EVA - Online - Chemie und ihre Didaktik, Universität Wuppertal

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Elektrisch leitfähige Kunststoffe
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Moderne Werkstoffe
trans-Polyacetylen
cis-Polyacetylen
Polythiophen
S S S
S
Polypyrrol H H H
N N N
H H
B4 Molekülausschnitte aus einigen Polymeren mit
elektrisch leitenden bzw. halbleitenden Eigenschaften.
A: Nennen Sie zwei gemeinsame strukturelle Merkmale
dieser Moleküle. A: Wodurch unterscheiden sich die vier
Beispiele?
S
N N
Elektrisch leitfähige Kunststoffe sind die Renner unter
den innovativen Materialien, weil aus ihnen Hightech-
Produkte wie Batterien, Transistoren, Laserdrucker,
Solarzellen und Leuchtdioden (OLEDs, Organic Light
Emmitting Diodes) hergestellt werden können. Im
Unterschied zu den herkömmlichen anorganischen
Halbleitern können aus leitfähigen Polymeren flexible
Monitore und Solarzellen („Plastikzellen“) gefertigt
werden. Außerdem sind die Polymere in der Herstellung
preiswerter als anorganische Materialien und können
leichter verarbeitet werden. Sie sind allerdings chemisch
nicht so stabil und langlebig wie anorganische Halbleiter.
Die elektrischen Eigenschaften der leitfähigen
Kunststoffe sind auf die über das gesamte
Makromolekül ausgedehnte Bindungsdelokalisation
zurückzuführen, die bei allen vier Beispielen aus B4
gewährleistet ist.
Poly(p-phenylenvinylen) (PPV)
n
N a +
CO 2H O
–
CO 2
–
CO 2
–
CO 2 CO 2H H N N a +
N a + N a +
H N
CO 2 –
N a
O – – –
CO 2H CO 2 CO 2 CO 2 +
N a + N a +
B6 Molekülausschnitt eines superabsorbierenden
Polymers. A: Identifizieren Sie die Hauptketten der Makromoleküle
und die Atomgruppen, durch die sie
quervernetzt sind. A: Warum trifft hier die Bezeichnung
„Polyelektrolyt“ zu?
Superabsorbierende Kunststoffe, kurz Superabsorber,
können mehr als das 20fache ihrer Eigen-masse
an Wasser aufnehmen. Dabei quellen sie und behalten
das Wasser auch, wenn Druck auf die gequollene
Masse ausgeübt wird. Für die Haut eines Babys, das
eine Windel mit Superabsorber trägt, bedeutet dies: Die
Haut bleibt trocken, selbst wenn das Baby wiederholt in
die Windel macht. Die häufigsten Superabsorber in
Babywindeln, medizinischen Pflastern und
Hygienebinden sind vernetzte Copolymere aus
Acrylsäure H2C=CH–COOH und ihrem Natrium-Salz
+
H2C=COO–Na (B6). Beim Quellen werden die elektrisch
geladenen Carboxylat-Gruppen an den Polymerketten
und die eingeschlossenen Na -Ionen durch die eindringenden
Wasser-Moleküle hydratisiert. Dadurch
werden die Polymerketten in den Abschnitten zwischen
den Quervernetzungen auseinander gedrückt und die
Wasser-Moleküle werden durch Ionen relativ fest
gebunden. Aus dem gequollenen Superabsorber kann
das Wasser kontrolliert wieder freigesetzt werden,
beispielsweise durch Erhöhung der Temperatur und
durch eine trockene, ionenhaltige Umgebung. An
wasserfernen Standorten werden Superabsorber groben
Bodensubstraten wie Kies und Sand zugesetzt, um
Feuchtigkeit längerfristig zu binden und den Pflanzen
auch bei Trockenheit verfügbar zu machen.
wässrige
Flüssigkeit
B5 Flexible organische Leuchtdiode (OLED). A: Formul- B7Quellung
eines Superabsorbers. A: Formulieren Sie
ieren Sie einen Molekülausschnitt von Poly(para- einen Molekülausschnitt aus dem gequollenen Superphenylenvinylen)
nach dem Muster der Polymere aus B4 absorber mit hydratisierten Ionen (vgl. Text und rechten
und begründen Sie, warum dieses Polymer elektrisch Bildteil). A: Was lässt sich aus dem Bild mit den Baby-
leitfähig ist. A: Erkunden Sie in Chemie 2000+ Online
den Aufbau und die Funktionsweise einer OLED.
windeln schließen? Erläutern Sie.
+

Moderne Werkstoffe
B2 In Carbonfasern herrscht die gleiche Graphitstruktur
wie in der Bleistiftmine. A:Wodurch unterscheidet diese
sich von der Struktur in Kohlenstoff-Nanoröhrchen
(d ≈ 1 nm)? A: Informieren Sie sich über Kohlenstoff-
Nanoröhrchen im Internet.
Komposite und Nanostrukturierte
Kunststoffe 2
B1 Carbonfaserverstärkte Kunststoffe werden im Flug- B3 Komposite aus Siliconen und Polyacrylaten machen
zeugbau eingesetzt. Eine Carbonfaser (d ≈ 6 µm) ist
viel dünner als ein Menschenhaar (d ≈ 50 µm).
Autolacke unempfindlich gegenüber Steinschlag.
Rümpfe und Tragflächen von Flugzeugen, Stoßstangen
und Spoiler von Autos, Rahmen von
Fahrrädern wie auch Maste von Segelbooten und
Surfbrettern sind hohen mechanischen Belastungen
unter dynamischen Bedingungen ausgesetzt. Für
solche Anwendungen wurden Werkstoffe entwickelt,
bei denen mehrere Materialien zu sogenannten
Kompositen zusammengefügt sind. Carbonfaserverstärkte
Kunststoffe sind solche Komposite, die
sich besonders für die genannten Anwendungen gut
eignen, weil sie leicht, fest und bei hohen Belastungen
elastisch sind.
Carbonfasern (Kohlenstofffasern) erhält man, wenn
Fasern aus synthetischen Polymeren wie Polyacrylnitril
oder aus chemisch veränderter Cellulose (Viskose) bei
Temperaturen um 1800°C pyrolysiert werden. Dabei
bilden sich Fasern, die zu 96–98% aus reinem
Kohlenstoff mit Graphitstruktur bestehen. Mehrere
Tausend dieser sehr dünnen Fasern (B1) werden zu
einem Faden gebündelt, der auf eine Spule gewickelt
und zu einer textilen Struktur gewebt werden kann.
Durch Einbettung von kurzen Fäden aus Carbonfasern
oder von Geweben aus Carbonfasern ineinen
thermoplastischen oder in einen duroplastischen
Kunststoff erhält man schließlich das Komposit, den
carbonfaserverstärkten Kunststoff.
Unter den modernen Werkstoffen nehmen Komposite
aus nanostrukturierten Materialien, deren Teilchen
Dimensionen von 1 nm bis 100 nm haben, einen
Sonderplatz ein. Das Material aus B3 hat ausgezeichnete
Eigenschaften: Es ist transparent, thermoplastisch
zwischen 140°C und 250°C, schlag- und
bruchfest zwischen –40°C und 140°C und
unempfindlich gegenüber aggressiven Chemikalien.
Dieses Material besteht aus Silicon-Nanokügelchen
mit Durchmessern zwischen 10 nm und 100 nm, die
von einem Mantel aus 100 bis 200 Atomlagen
Polyacrylat oder Polystyrol umhüllt sind. Setzt man
diese nanoskaligen „Silicon-Flummis“ beispielsweise
Auto-lacken zu, werden diese unempfindlicher
gegenüber Steinschlag. Bei entsprechender Struktur
von Siliconkern und Polymerhülle sind auch
Nanokapseln denkbar, die als „intelligente“, durch
Licht, Elektrizität oder Magnetismus schaltbare
Klebstoffe, Lacke oder Arzneimittel eingesetzt werden
könnten. Daher wird auf dem Gebiet der nanostrukturierten
Materialien viel geforscht.
Wie jede wissenschaftlich-technische Entwicklung
beinhaltet auch die Nanotechnologie neben Chancen
auch Risiken. Es ist beispielsweise bekannt, dass
Nanopartikel aus dem Staub, der beim Abrieb von
Carbonfasern entsteht, ähnlich wie die Rußpartikel aus
Dieselfahrzeugen lungengängig und krebserregend
sind. Inwiefern auch Nanopartikel aus anderen
Materialien gesundheitsschädlich sind, ist noch nicht
genau bekannt. Es ist daher wichtig, Stäube aus
Nanopartikeln zu vermeiden, indem diese gleich nach
bzw. bei der Synthese und vor ihrer Handhabung zu
rieselförmigen Granulaten oder flüssigen Werkstoffen
verarbeitet werden. Das ist bei den oben erwähnten
Nanokapseln mit Siliconkern und Mantel aus einem
anderen Polymer der Fall.
Aufgaben
A1 Zeichnen Sie das Modell eines Komposit-Nanokügelchens
mit Siliconkern (d = 50 nm) und 200 Atomlagen
Polyacrylat (Dicke einer Atomlage: ca. 0,1 nm).
A2 Wodurch unterscheiden sich Komposite vom Typ
der carbonfaserverstärkten Kunststoffe (linke Spalte)
von den Kompositen aus nanostrukturierten Materialien,
die in dieser Spalte an einem Beispiel beschrieben
sind? Recherchieren Sie zur Beantwortung
der Frage auch Informationen aus dem Internet.
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