Aufgabe 1: Ballistische Schutzwesten · Abitur NRW Chemie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2023

1. Reaktionstyp der Synthese des Polyester-Präpolymers

Lösung: Veresterung / Polykondensation / nucleophile Substitution / Additions-Eliminierungsreaktion

1. Monomere der Synthese des Polyester-Präpolymers

Lösung: Maleinsäure (cis-Butendisäure) und But-2-en-1,4-diol (2-Buten-1,4-diol)

1. Erläuterung der Bildungsreaktion des Polyester-Präpolymers

Lösung: Eine Carboxygruppe des Maleinsäure-Moleküls reagiert mit einer Hydroxygruppe des Buten-1,4-diol-Moleküls unter Abspaltung eines Wasser-Moleküls und Bildung einer Estergruppe.

1. Steuerung der Reaktion zugunsten einer besseren Produktausbeute

Lösung: Entfernen des entstehenden Wassers (z. B. durch azeotrope Destillation oder Trockenmittel) oder Erhöhung der Konzentration eines der Edukte.

2. Erklärung der Teilschritte der radikalischen Polymerisation von Poly-α-methylstyrol

Lösung: 1. Erzeugung von Startradikalen durch homolytische Spaltung des Peroxids (z. B. thermisch oder photochemisch). 2. Kettenstart: Reaktion des Startradikals mit einem α-Methylstyrol-Molekül unter Bildung eines neuen Kohlenstoffradikals. 3. Kettenwachstum: wiederholte Addition weiterer α-Methylstyrol-Moleküle an das wachsende Radikal. 4. Kettenabbruch: Rekombination zweier Radikale oder Disproportionierung zu nicht-radikalischen Endprodukten.

2. Begründung für den Einsatz des Copolymers anstelle von Poly-α-methylstyrol

Lösung: Poly-α-methylstyrol allein bildet lineare Ketten und ist ein Thermoplast, der bei Wärmeeinwirkung (z. B. durch Einschlagsreibung/hohe Temperaturen) schmelzen würde. Durch den Zusatz des Polyester-Präpolymers, welches reaktive Doppelbindungen enthält, entsteht ein engmaschig vernetzter Duroplast, der nicht schmilzt und die Verstärkungsfasern fest einbettet.

3. Vergleich der zwischenmolekularen Wechselwirkungen in Polyaramid und Hochleistungspolyethen

Lösung: Im Polyaramid bilden sich starke Wasserstoffbrücken zwischen den Carbonylsauerstoffatomen und den NH-Gruppen der Amidbindungen benachbarter Ketten sowie Van-der-Waals-Wechselwirkungen (insbes. π-π-Wechselwirkungen zwischen den Benzolringen). Beim Hochleistungspolyethen wirken ausschließlich Van-der-Waals-Kräfte, die jedoch aufgrund der langen, vollkommen unverzweigten Ketten und der dichten, regelmäßigen parallelen Anordnung in Summe sehr stark sind.

3. Erklärung des Einflusses von Verzweigungen in Polyethenketten

Lösung: Verzweigungen in den Ketten verhindern ein enges, paralleles Aneinanderlagern der Makromoleküle. Dadurch verringern sich der Kristallisationsgrad und die Kontaktfläche zwischen den Ketten, sodass die Van-der-Waals-Kräfte deutlich schwächer ausfallen (geringere Zugfestigkeit, wie bei LD/HD-PE im Vergleich zu UHMW-PE).

3. Diskussion der Vorteile des FKV gegenüber Verstärkungsfasern allein

Lösung: Die Verstärkungsfasern besitzen eine extrem hohe Zugfestigkeit in Faserrichtung, bieten aber allein keinen ausreichenden Querzusammenhalt und keine Formstabilität. Die elastische bzw. zähe Einbettung in die Kunststoffmatrix (Duroplast) fixiert die Fasern in ihrer Lage, schützt sie vor mechanischen und chemischen Einflüssen, verhindert das Auseinandergleiten und verteilt die kinetische Einschlagsenergie eines Geschosses großflächig über den gesamten Verbundwerkstoff.

Reaktionsgleichungen und Strukturformelschemata (Teilaufgaben 1, 2 und 3)

Lösung: Teilaufgabe 1: Reaktionsgleichung mit Strukturformeln zur Bildung des Polyester-Präpolymers: Teilaufgabe 2: Reaktionsschemata der Teilschritte der radikalischen Polymerisation von α-Methylstyrol: - Startreaktion: Homolytische Spaltung R–O–O–R $\rightarrow$ 2 R–O• - Kettenstart: R–O• + CH₂=C(CH₃)C₆H₅ $\rightarrow$ R–O–CH₂–C•(CH₃)C₆H₅ - Kettenwachstum: R–O–[CH₂–C(CH₃)C₆H₅]ₙ• + CH₂=C(CH₃)C₆H₅ $\rightarrow$ R–O–[CH₂–C(CH₃)C₆H₅]ₙ₊₁• - Kettenabbruch: Rekombination zweier Radikale. Teilaufgabe 3: Strukturformelausschnitte der zwischenmolekularen Wechselwirkungen: *Polyaramid (Wasserstoffbrücken):* *Hochleistungspolyethen (parallele Ketten mit Van-der-Waals-Kräften):*