Rubber & Plastics

Plastik, Kunststoff, Gummi – alltägliche Begriffe für Materialien, die man chemisch als Polymere bezeichnet und die aus kleinen Bausteinen (den Monomeren) aufgebaut sind.

Mit dem Begriff „Monomer“ werden niedermolekulare organische Verbindungen mit reaktiven funktionellen Gruppen bezeichnet, die unter katalytischen Bedingungen zu langkettigen Polymeren umgesetzt werden. Man unterscheidet Homopolymere, die aus einem Monomer gebildet werden, und Copolymere, die aus mindestens zwei verschiedenen Monomeren hergestellt werden.

Für Verpackungszwecke kommen seit vielen Jahren vor allem Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) als Folien zum Einsatz.

Die Automobilindustrie nutzt eine ganze Reihe von Polymeren. Eines der bekanntesten dürfte das Polymethylmethacrylat (PMMA) sein. Es dient als Sicherheitsglas für Windschutzscheiben. Reifen, Armaturen, Sitze, Teppiche und Teile der Karosserien bestehen ebenfalls aus Polymermaterialien.

Beschichtungen aus Teflon (PTFE, Polytetrafluorethylen) wirken anti-haftend und werden z.B. für Bratpfannen verwendet.

Siloxane bzw. Silicone mit der allgemeinen Struktur R₃Si−[O−SiR₂]_n−O−SiR₃ (R = Wasserstoff, Alkyl- oder anderer organischer Rest) finden Sie in der abcr-Palette nicht nur unter den handelsüblichen Polydimethylsiloxanen (PDMS), die als Öle mit den verschiedensten Viskositäten angeboten werden. Wir synthetisieren auch maßgeschneiderte hochreine Produkte für Anwendungen in der Medizin oder spezifisch funktionalisierte Siloxane.

Silikonöle haben zwar wie die Silane das Element Silizium im Molekül. Allerdings sind ihre Eigenschaften nicht vergleichbar, sondern teilweise sogar entgegengesetzt. So werden Silikonöle in der Gießerei z.B. als Entformungs- oder Fließhilfsmittel eingesetzt.

Funktionalisierte Siloxane werden oft auf die Anwendung hin optimiert, d.h., es werden organische Gruppen in die Molekülketten eingeführt. Diese erzeugen anschließend eine besondere Oberflächeneigenschaft oder eignen sich wie die Methacryleinheiten zur Vernetzung. Das bekannteste Beispiel sind wasser- und sauerstoffdurchlässige Kontaktlinsen. Sie bestehen aus sogenannten Makromeren.

Erfahren Sie hier mehr über

• Additive
• Polystyrole
• Acrylate und Polyacrylate
• Weitere Monomer- und Polymerklassen bei abcr
• Katalysatoren für die Polymerisation und Oligomerisation

Um die Eigenschaften von Gummiartikeln oder Kunststoffen zu verbessern, eignet sich die Zugabe von Additiven. Dabei handelt es sich z.B. um Füllstoffe und Verstärkerstoffe. Ihr Einsatz kann zu Kosteneinsparungen führen, weil der Kunststoff der hochpreisige Bestandteil ist. Praktisch alle dieser meist anorganischen Komponenten werden erst durch Zugabe von Organosilanen mit den Polymeren verträglich. Diese Organosilane sind in der Lage, chemisch auf der Oberfläche der Füll- und Verstärkerstoffe anzubinden. Besitzen diese Organosilane nicht-funktionelle Alkylgruppen, reicht die damit erzeugte Hydrophobierung der Oberflächen bereits aus, um die Dispergierbarkeit erheblich zu verbessern. Man erzielt höhere Prozessgeschwindigkeiten, höhere Füllgrade und in vielen Fällen sogar verbesserte mechanische Eigenschaften. Sind die Silane mit reaktiven organischen Gruppen funktionalisiert, ist sogar eine zusätzliche chemische Anbindung an das Polymer möglich. In diesen Fällen agieren die Silane als Haftvermittler zwischen anorganischer und organischer Matrix. Weil diese Bindungen chemisch stabil sind und auf monomolekularer Ebene funktionieren, reichen kleine Mengen Silan aus, um deutliche Verbesserungen zu erreichen. Dieser Vorteil wird bereits in zahlreichen Anwendungen kommerziell genutzt. Die inzwischen dafür eingesetzte Silanmengen überschreiten die 100.000 Jahrestonnen deutlich. Auf die Compounds umgerechnet ergeben sich Mengen in der Größenordnung > 10 Millionen Tonnen/Jahr. Mengenmäßig ist die Reifenindustrie führend.

Glasfaserverstärkte Kunststoffe, abgekürzt GFK, basieren auf Glasfasern, die mit Silanen behandelt wurden.

Beispiele für Füll- und Verstärkerstoffe sind Glas, Titandioxid, Kaolin, Glimmer, Aluminium- und Magnesiumhydroxid, Talkum, Silikate, Korund, Metalloxide oder Metallpulver.

Durch Zugabe von Additiven bei der Verarbeitung von Polymermaterialien können eine ganze Reihe physikalischer Eigenschaften verbessert werden, darunter die mechanische Festigkeit, Kratzfestigkeit, Zugfestigkeit, Härte, Kohäsion, Alterungsbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit.

Ebenso bewirken Additive eine verminderte Wasseraufnahme bei Polymeren und erhöhen die Hydrophobie (= Organophilie). Mit Flammschutzmitteln wie Al(OH)₃ oder Mg(OH)₂ erreicht man eine effiziente Flammenverzögerung.

Nicht nur für das Endprodukt ergeben sich mit Hilfe von Additiven Verbesserungen. Auch der Fertigungsprozess wird optimiert:

• niedrigere Viskosität und/oder höherer Durchsatz
• vereinfachte Verarbeitung
• reduzierte Agglomerisation
• höherer Füllstoffgehalt
• geringere Gesamtkosten

Eine großtechnisch eingesetzte Variante zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Polymeren ist die sogenannte Silanvernetzung. Hier werden Vinylsilane auf Polymere, meist Polyethylen, aufgepropft oder mit Ethylen copolymerisiert. Das erhaltene Produkt kann nach der Formgebung mit Feuchtigkeit vernetzt werden. Man nutzt dies häufig, um die Wärmestabilität von Kabelisolationen oder Warmwasserrohren zu verbessern.

Der Einsatz von Silanen beschränkt sich nicht auf Thermoplaste. Typische Anwendungen bei den Duroplasten sind Kunststeine und Kunstharzbeton (Epoxy-, Methacryl) oder Gießereiharze (Phenol-, Furanharze etc.).

Die Zugabe spezieller Silane bei der katalytischen Polypropylen-Herstellung bewirkt eine erhöhte Isotaktizität, gleichbedeutend mit einer erhöhten Kristallinität.

Polystyrole werden in vielen Fällen als Trägermaterialien eingesetzt. Eine der bekanntesten Anwendungen ist die Peptidsynthese, in der heterogenisierte Aminosäuren und Hilfsreagenzien als sogenannte Resins zum Einsatz kommen. Die Bindung an den Polymer-Core erfolgt dabei v.a. über das C-terminale Ende der Aminosäuren oder über copolymerisierte Trityl-Schutzgruppen.

Vernetzte Polystyrole erhält man durch Copolymerisation von Styrol mit Vernetzern wie Divinylbenzolen oder anderen Monomeren mit mindestens zwei terminalen Vinylgruppen. Die eingesetzten Mengen dieser Comonomere steuern den Grad der Vernetzung. Im Vergleich zu unvernetzten Polystyrolen weisen die vernetzten Polymere eine deutlich bessere Wärmebeständigkeit auf. Auch die Tendenz zur Depolymerisation sinkt.

Im abcr-Katalog finden Sie viele spezielle allyl- oder vinyl-substituierte Monomere und Vernetzer, darunter viele Acrylat- oder Methacrylat-Ester.

Macromonomere wie PEG-Acrylate werden als Linker in der Biochemie eingesetzt. Die Polyethylenglycol-Cores können dabei linear (monosubstituierte und disubstituierte PEG-Acrylate) oder auch sternförmig (drei Acrylat-Endgruppen oder mehr je Molekül) vorliegen.

Polyacrylsäure wird in verschiedenen Bereichen in der Medizin eingesetzt, z.B. als Gelbildner in der Herstellung von Salben oder Gelen zum Auftragen auf Haut und Schleimhäute. Weiterhin dient Polyacrylsäure als viskositätserhöhender Hilfsstoff in flüssigen Arzneimitteln zur Verhinderung von Sedimentation und zur Verbesserung der Dosierbarkeit. In Tabletten fungiert Polyacrylsäure als Bindemittel. Ähnliche Anwendungen sind für Poly(N-vinyl-2-pyrrolidone), oder kurz Povidon, bekannt.

Unter den perfluorierten Polymeren hat Teflon (= Polytetrafluorethylen) einen großen Bekanntheitsgrad erreicht. Aufgrund seiner chemischen Beständigkeit wird es im Chemieanlagenbau eingesetzt. Bekannt in der Öffentlichkeit wurde Teflon vor allem durch seine antihaftende Wirkung als Beschichtung von Bratpfannen. In der Medizintechnik findet Teflon in Implantaten Verwendung. Da das Monomer Tetrafluorethylen in der Synthese und Verarbeitung relativ aufwendig ist, werden auch andere perfluorierte Monomere als Bausteine für Fluorpolymere interessant.

Polyvinylalkohol wird durch kontrollierte Hydrolyse von Polyvinylacetat hergestellt. Polyvinylalkohol wirkt als Emulgator in Mischungen und weist in reiner Form eine hohe Zugfestigkeit und Flexibilität auf. Diese Eigenschaften sind abhängig von der Luftfeuchtigkeit, da der Kunststoff Wasser absorbiert.

Zur Herstellung von linearen Polyurethanen setzt man Diisocyanate und Diole in einer Polyaddition um. Vernetzte Polyurethane können durch Umsetzung von di- und trifunktionalisierten Isocyanaten mit Diol/Triol-Gemischen hergestellt werden. Je nach Vernetzungsgrad und den eingesetzten Isocyanat- oder Alkohol-Monomeren erhält man Duroplaste, Thermoplaste oder Elastomere. Der Einsatzbereich von Polyurethanen erstreckt sich auf Schaumstoffe, Lacke, Klebstoffe, Beschichtungen oder Fußböden.

Mittels Polykondensation von aromatischen Carbonsäuren und Aminen sind viele Polyimide zugänglich.

Polyimid-Fasern sind extrem widerstandsfähig gegen Hitze und mechanischen Verschleiß. Polyimide werden z.B. in Schutzkleidung für Forstarbeiten eingesetzt, da die versponnenen Fasern von Motorsägen kaum durchtrennt werden und so vor schweren Verletzungen schützen.

Mittels Grafting oder Endgruppenfunktionalisierung können aus PEG- oder polyolefin-basierten Polymeren neuartige Macromonomere hergestellt werden, die als Grundlage für neue Copolymere dienen.

Für die Herstellung von Polyolefinen wie Polyethylen, Polypropylen sowie Copolymeren aus Ethylen und höheren alpha-Olefinen bietet abcr eine große Vielfalt an Katalysatoren.

Diese Katalysatoren umfassen die lange bekannten Ziegler/Natta-Systeme, aber auch single-site-Katalysatoren wie Metallocen-Komplexe, Bis(imino)eisen-Komplexe sowie salen-basierte Phenoxyimin-Zirconium-Komplexe.

Bis(imino)nickel-Komplexe werden zur Oligomerisation von Ethylen und Propylen eingesetzt. Als Produkte erhält man höhere alpha-Olefine oder verzweigte Olefine.