  Polystyrol und PVC
  Nach dem Ersten Weltkrieg führten Fortschritte in der chemischen Technologie zu einer Explosion neuer Kunststoffformen. Zu den frühesten Beispielen der Welle neuer Kunststoffe gehörten Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC), die von der deutschen IG Farben entwickelt wurden. Polystyrol ist ein starrer, spröder und preiswerter Kunststoff, der zur Herstellung von Plastikmodellbausätzen und ähnlichem Krimskrams verwendet wird. Es wäre auch die Grundlage für einen der beliebtesten „geschäumten“ Kunststoffe, unter dem Namen Styrolschaum oder Styropor. Schaumkunststoffe können in einer „offenzelligen“ Form synthetisiert werden, bei der die Schaumblasen miteinander verbunden sind, wie bei einem absorbierenden Schwamm, und in einer „geschlossenzelligen“ Form, bei der alle Blasen unterschiedlich sind, wie winzige Ballons, wie bei gasgefüllten Schaumisolierung und Flotationsgeräte. In den späten 1950er Jahren wurde hochschlagfestes Styrol eingeführt, das nicht spröde war. Heutzutage findet es häufig Verwendung als Material für Beschilderungen, Tabletts, Figuren und Neuheiten. PVC verfügt über Seitenketten mit eingebauten Chloratomen, die starke Bindungen bilden. PVC ist in seiner normalen Form steif, fest, hitze- und wetterbeständig. und wird heute für die Herstellung von Sanitäranlagen, Dachrinnen, Hausverkleidungen, Gehäusen für Computer und anderen elektronischen Geräten verwendet. PVC kann auch durch chemische Verarbeitung weicher gemacht werden und wird in dieser Form heute für Schrumpffolien, Lebensmittelverpackungen und Regenbekleidung verwendet.
  
  Nylon
  Der eigentliche Star der Kunststoffindustrie in den 1930er Jahren war Polyamid (PA), weitaus besser bekannt unter seinem Handelsnamen Nylon. Nylon war die erste rein synthetische Faser, die von der DuPont Corporation auf der Weltausstellung 1939 in New York City vorgestellt wurde. Im Jahr 1927 hatte DuPont unter der Leitung des Harvard-Chemikers Wallace Carothers und des Leiters der Chemieabteilung Elmer Keiser Bolton ein geheimes Entwicklungsprojekt mit der Bezeichnung Fiber66 gestartet. Carothers war mit der reinen Forschung beauftragt worden und arbeitete daran, die molekulare Struktur und die physikalischen Eigenschaften der neuen Materialien zu verstehen. Er unternahm einige der ersten Schritte im molekularen Design der Materialien. Seine Arbeit führte zur Entdeckung der synthetischen Nylonfaser, die sehr stark, aber auch sehr flexibel war. Die erste Anwendung betraf Borsten für Zahnbürsten. Du Ponts eigentliches Ziel war jedoch Seide, insbesondere Seidenstrümpfe. Carothers und sein Team synthetisierten eine Reihe verschiedener Polyamide, darunter Polyamid 6.6 und 4.6 sowie Polyester. DuPont brauchte zwölf Jahre und 27 Millionen US-Dollar, um Nylon zu veredeln und die industriellen Prozesse für die Massenproduktion zu synthetisieren und zu entwickeln. Bei solch einer großen Investition war es keine Überraschung, dass Du Pont nach seiner Einführung kaum Kosten für die Werbung für Nylon scheute und damit eine öffentliche Sensation bzw. „Nylon-Manie“ auslöste. Der Nylonwahn fand Ende 1941 ein jähes Ende, als die USA in den Zweiten Weltkrieg eintraten. Die Produktionskapazitäten, die für die Herstellung von Nylonstrümpfen oder einfach nur Nylons für amerikanische Frauen aufgebaut worden waren, wurden übernommen, um eine große Anzahl von Fallschirmen für Flieger und Fallschirmjäger herzustellen. Nach Kriegsende begann DuPont wieder, Nylon an die Öffentlichkeit zu verkaufen, und startete 1946 eine weitere Werbekampagne, die zu einer noch größeren Begeisterung führte und die sogenannten Nylon-Unruhen auslöste. Anschließend wurden die Polyamide 6, 10, 11 und 12 entwickelt, die auf Monomeren basieren, bei denen es sich um Ringverbindungen handelt; Beispielsweise ist Caprolactam.Nylon 66 ein Material, das durch Kondensationspolymerisation hergestellt wird. Nylon bleibt nach wie vor ein wichtiger Kunststoff, nicht nur für die Verwendung in Stoffen. In seiner Massenform ist es sehr verschleißfest, insbesondere wenn es mit Öl imprägniert ist, und wird daher zum Bau von Zahnrädern, Lagern und Buchsen sowie aufgrund der guten Hitzebeständigkeit zunehmend für Anwendungen unter der Motorhaube von Autos und anderen mechanischen Zwecken verwendet Teile.
  
  Natürliches Gummi
  Naturkautschuk ist ein Elastomer (ein elastisches Kohlenwasserstoffpolymer), das ursprünglich aus Latex gewonnen wurde, einer milchigen kolloidalen Suspension, die im Saft einiger Pflanzen vorkommt. Es ist direkt in dieser Form nützlich (das erste Auftreten von Gummi in Europa war tatsächlich ein mit unvulkanisiertem Latex aus Brasilien imprägnierter Stoff), aber später, im Jahr 1839, erfand Charles Goodyear vulkanisierten Gummi; Hierbei handelt es sich um eine Form von Naturkautschuk, der hauptsächlich mit Schwefel erhitzt wird und Vernetzungen zwischen Polymerketten bildet (Vulkanisation), wodurch die Elastizität und Haltbarkeit verbessert wird. Kunststoff ist in diesen Bereichen sehr bekannt.
  
  Synthesekautschuk
  Der erste vollsynthetische Kautschuk wurde 1910 von Lebedew synthetisiert. Im Zweiten Weltkrieg führten Lieferblockaden für Naturkautschuk aus Südostasien zu einem Boom bei der Entwicklung synthetischen Kautschuks, insbesondere von Styrol-Butadien-Kautschuk (auch bekannt als Government Rubber-Styrene). Im Jahr 1941 betrug die jährliche Produktion von synthetischem Kautschuk in den USA nur 231 Tonnen und stieg 1945 auf 840.000 Tonnen. Im Wettlauf ins All und im nuklearen Wettrüsten experimentierten Caltech-Forscher mit der Verwendung von synthetischem Kautschuk als Festbrennstoff für Raketen. Letztendlich würden alle großen militärischen Raketen und Flugkörper feste Brennstoffe auf der Basis von synthetischem Kautschuk verwenden und auch bei der zivilen Raumfahrt eine bedeutende Rolle spielen.
  
  Polymethylmethacrylat (PMMA), besser bekannt als Plexiglas-Acryl . Obwohl Acryl heute für ihre Verwendung in Farben und synthetischen Fasern wie Kunstfellen bekannt ist, sind sie in ihrer Massenform tatsächlich sehr hart und transparenter als Glas und werden als Glasersatz unter Handelsnamen wie Acrylite , Perspex usw. verkauft. Plexiglas und Lucite . Während des Krieges wurden sie zum Bau von Flugzeugdächern verwendet. Heute werden sie vor allem in großen Leuchtreklamen eingesetzt, wie sie an Ladenfronten oder in großen Geschäften verwendet werden, sowie für die Herstellung von vakuumgeformten Badewannen.
  
  Polyethylen (PE) , manchmal auch Polyethylen genannt, wurde 1933 von Reginald Gibson und Eric Fawcett beim britischen Industriegiganten Imperial Chemical entdeckt Branchen (ICI). Dieses Material entwickelte sich in zwei Formen: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und Polyethylen hoher Dichte (HDPE) . PEs sind günstig, flexibel, langlebig und chemikalienbeständig. LDPE wird zur Herstellung von Folien und Verpackungsmaterialien verwendet, während HDPE für Behälter, Sanitäranlagen und Automobilzubehör verwendet wird. Während PE eine geringe Beständigkeit gegenüber chemischen Angriffen aufweist, stellte sich später heraus, dass ein PE-Behälter viel robuster gemacht werden konnte, indem man ihn Fluorgas aussetzte, das die Oberflächenschicht des Behälters in das viel härtere Polyfluorethylen umwandelte.
  
  Polypropylen (PP) , das Anfang der 1950er Jahre von Giulio Natta entdeckt wurde. In der modernen Wissenschaft und Technologie ist es üblich, dass das Wachstum des allgemeinen Wissensbestands zu denselben Erfindungen an verschiedenen Orten etwa zur gleichen Zeit führen kann. Polypropylen war jedoch ein Extremfall dieses Phänomens und wurde etwa neun Mal separat erfunden. Der daraus resultierende Rechtsstreit wurde erst 1989 beigelegt. Polypropylen überlebte den Gerichtsprozess und zwei amerikanische Chemiker, die für Phillips Petroleum arbeiteten, J. Paul Hogan und Robert Banks, gelten heute allgemein als die Haupterfinder des Materials. Polypropylen ähnelt seinem Vorgänger Polyethylen und ist ebenso kostengünstig wie Polyethylen, ist jedoch wesentlich robuster. Es wird in allem verwendet, von Plastikflaschen über Teppiche bis hin zu Plastikmöbeln, und wird sehr häufig in Autos verwendet.
  
  Polyurethan (PU) wurde 1937 von Friedrich Bayer & Company erfunden und kam nach dem Krieg in geblasener Form für Matratzen, Möbelpolster und Wärmedämmung zum Einsatz. Es ist auch einer der Bestandteile (in nicht geblasener Form) der Faser Spandex.
  
  Epoxid – 1939 meldete IG Farben ein Patent für Polyepoxid oder Epoxid an. Epoxide sind eine Klasse duroplastischer Kunststoffe, die Vernetzungen bilden und aushärten, wenn ein Katalysator oder Härter hinzugefügt wird. Nach dem Krieg fanden sie breite Verwendung für Beschichtungen, Klebstoffe und Verbundwerkstoffe. Zu den Verbundwerkstoffen, die Epoxid als Matrix verwenden, gehören glasfaserverstärkter Kunststoff, bei dem das Strukturelement Glasfaser ist, und Kohlenstoff-Epoxid-Verbundwerkstoffe, bei denen das Strukturelement Kohlenstofffaser ist. Glasfaser wird heute häufig zum Bau von Sportbooten verwendet, und Kohlenstoff-Epoxid-Verbundwerkstoffe sind ein immer wichtigeres Strukturelement in Flugzeugen, da sie leicht, stark und hitzebeständig sind.
  
  PET, PETE, PETG , PET-P (Polyethylenterephthalat)
  Zwei Chemiker namens Rex Whinfield und James Dickson, die in einem kleinen englischen Unternehmen mit dem kuriosen Namen Calico Printer's Association in Manchester arbeiteten, entwickelten 1941 Polyethylenterephthalat (PET oder PETE), das in der Nachkriegszeit für synthetische Fasern verwendet wurde , mit Namen wie Polyester, Dacron und Terylen. PET ist weniger gasdurchlässig als andere kostengünstige Kunststoffe und daher ein beliebtes Material für die Herstellung von Flaschen für Coca-Cola und andere kohlensäurehaltige Getränke, da die Karbonisierung dazu neigt, andere Kunststoffe anzugreifen, sowie für säurehaltige Getränke wie Obst- oder Gemüsesäfte. PET ist außerdem stark und abriebfest und wird zur Herstellung mechanischer Teile, Essenstabletts und anderer Gegenstände verwendet, die Missbrauch standhalten müssen. Als Unterlage für Aufnahmebänder werden PET-Folien verwendet.
  
  PTFE (Polytetrafluorethylen) (auch bekannt als Teflon®)
  Einer der beeindruckendsten und streng geheim gehaltenen Kunststoffe im Krieg war Polytetrafluorethylen (PTFE), besser bekannt als Teflon, das als kratzfeste und korrosionsbeständige, reibungsarme Schutzschicht auf Metalloberflächen aufgebracht werden konnte. Die Polyfluorethylen-Oberflächenschicht, die durch die Einwirkung von Fluorgas auf einen Polyethylenbehälter entsteht, ist Teflon sehr ähnlich. Ein DuPont-Chemiker namens Roy Plunkett entdeckte Teflon 1938 zufällig. Während des Krieges wurde es in Gasdiffusionsprozessen zur Raffinierung von Uran für die Atombombe verwendet, da der Prozess stark korrosiv war. In den frühen 1960er Jahren waren Bratpfannen mit Teflonhaftung gefragt.
  
  Polycarbonat – Lexan ist ein hochschlagfestes Polycarbonat, das ursprünglich von General Electric entwickelt wurde. Makrolon® und Tuffak sind Handelsnamen aus schlagfestem Polycarbonat-Kunststoff von Plaskolite.
  
  Biologisch abbaubare (kompostierbare) Kunststoffe
  Es wurden Untersuchungen zu biologisch abbaubaren Kunststoffen durchgeführt, die bei Einwirkung von Sonnenlicht (z. B. ultravioletter Strahlung), Wasser oder Feuchtigkeit, Bakterien, Enzymen, Windabrieb und in manchen Fällen auch durch Nagetierschädlinge oder Insektenbefall zerfallen als Formen des biologischen Abbaus oder der Umweltzerstörung. Es ist klar, dass einige dieser Abbauarten nur funktionieren, wenn der Kunststoff an der Oberfläche freiliegt, während andere Modi nur wirksam sind, wenn bestimmte Bedingungen in Deponie- oder Kompostierungssystemen herrschen. Stärkepulver wurde dem Kunststoff als Füllstoff beigemischt, um ihn leichter abbauen zu können, führt aber dennoch nicht zum vollständigen Abbau des Kunststoffs. Einige Forscher haben tatsächlich Bakterien gentechnisch verändert, die einen vollständig biologisch abbaubaren Kunststoff synthetisieren, aber dieses Material, wie zum Beispiel Biopol, ist derzeit teuer. Das deutsche Chemieunternehmen BASF stellt Ecoflex her, einen vollständig biologisch abbaubaren Polyester für Lebensmittelverpackungsanwendungen. Gehr Plastics hat ECOGEHR entwickelt, ein umfassendes Sortiment an Biopolymer-Formteilen, das von Professional vertrieben wird Kunststoffe.
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Plastrip Heizband
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Polycarbonat-Testadapter Blanks
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