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Kunststoffe, sogenannte Polymere, sind aus unserem alltäglichen Leben kaum noch wegzudenken. Sie bilden die Grundlage für Verpackungen von Lebensmitteln, CD-Hüllen oder auch Bauteile von Autos. Die Möglichkeiten, die Polymere bieten, sind gefühlt grenzenlos. Hier lernst Du eine Art dieser Polymere kennen: Polystyrol, oder kurz PS. Wie dieser Stoff aufgebaut ist, wie er hergestellt werden kann und welche Eigenschaften er besitzt, erfährst Du in diesem StudySmarter Original.
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Team Polystyrol Lehrer
Das Monomer, der Grundbaustein des Polymers, ist das Styrol mit der Summenformel \(C_8H_8\). Dieses Molekül besteht aus einem Benzolring, an dem ein Vinylrest hängt. Benzol ist ein ringförmiges Molekül aus sechs Kohlenstoffatomen, die jeweils ein Wasserstoffatom tragen. Der Vinylrest leitet sich von dem Molekül Ethen ab, das aus zwei Kohlenstoffatomen besteht und über eine Doppelbindung verfügt. In Abbildung 1 siehst Du die Struktur des Monomers Styrol.
Abb. 1: Strukturformel von Styrol
Die Doppelbindung außerhalb des Rings ist hauptverantwortlich für die Reaktivität des Moleküls. Vor allem Additionsreaktionen gehen Moleküle mit Doppelbindung ein, da diese funktionelle Gruppe durch ihre hohe Elektronendichte zur Ausbildung einer neuen Bindung sorgen kann. Großtechnisch wird das Styrol über die Dehydrierung von Ethylbenzol gewonnen.
Das Polymer kannst Du Dir wie eine lange Kette vorstellen, in der mehrere Moleküle des Monomers aneinander gereiht sind. Je nachdem, wie die Phenylreste an der Kette angeordnet sind, variieren auch die Stoffeigenschaften des Polystyrols. Abbildung 2 zeigt Dir noch mal die Strukturformel von Polystyrol.
Abb 2: Strukturformel von Polystyrol.
In der eckigen Klammer findest Du eine sogenannte Wiederholungseinheit des Polymers. Das kleine n neben der Klammer steht für eine natürliche Zahl größer als zwei und stellt die Anzahl der eingebauten Monomere dar. Wie Du siehst, wurde hier aus der Doppelbindung vom Polystyrol eine Einfachbindung zu einem weiteren Monomer.
Die Polymerisation von Styrol findet bereits statt, wenn ein Gefäß mit Styrol längere Zeit bei Raumtemperatur stehen gelassen wird. Im großen Maßstab wird Polystyrol über die radikalische Polymerisation hergestellt, prinzipiell gelingt die Herstellung aber auch über die anderen Formen der Kettenpolymerisation (kationisch oder anionisch). Im Folgenden lernst Du das Verfahren der radikalischen Polymerisation näher kennen.
Bei der radikalischen Polymerisation wird die Reaktion durch ein Radikal eingeleitet. Ein Radikal ist ein Molekül, das über ein einzelnes ungepaartes Valenzelektron verfügt und somit sehr reaktiv ist.
Mit Valenzelektronen sind hier die äußeren Elektronen eines Atoms gemeint. Der Name kommt davon, dass diese Elektronen Bindungen (auch Valenzen genannt) ausbilden können.
Dibenzylperoxid ist ein Radikalstarter, der durch Erwärmen oder Einwirkung von Licht gespalten wird, um dann die Polymerisation einzuleiten.
Bei der Kettenwachstumsreaktion knüpfen sich dann viele Styrol-Moleküle aneinander. Diese Reaktion kann dann so lange durchgeführt werden, bis die gewünschte Menge an Polymer vorhanden ist.
In der Kettenabbruchreaktion kommt die Reaktion zu einem Ende. Hierbei sind drei Szenarien denkbar. Zum einen können die Phenylradikale miteinander reagieren, sodass aus den beiden einzelnen Elektronen eine Bindung entsteht. Eine andere Möglichkeit ist, dass zwei radikalische Polystyrolketten miteinander reagieren und so nicht mehr für die Reaktion zur Verfügung stehen. Zudem kann ein Phenylradikal mit dem radikalischen Ende einer Polystyrolkette reagieren, wobei die Reaktion ebenfalls zum Stillstand kommen würde.
In der Mitte des 20. Jahrhunderts wurde ein neuer Stoff aus Polystyrol entwickelt. Durch die Zugabe eines Treibmittels, beispielsweise Pentan, kommt es bei der Polymerisation zu einem kräftigen Aufschäumen. Es bildet sich ein Polystyrol-Schaum, der für gewöhnlich unter dem Namen Styropor® bekannt ist.
Das Kurzzeichen für diesen Stoff lautet EPS und steht für expandiertes Polystyrol. Es wird insbesondere als Verpackungsmaterial und in der Bauindustrie für die Wärmedämmung verwendet. Hierfür eignet sich Styropor® hervorragend, da er eine geringe Dichte hat.
Ein Treibmittel ist etwa ein leicht verdampfbarer Kohlenwasserstoff. Die Zugabe des Treibmittels führt durch Erwärmen zu einem Aufschäumen der Polymerkugeln bei der Reaktion.
Was Polystyrol so wertvoll macht, ist, dass der Kunststoff transparent ist und die Oberfläche schön glänzt, wenn er ausgehärtet ist. Das Polystyrol gehört zur Gruppe der teilkristallinen Thermoplasten, was bedeutet, dass es bei Zufuhr von Wärme verformbar wird. So kann der Kunststoff leicht verarbeitet werden. Allerdings ist der Stoff auch spröde, was ihn schlagempfindlich macht. So ist der Einsatzbereich von reinem Polystyrol doch eingeschränkt. Wie viele andere Kunststoffe ist auch Polystyrol recycelbar, solange es rein bleibt.
Teilkristalline Stoffe sind fest und setzen sich sowohl aus kristallinen (Ausbildung einer geordneten Kristallstruktur) als auch amorphen (keine Ordnung) Bereichen zusammen.
Polystyrol ist leicht entflammbar und wenn es entzündet wird, verbrennt es stark rußend mit einer gelben Flamme. Die leichte Entflammbarkeit kann mit Flammschutzmitteln verhindert werden, wodurch die Reaktion mit dem Sauerstoff aus der Luft erschwert wird. Die Schmelztemperatur liegt bei etwa 240 °C. Bei einer Glastemperatur von 100 °C geht Polystyrol von einem festen in einen zähflüssigen Zustand über.
Unter Einwirkung von Sonnenlicht (UV) kann sich Polystyrol zudem mit der Zeit zersetzen. Außerdem ist das Polymer gegenüber Stoffen wie Benzin, längerkettigen Ketonen sowie längerkettigen Aldehyden nicht beständig.
Der Kunststoff findet Anwendung in der Lebensmittelindustrie, für Verpackungen, in der Elektrotechnik für Schalter und Gehäuse. Aufgrund seiner feinen Konturen kann Polystyrol auch für CD-Hüllen und Tonbandkassetten genutzt werden. Das aufgeschäumte Polystyrol, Styropor®, wird als Füllmaterial und in der Bauindustrie zum Dämmen genutzt. Wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit ist es ideal zum Isolieren.
Geschäumtes Polystyrol kannst Du je nach Eigenschaften in zwei Klassen einteilen: expandiertes (EPS) und extrudiertes Polystyrol (XPS).
Expandiertes Polystyrol ist besser bekannt unter dem Markennamen Styropor®. Dabei handelt es sich um grobporigen EPS-Hartschaum, der als Verpackungs- und Dämmmaterial eingesetzt wird. Bei der Herstellung wird Polystyrolgranulat in eine Form gefüllt und anschließend mit heißem Wasserdampf aufgeschäumt. Dabei verkleben die nun aufgeschäumten Granulatkörner miteinander. Auf diese Weise verarbeitetes Polystyrol ist für Luft und Wasser in der Regel durchlässig.
Neben expandiertem Polystyrol wird auch extrudiertes Polystyrol hergestellt. Auch hierbei handelt es sich um einen Hartschaum, der über das Verfahren der Extrusion hergestellt wird. Bei der Extrusion werden zunächst das Polystyrolgranulat und ein Treibmittel bei hoher Temperatur aufgeschäumt. Dabei muss das Gemisch durchgehend eine Öffnung passieren und wird anschließend zum Abkühlen ruhen gelassen. Auf diese Weise entsteht feinporiger XPS-Hartschaum mit geschlossener Oberfläche. Er ist gegenüber Luft und Wasserdampf undurchlässig und nimmt nur wenig Wasser auf.
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Ist Polystyrol recyclebar?
Polystyrol kann durch verschiedene Verfahren wiederverwertet werden. Alternativ werden PS-Abfälle verbrannt und zur Energiegewinnung verwendet.
Wo wird Polystyrol verwendet?
Polystyrol findet Anwendung für etwa Einweggeschirr oder Gehäuseteile von Elektrogeräten. In aufgeschäumter Form wird es auch beim Hausbau zur Wärmedämmung genutzt.
Was ist der Unterschied zwischen Polystyrol und Styropor?
Polystyrol ist das reine Polymer, das bei der Polymerisation von Styrol entsteht. Es ist transparent und spröde. Styropor hingegen entsteht, wenn bei der Polymerisation ein Triebmittel, wie ein leicht verdampfender Kohlenwasserstoff, hinzugegeben wird.
Wie giftig ist Polystyrol?
Polystyrol wird als harmloses Verpackungsmaterial eingestuft und ist somit unbedenklich.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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