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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Kunststoffe. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Kunststoffe (Kunststoffmassen) oder Kunststoffe sind organische Materialien auf Basis synthetischer oder natürlicher hochmolekularer Verbindungen (Polymere). Kunststoffe auf Basis synthetischer Polymere sind weit verbreitet. Der Name „Kunststoffe“ bedeutet, dass sich diese Materialien unter dem Einfluss von Hitze und Druck verformen können und nach dem Abkühlen oder Aushärten eine bestimmte Form beibehalten. Der Formgebungsprozess geht mit dem Übergang von einem plastisch verformbaren (viskos-fließenden) Zustand in einen glasigen (festen) Zustand einher.
Die weite Verbreitung von Kunststoffen ist eines der Markenzeichen unserer Zeit. Nahezu alle natürlichen Fasern, Harze und Materialien haben heute ihren künstlichen Ersatz. Viele andere Substanzen wurden mit Eigenschaften geschaffen, die in der Natur nicht zu finden sind. Und dies ist anscheinend nur der Anfang eines grandiosen Umbruchs, der an Bedeutung den großen materiellen Revolutionen der Vergangenheit entspricht - der Entwicklung von Bronze und Eisen. Kunststoff ist in der Regel eine komplexe organische Verbindung, die aus mehreren Komponenten besteht. Der wichtigste von ihnen, der die grundlegenden Eigenschaften des Materials bestimmt, ist Kunstharz. Die Herstellung eines beliebigen Kunststoffs beginnt mit der Herstellung dieses Harzes. Im Allgemeinen nehmen Harze eine Zwischenstellung zwischen festen und flüssigen Stoffen ein. Einerseits haben sie viele Eigenschaften von Festkörpern, aber sie haben auch ein hohes Maß an Fluidität, dh die Fähigkeit, ihre Form leicht zu ändern. Auch hinsichtlich ihrer inneren Struktur nehmen Harze eine Sonderstellung ein: Sie haben kein starres Kristallgitter wie die meisten Festkörper; Sie haben keinen bestimmten Schmelzpunkt und werden beim Erhitzen allmählich weicher und verwandeln sich in eine viskose Flüssigkeit. Wie Gummi, dem sie in ihren Eigenschaften sehr ähnlich sind, sind Harze Polymere, dh ihre Moleküle bestehen aus einer Vielzahl identischer (oft sehr einfach aufgebauter) Einheiten. Künstliche (synthetische) Harze können durch zwei Arten von chemischen Reaktionen erhalten werden: Kondensationsreaktionen und Polymerisationsreaktionen. Während der Kondensationsreaktion, wenn zwei oder mehr Substanzen interagieren, wird eine neue Substanz gebildet und Nebenprodukte (Wasser, Ammoniak und andere) werden immer noch freigesetzt. Phenolharze beispielsweise werden aus Phenol und Formaldehyd gewonnen: Zwei Moleküle Phenol werden gleichsam über eine Brücke mit einer im Formaldehyd enthaltenen Methylengruppe verknüpft und Wasser wird freigesetzt. Dann binden diese, bereits doppelten, Moleküle aneinander. Am Ende erhält man ein großes Molekül mit linearer oder dreidimensionaler Struktur. Bei einer Polymerisationsreaktion treten Moleküle des gleichen Stoffes in Wechselwirkung. Wenn sie sich miteinander verbinden, bilden sie eine neue Substanz – ein Polymer, ohne Nebenprodukte zu isolieren. Wie bereits im Kapitel Kautschuk erwähnt, sind alle organischen Stoffe, die Kohlenstoffatome mit einer Doppel- oder Dreifachbindung in ihrem Molekül haben, zu Polymerisationsreaktionen befähigt. Das Harz bindet oder, wie es manchmal gesagt wird, zementiert alle Bestandteile des Kunststoffs, verleiht ihm Plastizität und andere wertvolle Eigenschaften - Härte, Wasserbeständigkeit, mechanische und elektrische Isoliereigenschaften. Neben dem Harz nehmen in vielen Kunststoffarten einen wichtigen Platz (50-70 % der Masse) die sogenannten Füllstoffe ein, die sowohl organische als auch mineralische Substanzen sein können. Unter den organischen Füllstoffen gilt Zellulose als der wichtigste (verwendet in Form von Papier, Gewebe oder Linter - Baumwollvliese; sie werden mit einer Harzlösung imprägniert, dann getrocknet und gepresst). Anorganische Füllstoffe umfassen Glimmer, Schiefer, Talk, Asbest, Glasgewebe und Graphit. Füllstoffe sind in der Regel viel billiger als Harze und ihre Einbringung beeinträchtigt bei richtiger Auswahl die Eigenschaften von Kunststoffen fast nicht. Manchmal verbessert das Einbringen eines gut ausgewählten Füllstoffs sogar die Qualität des Kunststoffs. Es kann auch mit Hilfe von speziellen Additiven und Weichmachern verbessert werden. Erstere verleihen Kunststoffen schon in geringen Mengen neue Eigenschaften (z. B. macht die Zugabe eines Metalls aus einem Dielektrikum einen leitfähigen Kunststoff). Und Weichmacher, die mit dem Harz eine Lösung bilden, erweichen es und verleihen ihm zusätzliche Plastizität. Die Anfänge der Herstellung von Kunststoffen auf Basis künstlicher Materialien gehen auf das erste Drittel des 1830. Jahrhunderts zurück. 1863 wurde einer der ersten Kunststoffe, Camptulikon, in England hergestellt. Die Basis dieses Schichtmaterials war Jutegewebe, auf das eine Mischung aus Gummi, Korkschrot und einigen anderen Komponenten gerollt wurde. Aufgrund des hohen Gummipreises ist die Produktion dieses Kunststoffs jedoch nicht weit verbreitet. XNUMX ersetzte der Engländer Walton Kautschuk durch Linoxin und legte damit den Grundstein für die Herstellung von Linoleum. Als Bodenbelag ist es bisher weit verbreitet, da es viel langsamer abradiert als Holz und sogar Marmor. Die weit verbreitete Verwendung von Kunststoffen begann mit der Erfindung des Zelluloids, das auf der Basis von Zellulose hergestellt wird. Zellulose oder Fasern sind die Grundlage für Holz und andere Pflanzenmaterialien. sein Molekül besteht aus einer großen Anzahl einfacher Struktureinheiten; In gereinigter Form ist es eine farblose, unschmelzbare und unlösliche Substanz. 1845 wurde festgestellt, dass bei der Behandlung von Zellulose (Baumwolle) mit Salpeter- und Schwefelsäure Salpetersäureester entsteht, bekannt als Pyroxylin. Dieses Material ist sehr gefährlich und explodiert mit großer Wucht, wenn es trocken ist. Später stellte sich jedoch heraus, dass es im nassen Zustand überhaupt nicht gefährlich ist. Es stellte sich die Frage: Wenn Wasser Pyroxylin die Sprengkraft entzieht, gibt es vielleicht eine andere Möglichkeit, seine Eigenschaften zu beeinflussen. Es stellte sich heraus, dass man, wenn man nasse Nitrozellulose mit Kampfer mischt, einen Kunststoff erhält, der auf Walzen verarbeitet, gepresst und geformt werden kann. 1869 erhielten die Gebrüder Hayeth auf diese Weise Zelluloid, das ab 1872 kommerziell hergestellt wurde. Celluloid hatte eine große Festigkeit, war schön und konnte in jeder Farbe eingefärbt oder als transparente Folie verwendet werden. Dieser Kunststoff fand bald weite Verbreitung. Sie fingen an, Fotos daraus zu machen - und Filme, Kämme, Schachteln, Kinderspielzeug, Knöpfe, Gürtel. Zelluloid hatte jedoch einen entscheidenden Nachteil – es stellte sich als brennbar heraus und entzündete sich sehr leicht. 1872 synthetisierte der deutsche Chemiker Bayer eine neue harzartige Substanz, indem er Phenol mit Formaldehyd in Gegenwart von Salzsäure kombinierte. Aufgrund des damaligen Mangels an billigem Formaldehyd fand diese Entdeckung keine industrielle Anwendung. Erst zu Beginn des 1908. Jahrhunderts begann sich die fabrikmäßige Herstellung von Phenol-Formaldehyd-Harzen zu etablieren, insbesondere nachdem der englische Forscher Baekeland 500 ein Verfahren zur Herstellung von phenolischen Kunststoffen aus den gleichen Rohstoffen gefunden hatte, die die Fähigkeit, beim Erhitzen unschmelzbar und unlöslich zu werden. Sie haben große technische Bedeutung erlangt. Kunststoffe auf Basis dieser Harze wurden nach ihrem Erfinder Bakelite benannt. Die Rohstoffe für Phenol-Formaldehyd-Harze sind Phenol (Carbolsäure) und Formalin (Formalin ist eine Lösung von Formaldehydgas in Wasser; Formaldehyd wird künstlich durch Oxidation von Methylalkohol mit Luftsauerstoff bei einer Temperatur von 600-XNUMX Grad gewonnen). Zunächst wurden diese Harze als Ersatz für Naturharz - Schellack für die elektrische Isolierung - verwendet. Doch bald stellte sich heraus, dass sie viele Eigenschaften besaßen, die weder Schellack noch andere Naturharze hatten. Phenoplaste begannen schnell, weite Anwendungsgebiete für sich zu erobern und nahmen lange Zeit eine führende Position unter den Kunststoffen ein. Die daraus hergestellten Produkte zeichneten sich durch Hitzebeständigkeit, Wasserbeständigkeit, sehr hohe mechanische Festigkeit und gute Isoliereigenschaften aus. Sie wurden häufig zur Herstellung von Steckern, Steckdosen, Kartuschen und anderen elektrischen Geräten sowie in der chemischen Industrie als Material für Fässer, Tanks und Rohre in aggressiven Umgebungen verwendet. Der Füllstoff in diesen Kunststoffen war meist Holzmehl. Später wurden auf der Basis von Phenolharzen im Maschinenbau weit verbreitete Kunststoffe wie Getinaks, Textolith und andere erhalten. Produkte daraus werden durch Heißpressen von mit Harz imprägniertem Gewebe, Papier oder Sperrholz erhalten. Auf diese Weise können sehr starke und leichte Teile (z. B. Zahnräder oder Lager) hergestellt werden, die Metallteile erfolgreich ersetzen. Darüber hinaus arbeiten diese Teile im Gegensatz zu letzterem geräuschlos und sind nicht anfällig für die zerstörerischen Wirkungen von Schmierölen. Ja, und ihre Herstellung ist viel einfacher und billiger als Metallteile. Werden jedoch Glasfäden als Füllstoff verwendet, entstehen Kunststoffe mit erhöhter Festigkeit. Eine weitere weit verbreitete Art von Kunststoffen sind Harnstoffkunststoffe geworden. Hauptausgangsstoff für die Herstellung von Harnstoffharzen ist Harnstoff. Harnstoff war die erste organische Substanz in der Geschichte, die künstlich synthetisiert wurde; der deutsche Chemiker Wöhler gewann es 1828 aus Kaliumcyanid, Sulfat und Ammonium, fand aber erst hundert Jahre später praktische Anwendung. 1918 meldete der tschechische Chemiker John ein Verfahren zur Herstellung eines neuen Harzes aus Harnstoff und Formaldehyd zum Patent an. Dieses Harz hatte viele bemerkenswerte Eigenschaften: Es war farblos, langlebig, schwer entflammbar, hitzebeständig, ließ nicht nur Licht, sondern auch UV-Strahlen (die gewöhnliches Glas nicht durchlässt) perfekt durch und ließ sich leicht in jede Farbe einfärben. Gleichzeitig hatte es jedoch einen entscheidenden Nachteil - es absorbierte Feuchtigkeit. Bald begann die Produktion von Harnstoffkunststoffen. Sie sind als hervorragendes Veredelungs- und Dekorationsmaterial weit verbreitet. Zur Familie dieser Kunststoffe gehört auch Mipor, das über hervorragende Wärme- und Schalldämmeigenschaften verfügt. In den folgenden Jahren wurden viele neue Kunststoffe synthetisiert. Starke transparente Kunststoffe sind in der Technologie weit verbreitet und ersetzen erfolgreich zerbrechliches Glas. Am geeignetsten für diese Zwecke war Polymethylmethacrylat, das aus Aceton, Blausäure und Methylalkohol gewonnen wurde. Es wird verwendet, um haltbares und leichtes organisches Glas herzustellen. Polystyrol (wird aus Ethylen und Benzol gewonnen) ist zu einem unverzichtbaren Material für die Hochfrequenzisolierung geworden. 1940 erhielten der deutsche Chemiker Müller und unabhängig von ihm der sowjetische Wissenschaftler Andrianov die ersten Silikonkunststoffe. Zu den Molekülen dieser Kunststoffe gehört neben Kohlenstoff auch Silizium. Dies verleiht einer neuen Art von Kunststoffen sehr wertvolle Eigenschaften: Sie sind sehr hitzebeständig (halten Temperaturen von bis zu 400-500 Grad stand), beständig gegen Wasser, Säuren und organische Lösungsmittel. All dies verschaffte ihnen ein breites Anwendungsspektrum. Lange Zeit gelang es den Chemikern nicht, Ethylen zu polymerisieren. (Ethylen ist ein leichtes Gas mit der Formel CH2=CH2.) Erst 1937 wurde dieses Problem teilweise gelöst: Unter einem enormen Druck von 1200 atm verflüssigte sich Ethylen, während die Doppelbindung in seinem Molekül gebrochen wurde und die Polymerisationsreaktion einsetzte begann. (Das Ergebnis war das Molekül [-CH2-CH2-]n.) Nachdem 10–30 % Polyethylen synthetisiert waren, wurde Ethylen darin gelöst und die Reaktion gestoppt. Als der Druck gesenkt wurde, verdampfte Ethylen und wurde dann in einem neuen Reaktionszyklus verwendet. Dieses Verfahren war sehr teuer, so dass Polyethylen damals keine nennenswerte Verwendung finden konnte. 1953 entwickelte Zingler ein einfacheres Verfahren zur Herstellung von Polyethylen: Bei wesentlich geringerem Druck wurde Ethylen in Benzin gelöst, dann unter einem Druck von 10 Atmosphären und in Gegenwart eines Katalysators (alkyliertes Titantrichlorid) begann die Polymerisationsreaktion . Mit der Übernahme dieser Produktionsmethode wurde Polyethylen (ein ausgezeichneter Isolator, beständig gegen Säuren) zu einem der am häufigsten verwendeten Kunststoffe. Autor: Ryzhov K.V.
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