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Titel:

Neuer Werkstoff Arboform


  Note: 1   Klasse: 10









Arbeit: 1.
a) Die Thermoplaste besitzen chemisch gesehen im Gegensatz zu den Duroplasten keine Quervernetzungen zwischen den einzelnen Molekülen. Die Molekülketten der Thermoplpaste sind also nicht wie die der Duroplaste durch chemische Bindungen miteinander verbunden, sondern werden nur durch zwischenmolekulare Kräfte zusammen gehalten.


b) Wird genügen Energie zugeführt, z.B. Wärme, so können sich bei unvernetzten Thermoplasten die einzelnen Ketten leicht gegeneinander verschieben, wodurch der Kunststoff leichter verformbar wird und schließlich schmilzt. Auch wenn man Thermoplaste dehnt, gleiten die einzelnen Molekülketten aneinander vorbei, bis schließlich die zwischenmolekularen Kräfte nicht mehr ausreichen und der Stoff zerreißt. Diese Eigenschaft ist jedoch auch bei den Thermoplasten von der Härte und der Verformbarkeit abhängig.
Duroplaste werden beim erhitzen jedoch nicht weich und lassen sich verformen, sondern sie zersetzen sich, da ihre Schmelztemperatur über der Zersetzungstemperatur liegt. Die quervernetzten Molekülketten können sich bei relativ geringer Energiezufuhr nicht gegeneinander verschieben, und sind somit auch nicht verformbar. Wenn die Energiezufuhr einen bestimmten Punkt überschreitet, werden alle Bindungen zwischen den einzelnen Molekülen und deren Quervernetzungen aufgelöst und der Stoff zerfällt. Weiterhin lassen sich Duroplaste nicht dehnen, sondern zerbrechen gleich. Dabei brechen alle Quervernetzungen entlang der Bruchstelle auf einmal auseinander.

c) Thermoplaste werden über den plastischen bzw. weichelastischen Zustand oder aus Lösungen bzw. Emulsionen verarbeitet. Die häufigsten Verarbeitungsverfahren sind das Extrudieren (=Strangpressen), das Kalandrieren, Spritzgießen und die Pulvertechniken. Diese Verfahren eignen sich für die Verarbeitung von Thermoplasten, da diese Aufgrund der in 1.a) erläuterten Molekülstruktur und 1.b) dargelegten Eigenschaften schmelzbar sind und somit im flüssigen Aggregatzustand verarbeitet werden können.
Die Duroplaste werden als vernetzte Vorkondensate aus dem gelösten, flüssigen oder plastischen Zustand geformt und danach gehärtet. Nach der Härtung lassen sich duroplastische Formteile und Halbzeuge nur noch spanabhebend bearbeiten. Sie sind nicht mehr wärmeformbar oder schweißbar.
Bei der Weiterverarbeitung von duroplastischen Kunststoffen wird unterschieden in Kondensationsharze und Reaktionsharze. Für Kondensationsharze sind die üblichen Bearbeitungsverfahren das Schlagpressen, Spritzpressen, Spritzgießen oder die Verarbeitung zu Einbrennlacken. Reaktionsharze hingegen härten auch ohne Druck und Hitze aus, weswegen man sie vor allem als Gießharze oder glasfaserverstärkte Kunststoffe verwendet.

2.
a) Cellulose und Lignin, die Hauptbestandteile des Holzes, sind in ihren Eigenschaften Thermo- und Duroplasten sehr ähnlich.
Cellulose gehört zu den Polymeren, die aus regelmäßig angeordneten Makromolekülen bestehen und dazu neigen kristalline Bereiche auszubilden. In diesen verlaufen lange Kettenabschnitte nebeneinander parallel und sind durch Nebenvalenzkräfte oder Wasserstoffbrücken relativ stark gebunden. Der Volumenanteil der kristallinen Bereiche
insgesamt wird durch den Kristallinitätsgrad beschrieben. Solche Polymere sind weiß bis trübe (wegen des höheren Brechnungsindex der kristallinen Bereiche), sie haben eine höhere Temperatur - Formbeständigkeit. Hoch kristalline Polymere, deren Kristallite durch
Wasserstoff - Brücken - Bindungen zusammengehalten werden, zu denen auch Cellulose zählt, sind nicht mehr unzersetzt schmelzbar. Hier wirken die kristallinen Bereiche ähnliche wie großräumige chemische Vernetzungen. Insgesamt ist Cellulose jedoch den Thermoplasten wesentlich ähnlicher als den Duroplasten, da die Eigenschaften mit geringen Abweichungen im Allgemeinen übereinstimmen. Lignin hingegen ist ein Stoff, dessen Moleküle dicht vernetzt sind und somit auch eine Zersetzung von dem Schmelzen des Stoffes erfolgt. Der strukturelle Aufbau der Moleküle ähnelt dem der Duroplaste sehr, womit auch das Verhalten bei Energiezufuhr zu erklören ist, bei dem die Zersetzungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur liegt.

b) Beim Versuch Holz unter Luftabschluss zu schmelzen erhält man keinen flüssigen Stoff, sondern Holzkohle. Dies ist mit der hohen Konzentration an Lignin im Holz zu begründen. Dieser Stoff verhält sich ähnlich wie Duroplaste, bei denen die Zersetzungstemperatur aufgrund der molekularen Struktur unter der Schmelztemperatur liegt. Dadurch zersetzt sich das Lignin und man erhält Holzkohle. Da das Holz nicht nur aus Lignin besteht, bleibt die Holzkohle als Restbestandteil übrig.

c) 1846 experimentierte Christian Friedrich Schönbein in Basel mit Baumwolle, behandelte sie mit Salpeter- und Schwefelsäure und erfand das Cellulosenitrat, oft als Nitrocellulose bezeichnet, das er Schießbaumwolle nannte.

d) Bei der Versetzung von Cellulose mit Salpetersäure kommt es zu einer Veresterung der Cellulose. Da Ester mit Hilfe von Wasser gespalten werden können, ist die bessere Löslichkeit von Schießbaumwolle, die zu den Estern gehört, so zu erklären.

e) Das Problem, dass sich für die Verarbeitung von Lignin in einer Spritzgussmaschine ergibt, basiert auf der Ähnlichkeit der Eigenschaften von Lignin und Duroplasten in Bezug auf die Zersetzungstemperatur der Stoffe, die eigentlich Unterhalb der Schmelztemperatur liegt. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es eigentlich unmöglich Lignin in einer Spritzgussmaschine zu verarbeiten, da das Lignin dazu im flüssigen Aggregatzustand sein müsste. Um dies zu erreichen wird das Lignin-Pulver, welches durch Kochen von Holzschnitzeln bei hohem Druck und einer Temperatur von etwa 280 °C von den übrigen Bestandteilen des Holzes getrennt wird, mit 1mm bis 6mm langen Fasern vermischt und anschließend auf 170 °C erhitzt. Es entsteht eine zähflüssige Mischung, die nun mit einer normalen Spritzgussmaschine verarbeitet werden kann.










Quelle: http://www.fbv.fh-frankfurt.de/mhwww/KUT/211KENNWE.htm http://www.chemie.fu-berlin.de/fb/fachdid/kunststoffe/thermopl.htm http://www.cellulose-papier.chemie.tu-darmstadt.de/Deutsch/Vorlesungen_und_Veranstaltungen/Vorlesungen/Grundlagen/Texte/Struktur_Polymere.pdf www.tecnaro.de http://www.uni-bielefeld.de/luftikus/Fortbildung.PDF http://www.ivc-ev.de/HTDOCS/285.htm http://www.efreso.de/biogenebrennstoffe4.html http://www.rwth-aachen.de/lfa/Zusatz_Pages/News_Archiv/Fl%FCssigesHolz_Ordner/Fl% FCssigesHolz/Fluessiges_Holz.html




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