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Eigenschaften der Kunststoffe

Auch Thermoplaste unterscheiden sich untereinander

Nebenvalenzen und Polymerisationsgrad

1. Nebenvalenzen
Der Vergleich der Thermoplaste mit den Duroplasten hat gezeigt, dass die direkte Verknüpfung der Polymerketten durch Atombindungen einen sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften der Kunststoffe hat. Aber auch zwischenmolekulare Kräfte (man spricht auch von Nebenvalenzen) zwischen den Makromolekülen spielen eine große Rolle. Da die Polymerketten extrem lang sind, werden die Kräfte zwischen diesen Ketten sehr groß. Meist sind es die Seitenketten am Polymer, die für die zwischenmolekularen Kräfte verantwortlich sind. Desto größer die Anziehungskräfte dadurch zwischen den Polymerketten sind, desto höher ist auch der Schmelzpunkt eines Thermoplastes und die Zugfestigkeit wird höher. Diese Nebenvalenzen spielen somit eine wesentliche Rolle bei unvernetzten Thermoplasten, bei Duroplasten spielen sie eine untergeordnete Rolle.
Wasserstoff-Brücken zwischen benachbarten Ketten
Polymere die Carboxy-Gruppen oder Amid-Gruppen besitzen, können untereinander Wasserstoff-Brücken bilden. Die positiv polarisierten Wasserstoff-Atome der Carboxy-Gruppen werden von den negativ polarisierten Sauerstoff-Atomen anderer Carboxy-Gruppen angezogen. Ein Beispiel hierfür ist die Nylon (Abb. 1) .
Auch zwischen Hydroxy-Gruppen von Cellulose-Molekülen oder Stärke-Molekülen (die beide aus Glucose aufgebaut sind), kommt es zur Bildung von Wasserstoff-Brücken. Obwohl die Ketten nicht durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft sind, sind diese polaren Polymere oft nicht mehr unzersetzt schmelzbar. Beim Erhitzen reißt hier eher eine Atombindung innerhalb einer Kette, als dass sich die Ketten voneinander lösen, obwohl eine Wasserstoff-Brücke nur ca. 10 % Festigkeit einer normalen Atombindung besitzt: Die Summe der zwischenmolekularen Kräfte wird hier sehr hoch1). Jedem, dem schon einmal Reis angebrannt ist, weiß dass Stärke nicht schmilzt, sondern sich zersetzt. Es entstehen u.a. unangenehm riechende, schwarze Rückstände. Haushaltszucker, Saccharose, dagegen karamellisiert beim Schmelzen, d.h. er fängt an sich zu zersetzten. Saccharose ist ein Disaccharid, d.h. sie ist nur aus zwei Zucker-Molekülen aufgebaut. Somit ist Saccharose ein sehr kurzes Molekül, verglichen mit Polymeren. Dennoch sind die Wasserstoff-Brücken zwischen den Disacchariden bereits sehr hoch, so dass Haushaltszucker nicht mehr unzersetzt schmilzt (Schmelzpunkt 185–186 °C, Zersetzung bereits ab ca. 160 °C).
Dipol-Dipol-Kräfte zwischen benachbarten Ketten
Polymerketten die polare Gruppen besitzen, werden durch Dipol-Dipol-Kräfte untereinander angezogen. Diese Kräfte sind nicht so stark wie die Wasserstoff-Brücken, daher ist der Erweichungsbereich und die Festigkeit dieser Kunststoffe niedriger als bei den oberen Beispielen, aber wesentlich höher als bei unpolaren Kunststoffen, wie z.B. Polyethylen. Ein Beispiel für eine polare Gruppe, die keine aktiven Wasserstoff-Brücken ausbilden kann, ist die Ester-Gruppe. Acrylglas oder Plexiglas (Polymethylmethacrylat, PMMA) ist ein Beispiel für diese Kunststoffsorte. Acrylglas ist hart und, wie der Name sagt, ein glasähnlicher Kunststoff. Auch Polyvinylchlorid, PVC, aus dem z.B. Spielzeug hergestellt wird, ist sehr stabil und gehört zu dieser Gruppe.
Van-der-Waals-Kräfte zwischen benachbarten Ketten
Unpolare Kunststoffe, wie Polyethylen oder Polypropylen, haben viel tiefere Erweichungsbereiche als andere Kunststoffe, denn ihre Polymerketten werden nur durch die schwachen Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Wichtig ist bei diesen Kunststoffen auch die Seitenkette, so ist Polypropylen härter als Polyethen. Man kann sich bildlich vorstellen, dass sich die Seitenketten verzahnen und daher die Polymerketten nicht so gut aneinander vorbei gleiten können.
2. Polymerisationsgrad
Eine große Rolle für die Eigenschaften der Kunststoffe spielt der Polymerisationsgrad. Speziell bei unpolaren Polymeren werden die niedrigen zwischenmolekularen Kräfte ausgeglichen, indem sich die längeren Ketten durch die Addition der Kräfte stärker anziehen. Zudem steigt mit dem Polymerisationsgrad die Neigung zur Kristallisation, teilkristalline Bereiche bilden sich und bewirken eine größere Härte. Polare Kunststoffe haben entgegen den unpolaren meist eine viel geringere Molmasse, da die starken zwischenmolekularen Kräfte bereits für genügend Festigkeit sorgen.
1)Gullivereffekt - Gulliver: Ein Riese, festgehalten durch eine Unzahl kleiner Bindungen.
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