Freie Hansestadt Bremen                                       Lehrermaterialien Grundkurs Chemie Die Senatorin für Kinder und Bildung Schriftliche Abiturprüfung 2018 Aufgabe 4 Polyurethane - vielseitige Kunststoffe Schwerpunktthema: Kunststoffe Polyurethan (PUR) wurde erstmals 1937 durch die Abbildung aus Arbeitsgruppe um Otto Bayer in den Labors der I.G. Farben in urheberrechtlichen Leverkusen hergestellt. Bedingt durch die Rohstoffknappheit im Gründen entfernt Zweiten Weltkrieg entwickelte sich der Markt für Polyurethan zunächst sehr langsam. Jedoch lassen sich die Eigenschaften der Polyurethane durch die Variation der Ausgangsstoffe präzise steuern, so dass sie heute aus unserem Alltag nicht mehr Abb. 1: Otto Bayer 1952 wegzudenken sind. 2011 betrug die Produktion allein in Deutschland knapp 1 Million Tonnen. Aus Polyurethan werden u.a. Matratzen, Schuhsohlen, Dichtungen, Schläuche, Fußböden, Dämmstoffe, Lacke, Klebstoffe, Dichtstoffe, Skier, Autositze, Laufbahnen in Stadien, Armaturenbretter und latexfreie Kondome hergestellt. Heute werden UV-stabile Lacke für die Automobil- und Möbelindustrie aus Polyolen wie 1,4- Butandiol und Diisocyanaten wie Hexan-1,6-diisocyanat (HDI) hergestellt. Jedoch basiert die Mehrheit der heute verwendeten Polyurethane auf aromatischen Di- oder Triisocyanaten, die mit Polyolen umgesetzt werden. Als Diole werden fast ausschließlich Polyether (a) oder Polyester (b) mit endständigen OH-Gruppen verwendet. Häufig werden auch Triole wie Glycerin (Propan-1,2,3-triol) eingesetzt. Diese Polyurethane haben dann deutlich andere Eigenschaften wie die auf Diolen basierenden Polyurethane. a) Polyether                                 b) Polyester Material 1: Informationen zu Polyurethanen Polyurethane werden häufig geschäumt eingesetzt z.B. als Hartschäume zum Dämmen oder Weichschäume für Polstermöbel oder Schwämme. Während bei ersteren häufig ein niedrig siedendes Abbildung                aus Lösungsmittel wie Pentan zum Reaktionsgemisch zufügt, wird für urheberrechtlichen die Herstellung von Weichschwämmen häufig Wasser zum Gründen entfernt Aufschäumen        zugesetzt.   Beide    Reaktionen     finden    bei Raumtemperatur statt und in beiden Fällen erwärmt sich die Reaktionsmischung. Material 2: Aufschäumen von Polyurethanen                             Haushaltsschwämme aus Polyurethan CHE-GK-H                           Aufgabe und Erwartungshorizont                     Seite 1 von 4

Freie Hansestadt Bremen                                        Lehrermaterialien Grundkurs Chemie Die Senatorin für Kinder und Bildung Schriftliche Abiturprüfung 2018 Moderne Polyurethane können zugleich die Eigenschaften         Citroën Cactus von Thermoplasten und Elastomeren vereinen. Sie werden als thermoplastische Polyurethan-Elastomere bezeichnet. Ein Beispiel hierfür sind die sogenannten Elastollane®. Sie sind elastisch und dennoch formstabil und werden z.B. für die Herstellung von Schuhsohlen, die Ummantelung von           Abbildung                   aus Kabeln oder für Bauteile von Autos wie die Seitenteile beim    urheberrechtlichen    Gründen Citroën Cactus (siehe Abbildung) eingesetzt.                   entfernt Je nach eingesetztem langkettigem Diol unterscheiden sich die entstehenden Elastomere in ihren Eigenschaften: Elastomere mit Polyestern weisen im Gegensatz zu solchen mit Polyethern eine bessere Beständigkeit gegenüber Mineralölen auf. Elastomere mit Polyetherketten sind hingegen hydrolysebeständiger als solche mit Polyesterketten. Während Elastomere mit Polyesterketten auch in der Wärme unter Belastung noch ihre Form beibehalten, weisen Elastomere mit Polyetherketten eine geringere Wärmeformbeständigkeit auf. Dafür bleiben sie auch in der Kälte noch flexibel. Material 3: Informationen zu thermoplastischen Polyurethan-Elastomeren wie Elastollan® Aufgaben: 4.1 Geben Sie die Reaktionsgleichung unter Verwendung von Strukturformeln für die Herstellung des Polyurethans aus 1,4-Butandiol und HDI an. Benennen Sie die vorliegende Polyreaktionsart und geben Sie eine Definition dafür an. (Material 1) (6 BE) 4.2 Vergleichen Sie die jeweils unterschiedlichen räumlichen Strukturen der Polyurethane aus HDI und 1,4-Butandiol sowie HDI und Glycerin. Leiten Sie die unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften der beiden Polyurethane ab. Benennen Sie die jeweiligen Kunststofftypen. (Material 1) (8 BE) 4.3 Vergleichen Sie die Vorgänge beim Aufschäumen bei Weich- und Hartschäumen und geben Sie die Reaktionsgleichungen für stattfindende Reaktionen an. (Material 2) (7 BE) 4.4 Erklären Sie die unterschiedlichen Eigenschaften der Elastollane mit unterschiedlichen Diolen (Polyetherketten oder Polyesterketten) auf molekularer Ebene. (Material 1 und 3) (9 BE) CHE-GK-H                            Aufgabe und Erwartungshorizont                     Seite 2 von 4

Freie Hansestadt Bremen                                        Lehrermaterialien Grundkurs Chemie Die Senatorin für Kinder und Bildung Schriftliche Abiturprüfung 2018 Aufgabe 4      Erwartungshorizont und Bewertung nach Anforderungsbereichen Bewertung Erwarteter Inhalt oder Lösungsskizze I   II     III 4.1   Abbildung aus urheberrechtlichen Gründen entfernt                          2   4 Es handelt sich um eine Polyaddition, da zwei unterschiedliche Monomere als Edukte vorliegen und kein kleines Molekül wie bei der Polykondensation abgespaltet wird. 4.2   Wird 1,4-Butandiol und HDI im Verhältnis 1:1 umgesetzt, entsteht ein       6   2 Thermoplast. Die linearen Polyurethanmoleküle werden nur durch zwischenmolekulare Wechselwirkungen zusammengehalten, so dass das dieser Kunststofftyp schnell beim Erwärmen schmilzt und leicht verformbar ist. Wird HDI mit Glycerin umgesetzt, so entsteht entweder ein Elastomer oder ein Duroplast. Beide weisen durch Elektronenpaarbindungen eine Raumetzstruktur auf, die beim Duroplasten jedoch engmaschiger ist. Beide Kunststofftypen zersetzten sich beim Erwärmen. 4.3   Weichschäume: Beim Aufschäumen mit Wasser findet eine exotherme            2   3       2 chemische Reaktion des Isocyanats mit Wasser statt. Dabei wird CO2 gebildet. Es muss ein Überschuss an Diisocyanat bei der Reaktion vorliegen, da ein Teil mit dem Wasser reagiert. R─NCO + H2O → R─NH2 + CO2 Hartschäume: Bei der Bildung des Polyurethans wird durch die exotherme Reaktion Wärme freigesetzt. Das leicht siedende Lösungsmittel verdampft und schäumt das Polyurethan auf. Es ist kein Überschuss an Diisocyanat nötig, da keine chemische Reaktion zur Schaumbildung stattfindet, sondern die Schaumbildung physikalisch durch Verdampfen erfolgt. 4.4   Elastollane      mit      Polyesterketten    weisen       eine    gute         5       4 Wärmeformbeständigkeit auf, da dort aufgrund der starken Polarisierung der Carbonyl- bzw. Estergruppe Dipol-Dipol- Wechselwirkungen zusätzlich zu den Van-der-Waals-Wechsel- wirkungen auftreten und für einen stärkeren Zusammenhalt im Vergleich zu den Polyetherketten verantwortlich sind. Bei den Polyetherketten treten fast nur die schwächeren Van-der-Waals- Wechselwirkungen auf, was auch bei Kälte zu einer hohen Flexibilität CHE-GK-H                            Aufgabe und Erwartungshorizont                      Seite 3 von 4

Freie Hansestadt Bremen                                          Lehrermaterialien Grundkurs Chemie Die Senatorin für Kinder und Bildung Schriftliche Abiturprüfung 2018 führt. Während die Estergruppen leichter durch Wasser hydrolysiert werden können, sind die Ethergruppen beständiger. Dafür werden die Polyesterketten aufgrund der polaren Estergruppen kaum von Mineralölen angegriffen, während das unpolare Mineralöl leicht in die Elastollane mit den ebenfalls relativ unpolaren Polyetherketten eindringen kann, was möglicherweise zum Quellen führt. Andere alternative Erklärungen mit schlüssiger Argumentation auf der Ebene der molekularen Wechselwirkungen sind auch möglich. 10   14    6 Quellen: Bilder: Von Bayer AG - http://press.bayer.com/baynews/baynews.nsf/id/Historical_Photos_e?opendocument, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=36494232 (letzter Zugriff: Januar 2018) Von Moebius1 - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8249615 (letzter Zugriff: Januar 2018) http://www.citroen.co.nz/showroom/the-citroen-c4-cactus/ (letzter Zugriff: Januar 2018) Informationen: https://de.wikipedia.org/wiki/Otto_Bayer (letzter Zugriff: Januar 2018) https://de.wikipedia.org/wiki/Polyurethane (letzter Zugriff: Januar 2018) Müller, M.: Kunststoffe aus Makromolekülen, Bayer, 1995, S. 69 ff. Im Internet aufrufbar unter: http://docplayer.org/29365855-Kunststoffe-aus-makromolekuelen.html (letzter Zugriff: Januar 2018) http://www.polyurethanes.basf.de/pu/solutions/en/function/conversions:/publish/content/grou p/News_und_Medien/Spezialelastomere/Thermoplastische-Polyurethan-Elastomere_DE.pdf (letzter Zugriff: Januar 2018) http://www.polyurethanes.basf.de/pu/solutions/en_GB/function/conversions:/publish/content/ group/Arbeitsgebiete_und_Produkte/Thermoplastische_Spezialelastomere/Infomaterial/elast ollan_verarbeitung_de.pdf (letzter Zugriff: Januar 2018) CHE-GK-H                            Aufgabe und Erwartungshorizont                       Seite 4 von 4