Einteilung der Kunststoffe & Silicone

Thermoplast / Duroplast / Elastomer

Kunststoffe lassen sich nach dem Struktur-Eigenschafts-Prinzip in drei Klassen einteilen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Es gibt einen klaren Zusammenhang zwischen der molekularen Struktur und den grundlegenden Eigenschaften. Die Hauptrolle spielt dabei der Vernetzungsgrad.

Thermoplaste

Schmematische Darstellung der Moleküle eines Thermoplasten

Thermoplaste bestehen aus langen Molekülketten, die nicht untereinander verknüpft sind.

Ein Joghurtbecher verformt sich beim Erwärmen, denn Polyethylen (PE) gehört zu den Thermoplasten (von griech. thermos = warm).

Die Erklärung finden wir auf der molekularen Ebene:

  • Thermoplaste bestehen aus langen Molekülketten.
  • Diese sind untereinander nicht verbunden.
    Die Ketten können gegeneinander gleiten wie gekochte Spaghetti.
  • Zwischen diesen Ketten wirken nur zwischenmolekulare Wechselwirkungen.
  • Weitere Eigenschaften lassen sich durch funktionelle Seitengruppen verändern.

Relativ niedrige Temperaturen reichen aus, um diese zwischenmolekularen Kräfte zu überwinden.

Beispiele:

• Polyethen (PE)

• Polypropylen (PP)

• Polystyrol (PS)

• Polyvinylchlorid (PVC)

Duroplaste

Schematische Zeichnung der Moleküle eines Duroplasten

Die Molekülketten der Duroplaste sind in alle Raumrichtungen mehrfach miteinander vernetzt.

Duroplaste (von lat. „durus“ = hart) sind hart und spröde. Sie verformen sich bei Wärmeeinwirkung nicht. Bei sehr hohen Temperaturen schmelzen sie nicht, sondern verkohlen.

Auch hier bedingt die Molekülstruktur die Eigenschaften:

  • Die Molekülketten der Duroplaste sind dreidimensional kovalent vernetzt.
  • Es braucht viel Energie, diese Bindungen aufzubrechen, dabei wird der Kunststoff zerstört

Beispiele:

• Polyurethanschaum (PU)

• Epoxidharze

• Siliconharze

Elastomere

Schematische Zeichnung der Moleküle eines Elastomers

Die Molekülketten der Elastomere sind nur locker miteinander vernetzt.

Elastomere (von griech. „elastos“ = dehnbar) nehmen eine Zwischenstellung ein: Sie sind zwar vernetzt, aber nicht so stark wie die Duroplaste.

Die Stoffeigenschaften werden durch die Vernetzungstruktur bestimmt:

  • Die langen Molekülketten sind locker miteinander vernetzt.
  • Einzelne Bereiche in den Molekülketten sind dadurch sehr beweglich.
  • Das Werkstück kehrt nach Druckeinwirkung in die Ausgangsform zurück.

Beispiele:

• Siliconelastomere

• Polyurethan

Sonderstellung der Siliconöle

Formel eines Siliconöls

Formel eines Siliconöls

Die Siliconöle nehmen eine Sonderstellung ein. Sie bestehen aus linearen, nicht miteinander vernetzten Molekülketten.

Nach der oben gezeigten Einteilung der Kunststoffe würde man vermuten, es handle sich um Thermoplasten. Siliconöle werden aber nicht fest und verformen sich beim Erwärmen nicht. Woran liegt das?

Auf molekularer Ebene fällt auf:

  • Siliconöle bestehen aus linearen Methyl-Siliconketten.
    Die Methylketten erklären den vorwiegend hydrophoben Charakter der Siliconöle.
  • Zwischen den Ketten wirken nur sehr schwache zwischenmolekulare Kräfte.
    Die Ketten sind daher gegeneinander sehr beweglich.
  • In der Folge sind Siliconöle flüssig.
  • Die Kettenlänge wird zur Steuerung der Viskosität genutzt:
    • Kurze Ketten > frei beweglich > niedrige Viskosität
    • Lange Ketten > bilden Knäuel > eingeschränkt beweglich > höhere Viskosität

Funktionelle Siliconöle

Durch chemisches Design kann man die Eigenschaften der Siliconöle beeinflussen.

Ansatzpunkt ist das Siloxangerüst. Hier werden gezielt Methylketten ersetzt durch:

  • längere Alkylketten
  • organische Polymere
    (z. B. Polyethylenoxid-, Polypropylenoxid-, oder Alkylaminogruppen)

So lassen sich die hydrophoben Siliconöle in mehr oder weniger hydrophile Moleküle überführen.

Einteilung der Silicone

Es gibt eine Vielzahl von Siliconen. Die Bandbreite reicht von flüssigen Ölen, Emulsionen über feste Harze (Duroplast) bis zu gummiartigen Elastomeren. Wie bei den Kunststoffen lassen sich die Eigenschaften durch chemisches Design (Veränderung der Länge der Makromoleküle und verschiedene Seitenketten) punktgenau einstellen.

Man unterscheidet folgende Produktgruppen:

Systematik: Zusammenhang von Molekülstruktur und Eigenschaften von Siliconen / wichtige Produktgruppen

Einteilung der Silicone in Produktgruppen

Der Bindungswinkel der Si-O-Bindung bestimmt Moleküleigenschaften wie den Schmelz- und Glaspunkt, das Dämpfungsverhalten und die Relaxationszeit.

Die Rolle des Siliciums

Das Element Silicium definiert die grundlegenden Eigenschaften der Silicone.

Hier finden Sie Informationen über den Zusammenhang zwischen Bindungswinkeln, - längen und -energie und Eigenschaften wie der besonderen UV- und Temperaturbeständigkeit der Silicone.

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