Organische Chemie

Thermoplaste

Kunststoffe, oder auch Polymere genannt, begegnen uns überall. Speziell die sogenannten Thermoplasten nehmen hier eine besondere Rolle ein. Im alltäglichen Leben, ob als Verpackungsmaterial für Lebensmittel, Getränkeflaschen, oder auch als Gehäuse für Smartphone und Co. Dabei ist Kunststoff nicht gleich Kunststoff.

Wie die chemische Struktur dieses Polymertyps der Thermoplasten aussieht, welche Eigenschaften diese haben und einige Beispiele für Thermoplasten, lernst du in diesem Artikel kennen. Falls dir ein Video zum Lernen solcher Inhalte eher zusagt, so bist du hier richtig aufgehoben.

Inhaltsübersicht

Thermoplaste einfach erklärt

Ein Thermoplast, auch Plastomer genannt, ist eine bestimmte Art eines Polymers, also eine organische Stoffgruppe. Er setzt sich zusammen aus vernetzten langkettigen Kohlenstoffmolekülen, bestehend aus sich wiederholenden Bausteinen, den sogenannten Monomeren.

Merke
Aufgrund der Art der Vernetzung haben Thermoplasten die besondere Eigenschaft, dass sie sich durch Wärmezufuhr reversibel aufschmelzen lassen. Dadurch können sie beliebig oft plastisch verformt werden.

In diesem Punkt unterscheiden sich die Thermoplaste von den Elastomeren  und den Duroplasten .

Thermoplaste Struktur

Ein Thermoplast ist aus langen, kaum bis gar nicht verzweigten Kohlenstoffketten aufgebaut. Demnach aus linearen Makromolekülen. Diese Ketten streben einen entropiereichen, also ungeordneten und somit „verknäueltenZustand an. Desweiteren sind diese untereinander nicht chemisch vernetzt, sondern nur über schwache zwischenmolekulare Kräfte, den Van-der-Waals-Wechselwirkungen , miteinander verbunden.

Dies ist aus chemischer Sicht der Hauptunterschied von Thermoplasten zu Elastomeren beziehungsweise Duroplasten. Letztere sind nämlich durch intermolekulare kovalente Bindungen , mit variierender Häufigkeit, chemisch untereinander vernetzt.

Amorphe Thermoplasten - Struktur
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Amorphe Thermoplasten – Struktur

Durch Wärmezufuhr geraten die Molekülketten der Thermoplaste in Schwingungen, wodurch sich die schwachen intermolekularen Bindungen lösen. Somit können die Makromoleküle untereinander vorbeigleiten und der Thermoplast lässt sich verformen.

Zusätzlich lässt sich dieser Polymertyp noch chemisch in teilkristalline oder amorphe Thermoplasten unterteilen. Beim letzteren liegen die Polymerketten im festen Aggregatzustand vollkommen ungeordnet und miteinander verknäuelt vor.

Teilkristalline Thermoplasten verfügen über Bereiche, in denen die Makromoleküle fast parallel zueinander verlaufen. Diese Segmente werden auch Kristalliten genannt. Hier können die intermolekularen Kräfte zwischen den Molekülketten besonders gut wirken, wodurch diese Bereiche hart und stabil werden.

Teilkristalline Thermoplasten - Struktur
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Teilkristalline Thermoplasten – Struktur

Generell lässt sich sagen, dass ein Thermoplast mit zunehmender Dichte an Kristalliten härter und spröder wird, aber auch weniger zäh.

Thermoplaste Eigenschaften

Wie bereits erwähnt lassen sich Thermoplasten reversibel aufschmelzen und wiederholt verformen. Bei ihnen liegt der Schmelzpunkt unterhalb der Zersetzungstemperatur. Generell verfügen diese über vier Aggregatszustände.  Der feste Zustand herrscht bei niedrigen Temperaturen vor. Hier ist der Kunststoff hart und spröde.

Strukturen in den verschiedenen Temperaturbereichen, Thermoplaste
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Strukturen in den verschiedenen Temperaturbereichen

Erhöhst du die Temperatur bis oberhalb des Glasübergangspunktes des Thermoplasts, so tritt der thermoelastische Zustand ein. In diesem Bereich kannst du den Kunststoff, wie der Name schon sagt, elastisch verformen. Er nimmt also, nachdem die mechanische Spannung entfällt, wieder seine ursprüngliche Form ein.

Bei weiterer Temperaturzufuhr wird der thermoplastische Zustand erreicht. Hier wird das Material weich und ist nicht mehr formstabil. Somit kann der Kunststoff plastisch, also dauerhaft verformt werden und behält seine Form auch nach dem Abkühlen bei.

Erhitzt du einen Thermoplast bis oberhalb seines Schmelzpunktes noch weiter, so wird dieser flüssig. Nun hättest du die Möglichkeit den flüssigen Kunststoff in eine Form zu gießen und ein gänzlich anderes Bauteil herzustellen. Diese Eigenschaft ist vor allem für die Wiederverwertung von Materialien interessant, da sie das Recycling vereinfacht. Daher nimmt die Bedeutung von thermoplastischen Kunststoffen, ganz im Sinne der Nachhaltigkeit, in naher Zukunft weiter zu.

Wenn du einen Thermoplast nun noch weiter erwärmst, erreicht er seine Zersetzungstemperatur. Er wird also nicht gasförmig, sondern zerlegt sich, unter Freisetzung von Wärmeenergie, in seine Grundbestandteile. Daher kannst du einen Thermoplasten neben dem stofflichen Recycling auch thermisch verwerten, was in der Müllverbrennung praktiziert wird.

Eine besondere Eigenschaft dieser Stoffe ist noch, dass ihre Glasübergangs– und Schmelzpunkte von Thermoplasten nicht konstant sind. Sie sind nicht fest definiert, sondern variabel und hängen von der thermischen Vergangenheit des Polymers ab. Also davon wie weit und vor allem wie schnell du einen Thermoplasten erhitzt oder abkühlst.

Technische Einteilung

In der Praxis nutzt man neben der chemischen Einteilung noch eine anwendungsbezogene Untergliederung. Hierbei unterscheidest du die Thermoplasten auf Basis ihrer mechanischen, thermischen und chemischen Eigenschaften. Je nach Ausprägung dieser Merkmale ordnest du die Polymere den Gruppen Standardthermoplaste, technische Thermoplaste oder Hochleistungsthermoplaste zu.

Standard-thermoplaste, Technische Thermoplaste, Hochleistungsthermoplaste
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Standard-thermoplaste, Technische Thermoplaste, Hochleistungsthermoplaste

Thermoplaste Verarbeitung

Ursprünglich verarbeitete man Thermoplasten hauptsächlich im Spritzgießverfahren, weshalb man sie früher auch Spritzmassen nannte. Heutzutage existieren viele Verarbeitungsverfahren für Thermoplasten. So gibt es beispielsweise die Extrusion, das Blasformen, das Folienblasen, das Heißverstemmen und das Kalandrieren.

Darüber hinaus kannst du Thermoplasten auch noch mechanisch nachbearbeiten. Damit gemeint ist etwa Sägen, Fräsen, Drehen, Schleifen und Hobeln. Auch eine thermische Verarbeitung, wie etwa das Vakuumtiefziehen, ist hier durchführbar. Eine weitere Besonderheit dieser Stoffgruppe ist die Schweißbarkeit. Dieses Fügeverfahren ist bei den Duroplasten und Elastomeren nämlich nicht möglich.

Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere

Schauen wir uns nun noch einmal kurz zusammenfassend die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der drei Kunststofftypen an. Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere bestehen jeweils aus vernetzten langkettigen Makromolekülen. Da diese Moleküle fast ausschließlich auf dem Element Kohlenstoff basieren, handelt es sich bei den Polymeren um organische Stoffgruppen.

Der chemische Hauptunterschied zwischen den dreien liegt in der Art der Vernetzung. Bei Thermoplasten liegen die einzelnen Polymerketten im Normalzustand teilweise verknäuelt vor und sind lediglich über schwache Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden. Die Makromoleküle der Elastomere und Duroplasten sind über intermolekulare kovalente Bindungen chemisch miteinander vernetzt. Wobei die Dichte an Quervernetzungen bei den Elastomeren geringer ist als die der Duroplaste.

Aus dieser Verschiedenartigkeit resultieren die Unterschiede in deren Eigenschaften. So lässt sich durch Wärmezufuhr die Quervernetzung bei den Thermoplasten lösen, weshalb diese reversibel aufschmelzbar sind. Dies ist bei den Elastomeren und Duroplasten nicht möglich. Eine Erhitzung führt hier gleich zum Zersetzen des Materials. Somit gibt es auch Unterschiede in der Verfahrenstechnik der einzelnen Polymertypen.

Thermoplaste Beispiele

Der mit Abstand am häufigsten verwendete Standardthermoplast ist Polyethylen (PE). Verpackungsmaterialien in der Lebensmittelindustrie bestehen oft aus diesem Material. Andere Kunststoffe aus dieser Gruppe sind beispielsweise Polypropylen (PP; z.B. als Tupperware) und Polyvinylchlorid (PVC) etwa als Fußbodenbelag.

Der Gruppe der technischen Thermoplasten zugehörig ist zum Beispiel Polyamid 6.6 (PA 66). Diesen Kunststoff nennt man auch Nylon, welches in der Textilindustrie verwendet wird. Polymethylmethacrylat (PMMA) kennt man unter dem Namen Plexiglas. Dieses wird in der Produktion von Strukturbauteilen genutzt.

Zu den Hochleistungspolymeren gehört beispielsweise Polyetheretherketon (PEEK). Dieser sehr hochwertige Kunststoff, mit einer für diese Stoffgruppe sehr hohen Schmelztemperatur von etwa 335°C, findet Anwendung in der Luft– und Raumfahrtbranche.


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