Polyreaktionen - Herstellung von Kunststoffen

Thema dieses Films sind die grundlegenden Reaktionen zur Herstellung von Kunststoffen, die Polyreaktionen. Kunststoffe sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Wir bauen und spielen mit ihnen, kleiden uns mit ihnen, transportieren in ihnen unsere Pausenbrote, trinken aus ihnen oder wickeln unsere Lebensmittel darin ein. In diesen Beispielen finden wir bereits die hauptsächlichen Erscheinungsformen, in denen uns Kunststoffe begegnen, als Folie, als Schaum, als Klebstoff oder Lack, als Faser und damit als Ausgangsmaterial für Textilien oder als robustes Baumaterial. Wir wollen einige dieser Materialien selbst herstellen und sehen, was das Wesen der Kunststoffe ausmacht. Die chemische Reaktion, durch die der Kunststoff entstanden ist, heißt Polymerisation. Was es damit auf sich hat, schauen wir uns bei der Synthese eines der am weitesten verbreiteten Kunststoffe an, dem Polystyrol. Ausgangsstoff ist eine farblose Flüssigkeit, das Styrol. Dieser Stoff wurde bereits 1835 entdeckt. Der Apotheker Eduard Simon fand ihn im Harz des orientalischen Amberbaumes. Dieses Harz heißt Styrax. Als Eduard Simon das Harz destillierte, gewann er eine süßlich riechende Flüssigkeit, die er Styrol nannte. Dieses Styrol hat eine seltsame Eigenschaft. Wenn man es ein paar Monate bei Zimmertemperatur stehen lässt, wird es zu einer gallertartigen, dickflüssigen Masse. Der Prozess lässt sich beschleunigen, wenn man das Styrol erwärmt. Seltsamerweise lässt sich aber nachweisen, dass der neue Stoff aus exakt denselben Komponenten besteht wie der Ausgangsstoff, das Styrol. Es ist kein Stoff dazu- oder abhandengekommen. Verändert hat sich nur die Struktur der Moleküle. Styrol besteht aus einem Benzolring und einer zwei Kohlenstoffatome langen Seitenkette mit Doppelbindung, die Vinylrest genannt wird. Wegen dieser Doppelbindung ist Styrol eine ungesättigte organische Verbindung. Die Doppelbindung ist relativ instabil. Schon unter Normalbedingungen, Zimmertemperatur, löst sie sich auf. Die freiwerdende Valenz verbindet sich mit dem nächsten Styrolmolekül, dessen Doppelbindung sich ebenfalls aufgelöst hat. Doch das ist erst der Anfang. Im Laufe der Zeit bildet das Styrol beliebig lange Ketten, deren Glieder alle aus einem Styrolmolekül mit aufgelöster Doppelbindung bestehen. Der Prozess lässt sich beschleunigen, wenn man das Styrol erwärmt. Styrol kann verschiedene Formen annehmen. In diesem Versuch wird Styrolgranulat in einer Hohlkugel gekocht. Nach etwa 15 Minuten ist das Styrol zu einem Riesenmolekül in Form einer Kugel verschmolzen. Ein solches Riesenmolekül nennt man ein Polymer. Seine Einzelteile, also die Moleküle des Ausgangsstoffs, nennt man Monomere. Und der ganze Prozess heißt Polymerisation. Aus der Flüssigkeit Styrol ist durch Polymerisation Polystyrol geworden. Das ist einer der vielseitigsten und am weitesten verbreiteten Kunststoffe überhaupt. Da Polystyrol physiologisch unbedenklich ist, ist es uneingeschränkt für Lebensmittelverpackungen zugelassen. Es ist säure- und laugenresistent, dabei thermisch gut verformbar und wird in vielen Formen für alle möglichen Zwecke verwendet. Wenn man Polystyrolgranulat mit einem Treibmittel, meist Pentan oder Kohlenstoffdioxid, aufschäumt, nimmt es das 40- bis 80-fache Volumen an und bildet einen Stoff, der unter anderem unter dem Handelsnamen Styropor bekannt ist. Er wird als Verpackungs-, aber auch als Wärmedämmungsmaterial eingesetzt. Und auch Legosteine bestehen aus einem Polystyrol. Eine relativ kleine Menge Nitroverdünnung oder Essigsäureethylester reicht aus, um das Polystyrol in diesem Gefäß aufzulösen. Sobald die Polystyrolteilchen mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen, verlieren sie ihre Struktur und Farbe und nehmen deutlich weniger Raum ein. Es entsteht eine zähflüssige Masse, die als Klebstoff zum Beispiel für Legosteine genutzt werden kann. Wenden wir uns nun einem weiteren Stoff zu, den wir im Labor selbst erzeugen können. Wir lösen in einem Becherglas zwei Gramm Adipinsäuredichlorid in 50 Milliliter Petrolether. Darüber schichten wir vorsichtig eine Lösung von drei Gramm Hexamethylenamin und 0,5 Gramm Natriumkarbonat in 50 Milliliter Wasser. An der Grenzschicht zwischen den beiden Flüssigkeiten bildet sich ein weißer Film. Aus diesem können wir langsam einen viele Meter langen Faden herausziehen. Dieser Stoff heißt Nylon. Nylon war die erste vollsynthetische Faser und ist Grundlage für viele Textilprodukte. Wenn man Nylon nicht als Schicht aufrollt, sondern durch eine Düse spritzt, lässt sich eine extrem dünne Faser gewinnen, aus der Textilien gewebt werden können. Wenn die Faser sehr dünn ist, etwas drei Mal feiner als ein Naturseidenfaden, nennt man das eine Mikrofaser. Mikrofasern sind extrem leicht. Eine Mikrofaser, die einmal um die ganze Erde herumgewickelt würde, hätte eine Masse von gerade einmal drei Kilogramm. Die Poren eines Gewebes, dass aus diesem extrem dünnen Fasern gewebt ist, sind 3000 Mal kleiner als ein Wassertropfen, aber 3000 Mal so groß wie ein Wassermolekül. Kleidungsstücke aus Mikrofasern sind daher gleichzeitig wasserabweisend und schweißdurchlässig. Als letztes wollen wir noch eine Polyreaktion beobachten, bei der ein Stoff entsteht, der in der Bauchemie weit verbreitet ist. Aus Ethylenglykol, Wasser und Diisocyanat entsteht, mit Triethyldiamin als Aktivator, Polyurethan. Als PU-Schaum wird dieses zum Ausschäumen von Hohlräumen benutzt. Rekapitulieren wir noch einmal. Kunststoffe entstehen durch Polyreaktionen, deren bekannteste die Polymerisation ist. Polymerisation bedeutet, dass sich in ungesättigten organischen Verbindungen die Doppelbindungen auflösen und die verbleibenden Monomere lange Molekülketten bilden.