3 - Reiz des Abbilds

Abformung: Polyaddtion in vier Animationen

Das Experiment "Reiz des Abbilds" räumt bei unseren Umfragen immer kräftig ab: Es zählt zu den beliebtesten CHEM2DO®-Versuchen. Deshalb haben wir gleich vier Animationen entwickelt.

Sekundarstufe 1

Die Animationen machen das Prinzip der Vernetzung auch für jüngere Schüler gut nachvollziehbar.

Experiment 3 - Animation zur Vernetzungsreaktion für die Sekundarstufe 1

Additionsreaktion (Sek 1)

Die Animation erklärt die Vernetzungsreaktion im stark vereinfachten Teilchenmodell. Ausgangspunkt sind die Teilchen in den flüssigen Komponenten A und B. Endpunkt ist ein stark verzweigtes Netzwerk.

Zur Animation
Experiment 3 - Animation zur Stoff-Eigenschaftsbeziehung für die Sekundarstufe 1

Stoff-Eigenschafts-Beziehung (Sek 1)

Warum sind die Edukte flüssig, während das Produkt elastisch ist? Die Animation erklärt die Stoff-Eigenschafts-Beziehungen im einfachen Modell. Auch das elastische Verhalten der Siliconform wird demonstriert.

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Sekundarstufe 2

Die Animationen zeigen den Reaktionsmechanismus der Additionsreaktion im Detail. Der Versuch und die Animation sind ideal für den Vergleich der Polymerisation von Kunststoffen auf Kohlenwasserstoffbasis und Siliconen geeignet.

Experiment 3 - Animation zur Additionsvernetzung für Sekundarstufe 2

Additionsreaktion (Sek 2)

Die Animation erklärt den Reaktionsmechanismus der Addition auf molekularer Ebene. Das Modell zeigt die Funktion der Vinylendgruppe und der Si-H-Gruppen als reaktive Gruppen und geht auf den Katalysator ein.

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Experiment 3 - Animation zur Stoff-Eigenschaftsbeziehung für die Sekundarstufe 2

Stoff-Eigenschafts-Beziehung (Sek 2)

Wieso sind die Edukte in diesem Experiment viskos, während das Produkt elastisch ist? Die Animation erklärt die Stoff-Eigenschaftsbeziehungen auf submikroskopischer Ebene.

Zur Animation

Inhaltsbezogene Kompetenzen

Die Schüler sollen:

  • das Prinzip der Additionsvernetzung auf der Teilchenebene im Modell erläutern.
  • das Struktur-Eigenschafts-Konzept auf die Eigenschaften der Edukte und das Produkt der Vernetzungsreaktion anwenden.
  • das Struktur-Eigenschafts-Konzept auf die Eigenschaften der Edukte und das Produkt der Vernetzungsreaktion anwenden.
  • die Rolle eines Katalysators für eine chemische Reaktion beschreiben.
  • die Arbeitsschritte bei der technischen Fertigung von Abdrucken erläutern.

Chemische Grundlagen

Wie Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis sind Silicone Makromoleküle. Diese können auf drei Arten entstehen:

  • Polymerisation
  • Polykondensation
  • Polyaddition
Schema der Vernetzung eines platinkatalysierten Zwei-Komponenten-Siliconkautschuks

Reaktionsschema zur Vernetzung (Polyaddition) eines Zwei-Komponenten-Siliconkautschuks

Die chemische Synthese funktionsspezifischer Silicone beruht auf zwei wichtigen Prinzipien:

  • Herstellung von Polymeren mittlerer Moleküllänge mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen
  • Verwendung ausgesuchter Katalysatoren für die gezielte Vernetzung

Mit dem Experiment "Reiz des Abbilds" (Polyaddition) können diese Prinzipien erörtert werden.

Es werden zwei Molekülsorten verwendet: Präpolymer und Vernetzer.

Polydimethylsiloxan enthält ausschließlich reaktionsträge Methylgruppen

Polydimethylsiloxan ist ein kettenförmiges Molekül mit reaktionsträgen, endständigen Methylgruppen.

Ausgangsmoleküle

Monomer: Dimethylsilandiol
HO-Si(CH3)2-OH

Polymer: Polydimethylsiloxan
HO-Si(CH3)2-O-Si(CH3)2-O-...
Die Ketten entstehen durch Polykondensation.
Hierbei werden Wassermoleküle abgespalten und es entstehen Si-O-Si-Bindungen.

Die Polydimethylsiloxan-Ketten sind nicht sehr reaktionsfähig. Sie sind zunächst für eine Vernetzung ungeeignet.
Um sie zu großen Makromolekülen vernetzen zu können, werden zwei Molekül-Sorten hergestellt:

Aufgrund der beiden endständigen Vinylgruppen wird das Poly-dimethylsiloxan deutlich reaktionsfreudiger

Präpolymer

Präpolymer

Lange Siliconpolymere (mit bis zu 1000 Dimethylsiloxy-Einheiten) erhalten an ihren Enden eine reaktive (ungesättigte) Vinylgruppe.

Sie werden zum „Präpolymer”:

CH2=CH-Si(Me)2-O-Si(Me)2-O-...

Der Vernetzer ist ein Polymer mit reaktiven SiH-Gruppen

Vernetzer

Vernetzer

Bei kurzen Siliconketten (z.B. 10 bis 50 Einheiten) werden vereinzelte CH3-Gruppen (=Methylgruppen) mit H-Atomen (=Silangruppen) ersetzt.

Diese stellen den Vernetzer dar:

(Me)3Si-O-Si(Me)2-O-SiH(Me)-O-...

Exemplarische Strukturformel eines vernetzten Siliconkautschuks

Vernetzes Makromolekül

Vernetzung (Polyaddition)

Bringt man Präpolymer und Vernetzer mithilfe eines Platin-Katalysators zur Reaktion, so addieren sich die Silangruppen an die Vinylgruppen.

Im Gegensatz zur Polykondensation werden keine Moleküle abgespalten.
Die Abformmasse bleibt deshalb bezüglich des Originals formtreu.

Auf das Experiment bezogen:

  • Präpolymer und Vernetzer liegen in Komponente A vor.
    (WACKER Siliconkautchuk ELASTOSIL® M 4601 A)
  • Bei Zimmertemperatur können sie nicht miteinander reagieren.
  • Die Additionsreaktion findet erst rasch und sicher statt, wenn der Katalysator aus Komponente B hinzugefügt wird.
    (WACKER Platinkatalysator ELASTOSIL® M 4601 B)
  • Es findet eine platinkatalyiserte Additionsvernetzung statt.
  • Es entsteht ein dreidimenstionals vernetzes Silicon-Elastomer.