Zwei Sorten Polyethen
AFB I–IIPolyethen wird großtechnisch in zwei Sorten hergestellt: PE-LD (low density, Hochdruckverfahren) und PE-HD (high density, Niederdruckverfahren mit Katalysator). Kenndaten:
| Größe | PE-LD | PE-HD |
|---|---|---|
| Verzweigungen je 1000 C-Atome | 20–40 | unter 5 |
| kristalliner Anteil | 40–50 % | 60–80 % |
| Dichte in g/cm³ | 0,915–0,925 | 0,945–0,965 |
| Kristallit-Schmelztemperatur | 105–115 °C | 130–137 °C |
| Verwendung | Tragetaschen, Quetschflaschen | Kanister, Getränkekisten |
- Beschreiben Sie den strukturellen Unterschied der beiden Sorten.
- Erklären Sie die Unterschiede in Kristallinität, Dichte und Schmelztemperatur.
- Skizzieren Sie je einen Ausschnitt mit kristallinem und amorphem Bereich.
- Begründen Sie, welche Sorte sich für einen Kanister für 90 °C heißes Reinigungswasser eignet.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Beide bestehen aus \(\ce{[-CH2-CH2-]_n}\)-Ketten. PE-LD-Ketten tragen viele Seitenketten (verzweigt), PE-HD-Ketten sind nahezu linear.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Lineare Ketten lagern sich eng und parallel an: mehr Kristallite, höhere Dichte. Durch die engere Packung sind die Van-der-Waals-Kräfte größer; zum Schmelzen der Kristallite ist mehr Energie nötig. Seitenketten verhindern diese Ordnung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
PE-HD: große Bereiche paralleler, gefalteter Ketten, dazwischen wenige Knäuel. PE-LD: kleine Kristallite, viele verzweigte, ungeordnete Ketten mit Seitenästen.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
PE-HD: höhere Kristallit-Schmelztemperatur (130–137 °C) und höhere Steifigkeit; PE-LD würde bei 90 °C schon deutlich erweichen, weil seine Kristallite ab etwa 105 °C schmelzen und die amorphen Bereiche nachgeben.
Weichmacher in PVC
AFB II–IIIHart-PVC ist bei Raumtemperatur steif. Für Kabelmäntel oder Bodenbeläge werden Weichmacher zugesetzt, z. B. Ester der Phthalsäure. Diese Moleküle mit polaren Estergruppen und unpolaren Alkylresten schieben sich zwischen die Ketten. Messwerte (Modellwerte):
| Weichmacher-Massenanteil | 0 % | 10 % | 20 % | 30 % | 40 % |
|---|---|---|---|---|---|
| \(T_\text{g}\) in °C | 80 | 48 | 18 | −8 | −30 |
Weichmacher sind nicht chemisch gebunden; mit der Zeit können sie an die Oberfläche wandern und ausdünsten. Einige Phthalate gelten als gesundheitsschädlich und sind in Spielzeug verboten.
- Erklären Sie auf Teilchenebene, warum \(T_\text{g}\) mit dem Weichmacheranteil sinkt.
- Ermitteln Sie aus der Tabelle den Weichmacheranteil, der mindestens nötig ist, damit ein Kabelmantel noch bei −5 °C biegsam bleibt.
- Begründen Sie, warum weich gemachtes PVC trotzdem ein Thermoplast und kein Elastomer ist.
- Bewerten Sie den Einsatz von Phthalat-Weichmachern in einem Kinder-Badespielzeug und entwickeln Sie eine Alternative.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Weichmacher-Moleküle vergrößern den Abstand der PVC-Ketten und schirmen die C–Cl-Dipole gegeneinander ab. Die Dipol-Dipol- und Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Ketten werden schwächer; die Segmente werden schon bei tieferer Temperatur beweglich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zwischen 20 % (18 °C) und 30 % (−8 °C) sinkt Tg um 2,6 °C je Prozent. Tg = −5 °C: \(20\,\% + \dfrac{18 - (-5)}{2{,}6}\,\% \approx 28,8\,\%\). Mindestens etwa 29 % (mit Sicherheitsabstand eher 30–35 %).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Weichmacher bilden keine Atombindungen zu den Ketten; die Ketten bleiben unvernetzt. Weich-PVC lässt sich daher schmelzen und schweißen und verformt sich unter Dauerlast bleibend — typische Thermoplast-Eigenschaften.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Ungeeignet: Weichmacher sind nicht gebunden, wandern aus (Wasser, Speichel, Hautfett) und können aufgenommen werden; das Spielzeug versprödet mit der Zeit. Alternativen: ein von Natur aus gummielastischer Stoff, z. B. ein vernetztes Elastomer (Silikon) oder ein thermoplastisches Elastomer, oder unbedenklichere, fest eingebaute („innere“) Weichmacher.