Polymeerchemie verzameldictaat

HOOFDSTUK 1 INLEIDINGDoel Behandeling van de terminologie en naamgeving met betrekking tot kunststoffen. Enige aandacht voor toepassingsgebieden en economische aspecten. Kort overzicht van historische ontwikkelingen. 1. ALGEMENE BEGRIPPEN EN NAAMGEVING

De woorden 'plastic' en 'kunststof' zijn verzamelnamen voor het grote en diverse gebied van de synthetische macro-(hoog)-moleculaire verbindingen. Hoewel hoogmoleculaire materialen hun toepassing vinden op alle terreinen van een moderne samenleving, beseft de consument slechts vaag dat er verschil is tussen 'plastic' en 'plastic'. Ook het inzicht in wat wel en wat niet als 'plastic' is te kwalificeren, is zeer gering: een broodzakje is plastic, een 'plastic' emmer ook; maar de verf op de deur, de kleren die men aan heeft, de autoband, zijn deze ook plastics? Om enige lijn te brengen in het diverse gebied van de hoogmoleculaire verbindingen is een juiste naamgeving nodig. Een naamgeving, die zowel wetenschappelijk verantwoord is, maar ook in het dagelijks gebruik geen verwarring schept. Het woord plastic geeft aan dat sprake is van een materiaal dat plastisch te maken is. Dit plastisch (zacht) maken, gebeurt vaak door temperatuursverhogingen; echter niet alle 'plastic-soorten' zijn op deze manier zacht te maken (denk bv. aan bakeliet of het polyester van een boot). Gebruik van het woord plastic is dus niet geheel correct als het gaat om het gehele gebied der macro-moleculaire verbindingen. Hetzelfde geldt voor het gebruik van de aanduiding 'kunststof'; je zou dit kunnen opvatten als het tegenovergestelde van 'natuurlijk'. Dan echter zouden alle niet-natuurlijke produkten (ook de laagmoleculaire organische en anorganische verbindingen) tot deze categorie horen. Of betekent het woord kunststof soms dat het kunstzinnig is om deze materialen te bereiden? Juister en wetenschappelijk verantwoord is het gebruik van het woord polymeer: poly betekent veel en meros is het Griekse woord voor deeltje. Een polymeermolecuul is een molecuul opgebouwd uit veel laagmoleculaire deeltjes (de monomeren oftewel de monomeermoleculen). Als polymerisatiereactie zou je kunnen schrijven: nM

[M ]

n

; hierin is M een monomeermolecuul

[M ]

de aanduiding voor het polymeermolecuul (of: polymeerketen) en n is de polymerisatiegraad van dit molecuul. Deze geeft aan het aantal monomeerresten, dat zich in een molecuul bevindt.n

Vraag 1-1 Welke waarden kan n aannemen? Een monomeereenheid (ook aangeduid als monomeerrest) verschilt in structuur uiteraard van het monomeermolecuul. Voorbeeld:

n H2C=CH > Cl vinylchloride

[H C-CH]2

n Cl poly-vinylchloride (PVC)

Vraag 1-2 Doe hetzelfde voor de bereiding van poly-etheen (PE) uit etheen, en voor poly-propeen (PP) uit propeen. Vraag 1-3 Hoe is de structuur van het uiteinde van een PVC-molecuul? NB.1 Het gebruik van het woord polymeer is correct voor het gehele gebied de hoogmoleculaire verbindingen, of het nu gaat om de biopolymeren (eiwitten (haar, vlees, wol), cellulose (hout, papier, zetmeel), etc.) of om de synthetische polymeren. NB.2 Als je specifiek wil kijken naar enkele monomeereenheden uit een polymeerketen, dan gebruik je als notatie voor de keten: -M-M-M-M; hier geeft de rest van het molecuul aan, wat de lengte ook mag zijn.

Naamgeving In de polymeerchemie gebruikt men veelal nog niet de moderne nomenclatuur. Je zult dus enige aandacht moeten schenken aan de (oude) naamgeving. Zo wordt onder andere gesproken over dicarbonzuur (=dizuur), formaldehyde of formaldehyd (= methanal), polyethyleen (=polyetheen), polypropyleen (=polypropeen). functionele groepen (=karakteristieke groepen) Enkele geheugensteuntjes 1. Als het gaat om een polymeer, dat gevormd is uit monomeermoleculen met een dubbele binding, zet je veelal 'poly' voor de monomeernaam. Voorbeelden: nH2C=CH > -H2C - CHn(IUPAC-naam zou zijn: polycyaanetheen)

CN CN acrylonitril poly-acrylonitril (PAN) CH3 nH2C=C C-OCH3 O methylmethacrylaat >

CH3 H2C - C C O polymethylmethacrylaat (PMMA) (perspex of plexiglas) - OCH3 n

Vraag 1-4 Geef de formule en naam voor het polymeer, bereid uit styreen. Geef ook de IUPAC-naam. 2. Bij de polymerisatiereactie tussen een dizuur en een di-alcohol (diol) ontstaat een polyester. Voor de naamgeving kun je aangeven uit welke

monomeren deze polyester is opgebouwd. nHOCH2CH2OH + nHOOC(CH2)4COOH > OCH2CH2OC(CH2)4C O glycol (1,2-ethaandiol) 1,4 butaandicarbonzuur (hexaandizuur) + (2n-1)H2O

O n polyester uit ....

Vraag 1-5 Wat is de polymerisatiegraad van deze polyester? Welke zijn de eindgroepen van deze polyester? 3. Voor de vorming van een poly-amide (nylon) uit een di-amine en een dizuur geldt hetzelfde als voor 2. O O Algemeen: nH2NRNH2 + nHOOCR'COOH > NHRNHCR'C n Naamgeving nylonsoorten: + (2n-1)H2O

nylon x,y x = totale aantal C-atomen in het diamine y = totale aantal C-atomen in het dizuur

Vraag 1-6 Geef de reactie voor de vorming van nylon 6,10 Idem voor nylon 6,6 Idem voor nylon 6 Vraag 1-7 Welke biopolymeren zijn qua structuur vergelijkbaar met de polyamiden?

2.

HET POLYMEERGEBIED

Hoe groot moet een molecuul zijn om in de categorie van de macromoleculen te vallen? Wat moet de polymerisatiegraad zijn om te kunnen spreken van een polymeermolecuul? Deze vragen zijn niet eenduidig te beantwoorden, daar dit mede samenhangt met de aard der monomeermoleculen. Algemeen kun je zeggen dat je met macromoleculen te maken hebt als de fysische eigenschappen (verwekingstraject, vluchtigheid, e.d.) weinig of niet meer veranderen. Zie bijvoorbeeld onderstaand grafiekje, waarin de vluchtigheid als functie van het aantal C-atomen in de keten is uitgezet, uitgaande van etheen. vluchtigheid polymerisatiegraad > n1: hoogmoleculaire gebied aantal C-atomen

n1 Algemeen kun je stellen dat het molecuulmassa enkele duizenden u moet zijn, wil je spreken over een polymeer. Vraag 1-8 Hoe veranderen de eigenschappen wat betreft fase(-overgangen), als je uitgaand van etheen, het aantal repeterende eenheden in de keten laat toenemen? (faseovergang is bijvoorbeeld smelten). Vraag 1-9 Bereken de lengte van een poly-etheen molecuul met een polymerisatiegraad van 5000. Hoe groot is de molmassa? (antwoord: 140.000). Hoe groot is de verhouding lengte-doorsnede? Is het waarschijnlijk dat een poly-etheen (of algemeen een polymeerketen) keten volledig gestrekt in vast materiaal of in oplossing voorkomt? Motiveer je antwoord. Gegeven: C-C-bindingsafstand is 1,54 . Colloidale oplossingen verstrooien het licht (Tyndall-effect). Deze verstrooiing vindt plaats als de afmetingen van het deeltje golflengte van het ingestraalde licht. Ware oplossingen verstrooien het licht niet, oplossingen van zeer hoogmoleculaire verbindingen doen dit wel. Hun afmetingen moeten dan in de orde van grootte van de golflengte van het zichtbare licht liggen (deeltjes tot een grootte van ca. 1/20e van de golflengte van zichtbaar licht geven nog verstrooiing, en wel een blauwkleuring van de oplossing).

3. a.

CATEGORIEN HOOGMOLECULAIRE VERBINDINGEN De natuurlijke of biopolymeren: eiwitten, nuclenezuren, cellulose, natuurrubber, e.d. Deze hebben normaliter zeer hoge molecuulmassa's (106-108). Een kenmerk van sommige biopolymeren is het feit dat alle moleculen even lang zijn (zelfde Molmassa hebben): ze zijn homodispers. Je kunt dus spreken van een macromoleculaire verbinding (zuivere stof). De halfsynthetische polymeren Dit zijn de chemisch gemodificeerde natuurlijke polymeren; de chemische reactie vindt plaats in n van de zijgroepen van het polymeer, en niet in de hoofdketen. Voorbeelden zijn de modificaties van cellulose (verestering of verethering van de OHgroepen). Bereiden van cellulose-acetaat:

b.

ijsazijn/azijnzuuranhydride

repeterende eenheid in cellulose

repeterende eenheid in cellulose-triacetaat

Cellulosetriacetaat wordt o.a. gebruikt in de fotografische en in de textielindustrie (synthetische vezel). Vraag 1-10 Geef de repeterende eenheden van ethyl-cellulose (veel gebruikt in lakken en lijmen), methylcellulose (als 40% gemethyleerd produkt veel toegepast als indik- oftewel geleringsmiddel in levensmiddelen) en cellulose-butyraat. (Zie voor toepassingen van kunststoffen referentie 2 en 3.) Ook tot de categorie der halfsynthetische polymeren wordt gerekend de 'synthetische' textielvezel rayon. Het bereidingsproces verloopt als volgt:

Het verkregen produkt is de geregenereerde cellulose, oftewel de viscose rayon. Coagulatie via een spinkop levert een textielvezel (natspinproces).

Tijdens het verouderingsproces en de rijpingsfase treedt enige ketenverkorting als gevolg van hydrolyse op. Vraag 1-11 Waarom zou men dit proces uitvoeren? Het eindprodukt is immers hetzelfde als de uitgangsstof. c. De (synthetisch) organische polymeren Dit zijn de synthetische polymeren, die in de hoofdketen C-, N- en O-atomen hebben en niet behoren tot de categorien a. of b. De hoofdketen is opgebouwd uit maximaal drie soorten monomeerresten. Daar bij de polymerisatie niet alle moleculen even groot worden, heb je bij deze categorie te maken met een mengsel van stoffen, een onzuivere verbinding. Niet alle moleculen in een monster hebben dezelfde polymerisatiegraad (heterodisperse stof). Men kan bij een polymeer materiaal dan ook niet spreken van ht molecuulmassa of d I n l s Et ia oqd l nuia t anouE dr-b ld e o .t polymerisatiegraad, maar van de gemiddelde Molmassa (c lh i ceo kr vee iqteo uwn a1) en de gemiddelde polymerisatiegraad. NB. Het zijn de organisch-synthetische polymeren, die in deze module de meeste aandacht zullen krijgen. d. De anorganische polymeren Dit zijn de synthetische polymeren, die andere atomen dan C, N of O in de hoofdketen hebben en niet behoren tot de categorien a. of b. Atomen in de zijketen worden dus niet meegerekend. Voorbeeld: PVC en poly-tetrafluoroetheen (teflon) behoren tot de organische polymeren.

Vraag 1-12 Wat is de monomeerrest in teflon? De tot dusverre bekendste en meest toegepaste anorganische polymeren zijn de polysiloxanen (siliconenrubber): Si en O zijn de atomen in de hoofdketen.

R is meestal -CH3 of een fenylgroep

di-alkyl-silaandiol

poly-siloxaan

Het voordeel van deze silicon-polymeren is hun grote flexibiliteit over groot temperatuursgebied (zeer geschikt als afdichtingsmateriaal in technologisch hoogwaardige apparatuur) en hun grote bestendigheid tegen oxiderende stoffen (O3), hoge temperaturen (denk aan siliconenolie) en UV-licht. In technische termen heet dit: het materiaal veroudert niet snel. 4. GRONDSTOFFEN

De leveranciers van grondstoffen zijn: a. De natuur Alle basisgrondstoffen voor de halfsynthetische polymeren worden uit de natuur gehaald (vivochemie).

Geleverd wordt bijvoorbeeld natuurrubber, cellulose, het melkeiwit casene. Natuurrubber wordt gevulcaniseerd (behandeling met zwavel bij hoge T), cellulose wordt gemodificeerd en casene geeft na reactie met formaldehyd (methanal) het vroeger veel gebruikte kunsthoorn (casene-formaldehyd). b. De steenkoolindustrie (carbochemie) De behandeling van cokes met stoom levert het zogenaamde synthesegas: C (s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g) Dit synthesegas kan via chemische processen omgezet worden tot monomeer-moleculen. Zo wordt bijvoorbeeld in het stikstofbindingsbedrijf van DSM CO omgezet in ureum (H2N-C-NH2), n van de monomeren voor de bereiding van het 'geharde' plastic ureumformaldehyd (stopcontacten, stekkerdozen, telefoontoestellen, e.d.) De aardolie (en aardgas-)industrie: de petrochemische industrie De aardoliekraakprodukten met een gemiddelde samenstelling van heptaan (de zogenaamde nafta) worden in volgende kraakprocessen omgezet tot monomeermoleculen (voornamelijk etheen en propeen). De petrochemische industrie is verreweg de grootste leverancier van grondstoffen voor polymeren. NB. Het feit dat DSM zijn grondstoffen voor een groot deel uit aardgas (was goedkoop) haalt, heeft de winst in de goedkope aardgasjaren aanzienlijk doen zijn.

c.

5.

DE HISTORISCHE ONTWIKKELING VAN (HALF)SYNTHETISCHE KUNSTSTOFFEN (referentie 4, 5 en 6)

De eigenschappen van polymere materialen en oplossingen, zoals het elastisch gedrag, de sterkte, de hoge viscositeit, e.d. zijn een direct gevolg van de macromoleculaire structuur. Wel spelen net als in laagmoleculaire verbindingen intermoleculaire krachten een rol; deze zijn echter niet bepalend voor de karakteristieke eigenschappen. Deze eigenschappen, die nooit mogelijk zouden zijn voor fysische associaten van kleine moleculen (o.a. collodale oplossingen), maar slechts af te leiden zijn als men uitgaat van een groot aantal kleine moleculen, die door middel van echte chemische bindingen (covalente bindingen) aan elkaar vast zitten in n groot molecuul. Het heeft tot ca. 1930 geduurd voordat men algemeen tot dit inzicht was gekomen. Het systematische, baanbrekende werk werd in de jaren twintig uitgevoerd door met name de Duitse hoogleraar Staudinger; deze kreeg hiervoor dan ook in 1953 de Nobelprijs. Het is op zijn minst opmerkelijk dat niet eerder met wetenschappelijk onderzoek op vrij grote schaal gestart werd, maar beperkt bleef tot enkele onderzoekingen van individuele wetenschappers: 1) de mens heeft vanaf haar ontstaan hoogmoleculaire materialen gebruikt; 2) de zeer visceuse (hoogmoleculaire) nevenprodukten van de organische syntheses werden als waardeloos beschouwd. Het begrip macromolecuul paste niet in het denken van de wetenschappers uit de vorige en het begin van deze eeuw. De polymeren werden dan ook op grond van hun eigenschappen ingedeeld in de categorie de colloden (glue-like): oplossingen waren zeer visceus, kleverig (glue=lijm); oplossingen vertoonden het Tyndall-effect; colligatieve eigenschappen waren zeer slecht waarneembaar. Hoewel men in het verleden niet wist wat de chemische samenstelling was van de hoogmoleculaire materialen, werd wel dankbaar gebruik gemaakt van hun toepasbaarheid op velerlei terreinen. In eerste instantie ging dit alleen om natuurlijke polymeren: wol, natuurzijde (poly-amiden); vlas, hout, katoen (cellulose); natuurrubber. In de vorige eeuw kwam de produktie van de halfsynthetische kunststoffen op gang. Omstreeks 1840 vulcaniseerde de Amerikaan Goodyear natuurrubber door bij hoge temperatuur enkele % zwavel met de natuurrubber te laten reageren. Gebruikte men meer zwavel dan verkrijgt men als produkt eboniet (1852). In 1847 werd voor het eerst cellulosenitraat geproduceerd door cellulose te behandelen met een mengsel van H2SO4 en HNO3. Dit mengsel heet koningswater. Je gebruikt het voor de bereiding van onder meer schietkatoen. Vraag 1-13 Geef de reactievergelijking die de bereiding van schietkatoen weergeeft. Het duurde tot 1869 voordat het cellulosenitraat in produktie kon worden genomen: de Amerikaan Hyatt ontdekte dat toevoeging van kamfer de verwerkbaarheid veel beter maakte (de eerste toepassing van een weekmaker). Het weekgemaakte cellulosenitraat werd o.a. gebruikt voor de produktie van de fotografische film (celluloid) en als textielvezel. Gezien echter de grote brandbaarheid van deze verbinding was dit geen overweldigend succes. In de jaren daarna werden nog enkele cellulosederivaten gesynthetiseerd (cellulose-acetaat en methyl-cellulose). Cellulosederivaten vind je verder in 'namaakvetten', deze vetten worden niet door het lichaam verteerd en als lichte vorm van diarree uitgescheiden. Luiers en maandverband zijn ook cellulosederivaten. Het was omstreeks 1908 toen de naar Amerika gemigreerde Belg Baekeland (Bakelite=bakeliet) het eerste geheel synthetische polymeer bereidde onder gecontroleerde omstandigheden. Hij ging uit van fenol (overmaat) en formaldehyd (methanal) onder zure/basische omstandigheden; het proces verloopt in enkele stappen:

Aangezien in fenol zowel de paraplaats als de orthoplaatsen geschikt zijn voor elektrofiele substitutie blijft het produkt niet beperkt tot een dimeer, maar is het normale produkt een 'keten' met zo'n 5 6 benzeenringen:

Het verkregen produkt kan in verband met de geringe ketenlengte nog geen polymeer noemen; het is het voorprodukt (prepolymeer) waaruit in de laatste stap het polymeer wordt bereid. Dit gebeurt door nog extra toevoeging van formaldehyd (meestal in de vorm van het hexamethyleentetra-amine*) en bij hoge temperaturen. Alle reactieve ortho- en para-plaatsen worden met elkaar verbonden tot een driedimensionaal netwerk: het fenolformaldehyd oftewel het bakeliet. Reactie:

De prepolymeren zijn oplosbaar en smeltbaar, het driedimensionale netwerk niet. Het prepolymeer vindt voornamelijk zijn toepassing als lak (novolak) en lijm: het prepolymeer wordt gemengd met het hexamethyleentetra-amine en vervolgens op het te lakken of lijmen oppervlak gebracht. Het driedimensionale produkt vormt een zeer goede coating. NB. Het hexamethyleentetra-amine wordt gebruikt om 2 redenen: 1) bij de vernettingsreactie komt geen water vrij; dit zou wel het geval zijn als formaldehyd gebruikt werd; 2) de base NH3 treedt op als katalysator voor de vernettingsreactie. Vraag 1-14 Geef het reactiemechanisme voor de vorming van het dimeer van bakeliet. Toen omstreeks 1920 Staudinger met zijn theorie van het macromolecuul kwam, ontmoette dit zeer veel weerstand: de wetenschappers waren net gewend aan de afmetingen van moleculen en atomen. Verder was het tot die tijd steeds onmogelijk geweest eindgroepen aan te tonen (de analysemethoden waren nog niet verfijnd genoeg). De theorie van de fysische associaten (M)n, n kleine moleculen M door fysische interacties bij elkaar gehouden, was

dan ook veel acceptabeler. De onmogelijkheid van het bepalen der eindgroepen leidde ook tot veronderstellingen omtrent ringstructuren. Een voorbeeld hiervan is een ringstructuur voor 'poly-styreen':

De theorie der fysische associaten werd door Staudinger c.s. ontkracht: als natuurrubber gehydrogeneerd of gebromeerd werd, verdween het collodale karakter van het systeem niet. (de repeterende eenheid in natuurrubber is: Ook de viscositeit van de oplossingen van hoogmoleculaire produkten was veel te hoog in vergelijking met echte collodale oplossingen. Staudinger deed systematisch onderzoek aan poly-styreen en poly-etheenoxide ( -CH2-CH2-O- ): eindgroepbepalingen wezen op zeer grote molmassa's. Rntgendiffractie leverde aanvullende bewijzen voor de macromoleculaire structuren. Carrothers bracht de theorie van Staudinger min of meer in praktijk: hij synthetiseerde polyamiden uit bekende laagmoleculaire organische verbindingen en bekeek de verandering in fysische eigenschappen. De synthetische textielvezel 'nylon' is n van de uitkomsten van zijn werk. Carrothers concludeerde dat polymerisatie zeer goed mogelijk is als: 1) het monomeer zuiver is; 2) het monomeer bifunctioneel is; 3) de omzettingsgraad van het monomeer nagenoeg 1 is. Vraag 1-15 Wat verstaat men onder functionaliteit van een verbinding? Wat is het verband met karakteristieke groepen? Na 1930 infiltreren de theoretici het gebied der macromoleculen. Kuhn komt met statistische beschouwingen omtrent molecuulconformaties en molecuulmassaverdelingen. Een zeer stevige theoretische basis werd gelegd door Flory (Nobelprijs in 1974), met name op het terrein van de thermodynamica van polymeren en van de kinetiek. Tegelijkertijd begon ook de commercile ontwikkeling. Sinds 1930 zijn er honderden polymeersoorten gemaakt; een deel hiervan is echter slechts economisch aantrekkelijk. De meest gebruikte polymeersoorten zijn PVC, PS en de categorie der poly-olefinen. Vraag 1-16 Welke polymeren behoren tot de categorie der poly-olefinen? Wat verstaat men onder de conformatie van een molecuul?

6.

ENKELE ECONOMISCHE ASPECTEN

6.1 Waardoor heeft een sterke ontwikkeling in de kunststofindustrie plaatsgevonden? a. De prijs (beste eigenschap van een produkt) per volume-eenheid is laag in vergelijking met andere materialen: Materiaal roestvrij staal geel koper zink Al gietijzer nylon 6,6 PMMA PVC PS PP PE Soortgelijke massa (g/cm3) 7,9 8,8 7,1 2,7 7,8 1,13 1,20 1,40 1,05 0,90 0,95 prijs/volume-eenheid (relatieve getallen) 14 12 6 3 1 4 2 0,8 0,5 0,5 0,5

Uit de tabel volgt dat de kunststoffen een lage dichtheid hebben; het zijn dus 'lichte' materialen. b. De eigenschappen zijn aantrekkelijk 1) fysische eigenschappen: elektrische isolatoren non-corrosief vaak zeer transparant goed te kleuren slag- en treksterkte is goed (slechter dan van de meeste metalen.) de vormgeving is zeer goed (plastische vormgeving)

2) materiaal-eigenschappen:

Verder heeft men de mogelijkheid om gewenste eigenschappen te realiseren via: - het maken van copolymeren (zie verderop); - het mengen van polymeren; - het bijvoegen van stoffen als glasvezel, textielresten, houtmeel, klei, kalk, enz. (dit kan tot gevolg hebben dat de kunststof goedkoper wordt); - het regelen van het molecuulmassa bij het polymerisatieproces. Je zou dus kunnen zeggen dat men in staat is voor een toepassingsgebied een 'op maat gesneden polymeer' (Taylor-made Polymer) kan maken. Tot de meest recente ontwikkelingen moeten de zeer sterke vezels worden gerekend. Namen als Aramide- en Kevlar-vezels kom je steeds vaker tegen. Vakdidactiek

De wijze van introductie van het onderwerp kunststoffen zal afhangen van het schooltype en de theoretische bagage van de leerlingen. Een inleiding die altijd aan te bevelen is, behelst het dagelijks gebruik van plastics door leerlingen of door hun omgeving. Het is in deze introductiefase goed de grote verscheidenheid in plastics te benadrukken. Hiertoe kan een soort stoffenpracticum georganiseerd worden, waarin zowel leerlingen als leraar allerlei (volgens hen) plastic voorwerpen demonstreren. Voorwerpen waarvan ook meteen duidelijk is waarvoor ze worden gebruikt. Na deze introductie zou je kunnen ingaan op enkele chemische, fysische en materiaaleigenschappen: dichtheid, verwekingsgedrag, brandgedrag, hardheid, flexibiliteit, enz. Zie hiervoor ook het practicum 'herkennen' (proef I.2). In het MAVO\VBO kun je met name de materiaaleigenschappen en verwerkbaarheid benadrukken en aansluiten bij de kerndoelen m.b.t. vaardigheden: hoe zaag je het, hoe wordt het gelijmd, hoe vindt vormgeving plaats, e.d. Als de leerlingen al wat meer theoretische voorkennis bezitten, kun je een link kunnen leggen naar bv. de organische chemie en toewerken naar het begrip 'macromolecuul' (zie ook hoofdstuk II). Probeer zoveel mogelijk de leerlingen zelf bezig te laten zijn: practicum, uitzoeken waar iets wordt toegepast en welke eigenschappen bij dat toepassingsgebied behoren, hen naar bedrijven laten schrijven voor informatie, enz. Een projectachtige benadering is goed mogelijk. Ook kun je leerlingen attenderen op het feit dat n kunststofsoort in diverse verschijningsvormen voorkomt: poeders, korrels, bulkmateriaal, folie, vezels. Een proefje om dit te illustreren is bijvoorbeeld: los wat PS op in dichloormethaan precipiteer dit in bv. methanol drogen korrels of bulkmateriaal > kwezelachtig (niet doorzichtig) oplossen > folie maken > folie oplossen > precipitatie transparant > vezelachtig Zie voor de uitvoering proef I.1 van het practicum. Vormgevingsprocessen (extrusie, persen, spuitgieten, e.d.) kun je aansluitend behandelen. De leerlingen kunnen ook zelf proefjes uitvoeren: trekken van een nylon- en/of PE-draad, maken van een plaatje, enz. In het studiecentrum is een diaserie over vormgevingsprocessen aanwezig.

REFERENTIES BIJ HOOFDSTUK 1 1. 2. 3. 4. 5. Boek 'Polymeerchemie', hoofdstuk 1 + 2.1 Boek 'Plastics', Schouten/Vd Vegt Boek 'Kunststoffen', J.F. Kohlwey Boek 'Principles of polymer chemistry', P.J. Flory Artikel 'Fundamenteel en toegepast onderzoek aan macromoleculen', H. Janeschitz-Kriegl; Plastica, 22 (1969) 6 6. J. of Chemical Education, vol. 58 (7), 1981, blz. 527-536 7. Chemie Overal 6V 8. Fundamentals of organic Chemistry, John McMurry Algemeen te gebruiken i. Polymeerchemie, G. Challa ii. Artikel 'Kunststoffe, Aufbau, Eigenschaften und Verwendungsmglichkeiten', Helmut Hackbarth; Der Chemieunterricht Jg. 2 (1971) Heft 1 iii. Tijdschrift 'Chemistry' vol. 51 no. 5 (1978); blz. 6, 17 en 28 iv. Tijdschrift 'Journal of Chemical Education', no. 50 (1973) v. Het Chemisch Weekblad (magazine), juni 1977: een nummer over polymeren vi. J. of Chem. Education, vol. 55 (3), 1978, blz. 177 vii. J. of Chem. Education, vol. 50 (11), 1973, blz. 736 Vakdidactiek a. Kijk goed in de schooltijdschriften als: - Education in Chemistry - J. of Chem. Education - School Science review - Praxis der Naturwissenschaften/Chemie - Der Chemie Unterricht - MNU b. Bedrijven zijn vaak bereid folders, monsters en ander materiaal toe te zenden

HOOFDSTUK 2 EEN NADERE KENNISMAKING MET SYNTHETISCHE POLYMEREN EN DE POLYMERISATIEREACTIEDoel Behandelen van enkele categorien polymeren. De polymeriseerbaarheid van monomeren beschouwen. Enige aandacht schenken aan de stereoregulariteit. 1. HET MONOMEER

Een polymeermolecuul ontstaat als een zeer groot aantal monomeermoleculen door middel van chemische bindingen aan elkaar worden geknoopt: nM [M]n. Hiervoor is het nodig dat een monomeermolecuul minstens twee karakteristieke groepen heeft, die in het polymerisatieproces reactief zijn. Vraag 2-1

Wat verstaat men onder een karakteristieke groep? Wat is de relatie met functionele groep? Voorbeeld: 1) 2) H2NRCOOH + H2NRCOOH monomeer dimeer + monomeer dimeer + dimeer trimeer + monomeer dimeer trimeer . . enz. enz. > OH H2NRC-N-RCOOH + H2O trimeer + water tetrameer + water tetrameer pentameer + water hexameer polymeer

> > >

3)

>

NB. De met elkaar reagerende COOH- en NH2-groepen heten complementaire karakteristieke groepen. Het bifunctionele aminozuur is dus te polymeriseren. Elk gevormd deeltje in de polymerisatiereactie bezit steeds twee karakteristieke groepen en kan dus verder reageren totdat het polymerisatieproces gestopt wordt. Ook de dubbele binding in een monomeermolecuul is als bifunctioneel te beschouwen: H CH2- CHX .CH2-C. X Als de dubbele binding eenmaal open is (initiatieproces) blijft het gevormde deeltje actief totdat het radicaaluiteinde verdwijnt (terminatie). Elk deeltje hoeft dus niet gedurende het gehele polymerisatieproces actief te zijn. Dit in tegenstelling tot het hierboven beschreven proces. NB. Radicaal is zeer reactief elektron. Vraag 2-2 Geef de functionaliteit van de volgende verbindingen ten aanzien van een polymerisatiereactie: etheen glycol (1,2-ethaandiol) ethyn O 1,6 diaminohexaan C ureum -C O (MZA) maleinezuuranhydride > -C 1,3 butadien C O Vraag 2-3 a. Wat voor produkt ontstaat als je glycerol (1,2,3-propaantriol) laat reageren met hexaandizuur? Geef het reactieschema. b. Welk produkt ontstaat als MZA met water reageert? Verder eisen, die je moet stellen aan het monomeer, wil het polymeriseerbaar zijn, zijn:

a) b)

Het moet zuiver zijn; er mogen bijvoorbeeld geen monofunctionele moleculen aanwezig zijn in het reactiemengsel. De reactiesnelheid moet voldoende hoog zijn; met name in de industrie is dit belangrijk vanuit economisch oogpunt; ook is de kans op storende nevenreacties groot als het proces lang duurt.

Vraag 2-4 a. Licht eis a) toe. b. Hoe kun je de reactiesnelheid van de polymerisatie benvloeden? c) Het monomeer moet thermodynamisch polymeriseerbaar zijn. Dit houdt in dat G voor de polymerisatiereactie negatief moet zijn. We zullen de radicaalpolymerisatie als voorbeeld bespreken. Bij deze beschouwing tellen alleen de actieve moleculen mee: M' + M M-M' M'=actief molecuuleinde H CH2CHXCH2-C. X

H CH2-C. + CH2=CHX X

In de uitdrukking voor de vrije enthalpie voor de reactie, G=H-TS, is H de reactiewarmte en S de entropieverandering als een monomeermolecuul deel gaat uitmaken van een lang molecuul. Vraag 2-5 Voor een polymerisatiereactie geldt normaal dat HTpl? b. Welke eisen moet men stellen aan de reactiecondities als het gaat om de polymerisatie van een vinylmonomeer? Vraag 2-7 Ga de thermodynamische polymeriseerbaarheid na voor: a. H>0 en S0 en S>0. Dit heeft o.a. te maken met de vorm waarin het monomeer voorkomt. Zo komt zwavel voor in de vorm van 'stijve' S8-ringen, die grote intermoleculaire krachten op elkaar uitoefenen (zie ook proef II.5). Wil zo'n polymeer polymeriseerbaar zijn, dan moet gelden: H X hv H CH2-CHX-CH2-C. + H. X (1)

Het hierop volgende depolymerisatieproces zou als volgt beschreven kunnen worden: H CH2-CHX-CH2-C. X T>Tpl > H CH2-C. + CH2=CHX X (2)

Men kan een polymeer beschermen tegen afbraak door reactie (1) niet op te laten treden bij T pl. Een thermisch stabielere groep kan een oplossing geven. Zo is poly-oxymethyleen T (poly-formaldehyd) gestabiliseerd door verestering of verethering van de OH-eindgroepen: CH3OH CH2-O-CH2-OH CH3COOH CH2-OCH2-OCCH3 + H2O O CH2-O-CH2OCH3 + H2O

NB. Het poly-formaldehyd is een zeer hoogwaardig transparant plastic, dat veel toegepast wordt als vervangingsmiddel voor metalen in bijvoorbeeld auto-accessoires. Delrin is de commercile naam voor het door Du Pont geproduceerde poly-acetaal. Ook kan men een polymeermolecuul beschermen tegen afbraak door een toevoeging die hoogenergetische straling afvangt. Aan polyetheen voegt men vaak wat fijn verdeelde koolstof toe (zwart landbouwplastic). Vraag 2-10 Welke polymeer zal stabieler zijn tegen afbraak: PMMA of PE? NB. Afbraak of degradatie is dus wat anders dan depolymerisatie. Bij het laatste proces wordt het monomeer teruggewonnen en kan opnieuw gebruikt worden (recycling), bij het eerste proces ontstaan brokstukken van allerlei soort en grootte. PMMA en nylon-6 lenen zich goed voor depolymerisatie bij hoge temperatuur: thermische depolymerisatie (zie proef II.7).

3.

SOORTEN POLYMEREN

3.1 Lineaire polymeren Indien bifunctionele monomeren gepolymeriseerd worden, ontstaan lineaire polymeermoleculen. Voorbeeld: O O HOOCRCOOH + HOR'OH > [C-R-C-O-R'-O] + H2O Lineair wil zeggen dat op de keten geen andere groepen voorkomen dan in het monomeermolecuul. Is het lineaire polymeer opgebouwd uit n soort monomeerrest, dan spreekt men van een homopolymeer. Een voorbeeld is polypropeen. Bestaat de repeterende eenheid uit twee monomeereenheden (zeg A en B) dan heeft men een copolymeer. We onderscheiden de volgende soorten copolymeren: a) statistische copolymeren ABBAAABABBBA b) alternerende copolymeren ABABABABABAB c) blokcopolymeren AAAAAAA BBBBBBB d) entcopolymeren AAAAAAAAAAAA BBBBBBBBBB Vraag 2-11 Welke repeterende eenheid onderscheid je in het geval b)? Vraag 2-12 Geef van elke soort copolymeer een voorbeeld. De fysische en mechanische eigenschappen van copolymeren zijn een afspiegeling van de verhouding, waarin de monomeereenheden voorkomen en de manier waarop ze gerangschikt zijn in het molecuul. Dit biedt talloze mogelijkheden tot het maken van kunststoffen met specifieke eigenschappen. Zo heeft het statistische copolymeer, opgebouwd uit 10% vinylacetaat en 90% vinylchloride de taaiheid van PVC en de hittestabiliteit van vinylacetaat. Ook is het copolymeer beter oplosbaar in organische oplosmiddelen dan het slecht oplosbare PVC. Ook voor de vervaardiging van synthetische rubbers gaat men veelal uit van meerdere monomeren. Momenteel bestaat ook de mogelijkheid kunststoffen te maken met 3 monomeerresten, de zogenaamde terpolymeren. Een goed voorbeeld hiervan is het terpolymeer AcrylonitrilButadienStyreen(ABS)-polymeer. Het is een entpolymeer van het copolymeer uit acrylonitril en styreen op een poly-butadien-hoofdketen. Het onderscheid zich van polystyreen door een veel betere slagvastheid en een hogere temperatuurs- en chemicalin-resistentie. Alle genoemde lineaire polymeren behoren tot de categorie der Thermoplasten (TP). Dat houdt in dat deze produkten boven een bepaalde temperatuur zacht (plastisch) worden en in deze toestand in iedere gewenste vorm kunnen worden gebracht. De hiervoor gebruikte technieken zijn persen, spuitgieten en extrusie (zie de diaserie: Technieken van de plasticverwerking. Bibliotheek of studiecentrum). Vraag 2-13 a. Kun je bij TP van een smeltpunt spreken? Licht het antwoord toe. b. Kun je macromoleculen in de dampfase brengen? c. Zijn lineaire polymeermoleculen oplosbaar?

3.2 Vertakte polymeren Deze ontstaan als onder bepaalde condities op een lineaire keten groepen worden aangebouwd, die niet in het monomeer voorkomen. Zo kun je het polymeer -C-C- niet tot de vertakte polymeren rekenen als het C C C gemaakt is uit het monomeer 3-methylbuteen-1. Was het monomeer echter etheen dan behoort het produkt wel tot de categorie der vertakte polymeren. Ter illustratie wordt de polymerisatie van etheen behandeld. Deze kan op twee manieren uitgevoerd worden, welke tot een verschillende vertakkingsgraad leiden: 1) Hoge temperatuur en hoge druk (ca. 1500 atm (1500 bar) Bij deze reactieomstandigheden is het goed mogelijk dat op een reeds gevormde keten reactieve plaatsen ontstaan, die aanleiding geven tot veel vertakking. Deze reacties zijn als volgt voor te stellen: HHHH C-C-C-C HHHH HHHH C-C-C-C H HH T > HHHH C-C-C-C H HH

+

H

+ CH2=CH2

>

HHHH C-C-C-C H HH CH2 CH2

Op de keten ontstaat dus groepen (van velerlei grootte), die niet in het monomeer aanwezig zijn. Gemiddelde komen zo'n 3 vertakkingen per 100 C-atomen voor. Het produkt wordt Lage Dichtheid PolyEtheen (LDPE) genoemd. 2) Lage temperatuur en een heterogene katalysator (de door Ziegler en Natta ontwikkelde katalysator uit TiCl4 en Al(C2H5)3). Het polyetheen vertoont slechts weinig vertakkingen (ca. 0,5 per 100 C-atomen). Het is de zogenaamde Hoge Dichtheid PolyEtheen (HDPE).

Dat de mate van vertakking invloed heeft op de chemische, fysische en mechanische eigenschappen volgt uit de volgende tabel. HDPE dichtheid kristallisatiegraad UV-gevoeligheid chemische resistentie treksterkte*)*)

LDPE 0,90 g/cm3 60-80% sterk matig 100 kg/cm2

0,96 g/cm3 tot 95% gering goed 300 kg/cm2

de kracht, die per oppervlakte-eenheid moet worden uitgeoefend om het materiaal te breken.

Vraag 2-14 a. Verklaar de goede chemische resistentie van HDPE ten opzichte van LDPE. b. Polyetheen materialen, die buitenshuis gebruikt worden zijn vaak 'opgevuld' met actieve kool(roet). Wat zou de functie van de kool zijn? Ook de vertakte polymeren behoren tot de thermoplasten; ze kunnen ook bestaan uit meerdere monomeersoorten. 3.3 Netwerk polymeren Ga je bij de polymerisatie uit van minstens n monomeer met meer dan twee functionele groepen, dan krijg je een netwerkpolymeer. Je kunt bij dit polymere produkt niet meer spreken van afzonderlijke moleculen, maar eigenlijk is n groot reuzenmolecuul verkregen (een paramoleculaire structuur). Voorbeeld: reactie tussen een triol en een dizuur. HO-R-OH + HOOCR'COOH OH OH OROCR'C O O

Het primair gevormde produkt bestaat uit lineaire polyester moleculen, die nog 'vrije' OHgroepen op de keten hebben. Deze OH-groepen kunnen na reactie met zuurgroepen aanleiding geven tot verbindingsstukken tussen verschillende lineaire polymeermoleculen:

COOH OH OROCR'COROCR'C OH O O COOH COOH OH O O OROCR' COROCR' C O O OH COOH De verbindingsstukken tussen de diverse polymeermoleculen heten crosslinks; deze zijn in een netwerkpolymeer volkomen willekeurig geplaatst en zijn van diverse lengten. (Probeer inzicht in een netwerkstructuur te krijgen door met molecuulmodellen te werken; ook zou je paperclips als monomeermoleculen kunnen nemen.) Een bekend netwerk polymeer is ureumformaldehyd. Het wordt als isolatieschuim in spouwmuren gebruikt. Als lijm vindt het veel toepassing in de meubelindustrie (multiplex, triplex, spaanplaat). De polymerisatiereactie verloopt in twee stappen: a) bereiding van het prepolymeer b) de vernettingsreactie (uithardingsreactie) ad a) H H N H+ C=O + H2CO (overmaat) > N H H ureum formaldehyd (= methanal) H N C=O N HOH2C CH2OH Het resultaat is een 3-dimensionaal netwerk, dat ook als volgt schematisch is weer te geven:

H

Afhankelijk van concentratie, temperatuur en pH worden n, twee of drie H-atomen vervangen door methylalcoholgroepen. Het prepolymeer kan eventueel ook moleculen van enkele ureumeenheden bevatten. Deze zijn dan ontstaan zoals beschreven onder ad b) ad b) HOCH2-N-C-N-CH2-OH + HN HOH > HOCH2-N-C-N-CH2-N HOH + H2O

Deze reactie is concurrerend met de volgende: HOCH2-N-C-NCH2-OH HO-CH2N > HOCH2-N-C-N-CH2-N + CH2O + H2O HOH H HOH H

Naarmate meer groepen reageren, wordt het netwerk dichter en het materiaal harder. Het volledig uitgeharde produkt is 'onsmeltbaar' en onoplosbaar. Het behoort net als alle netwerkpolymeren tot de categorie der thermoharders (TH). Deze zijn in tegenstelling tot de TP niet te verweken; de vormgeving moet dan ook tegelijk met het uithardingsproces verlopen. Hierbij worden prepolymeer plus toevoegingen in een gewenste matrijs gebracht en na vernetting is de gewenste vorm verkregen (bijvoorbeeld een TV-toestel van bakeliet of een telefoontoestel van ureumformaldehyd). TH zijn meestal erg bros, daarom bevatten deze kunststoffen meestal vulstoffen (houtmeel, katoenflinters, klei, glasvezel). NH2 Vraag 2-15 C Ga na welke reacties er verlopen tussen melamine N N C C-NH2 H2N N en formaldehyd. Vergelijk de eigenschappen van melamineformaldehyd met die van ureumformaldehyd. Vraag 2-16 a. Welke nadelen zitten er vast aan het uitharden van ureumformaldehyd in een matrijs? b. Wat gebeurt er als een TH sterk wordt verhit? c. Wat is het verschil in eigenschappen tussen een wijdmazige (klein aantal lange crosslinks) en een nauwmazige (veel korte crosslinks) TH? 3.4 Ladderpolymeren De polymeermoleculen bestaan uit twee lange ketens, die verbonden zijn door crosslinks van gelijke lengte; bovendien zitten de crosslinks op gelijke afstand van elkaar. Schematisch is dit als volgt aan te geven:

Ladderpolymeren zijn evenals TH chemisch en thermisch vrij stabiel; ze zijn echter in principe wel oplosbaar en verweekbaar (in de praktijk blijkt dit niet altijd op te gaan in verband met de sterke intermoleculaire krachten). Een voorbeeld van een anorganisch ladderpolymeer is asbest. De algemene formule voor het anion is de volgende:

Asbest is een verzamelnaam voor een aantal vezelachtige, minerale silicaten; de naam is uit het Grieks afkomstig en betekent zoveel als 'niet-brandbaar'. De verschillende asbestsoorten bevatten verschillende tegenionen in bovenstaand anion. Zo bevat de meest gewonnen soort, chrysoliet (witte of grijze asbest). Mg als tegenion en het crocidoliet (blauwe asbest) Na en Fe als kation. Asbest wordt voornamelijk gebruikt als brandbeschermingsmateriaal in brandweerpakken en brandvrije verpakkingsmiddelen. Asbest heeft namelijk een zeer slecht warmtegeleidingsvermogen, hoge temperatuursbestendigheid (smeltpunt > 1500oC) en is onbrandbaar. Ook wordt het wel gebruikt als versterkingsmateriaal in cement en kunststoffen. De verwerking van asbest brengt nogal wat gevaren met zich mee: zeer kleine asbestvezeltjes veroorzaken soms bij asbestverwerkers een vorm van longkanker (asbestose). De regering is dan ook met een Asbestbesluit gekomen waarin de verwerking van asbest in principe verboden wordt.

4.

CONFORMATIES EN CONFIGURATIES VAN POLYMEERMOLECULEN

Vraag 2-17 Wat is het verschil tussen de configuratie en de conformatie van een molecuul? 4.1 Conformatie De eindpuntsafstand in een volledig gestrekt PE-molecuul met een polymerisatiegraad van 5000 is 1,26m (uitgaande van een bindingshoek van 109,5o en een C-C-bindingsafstand van 1,54). De dikte van de keten is ca. 1,5 x 10-3m. In de gestrekte toestand komt een molecuul maar zelden voor; het molecuul is meestal ineengekronkeld tot een 'kluwen' van ca. 40m (dit is afhankelijk van de omstandigheden en Molmassa). Dus de conformatie is de kluwen en niet de gestrekte zig-zag-keten. Vraag 2-18 Zal de conformatie van een polymeermolecuul steeds dezelfde zijn? Waardoor kunnen veranderingen optreden? 4.2 Configuratie (ref. 4) In een polymeermolecuul zitten zeer veel C-atomen die een chiraal centrum vormen: H H H * * CH2-C -CH2-C -CH2-C* Z Z Z Deze hebben de d- of l-configuratie. (in nieuwe termen: R,S-configuratie) Als we de gestrekte zig-zag-keten bekijken met de C-atomen van de hoofdketen in n vlak, dan zijn er wat betreft de ordening van de groep Z drie mogelijkheden; deze zijn aangegeven in figuur II.1 op de volgende pagina. 1. 2. 3. Alle C*-atomen hebben f d- f een l-configuratie; het polymeer is isotactisch (tacticiteit=rangschikking). De C*-atomen hebben alternerend een d- en l-configuratie; het polymeer is syndiotactisch. De d- en l-configuraties zijn willekeurig verdeeld over de C*-atomen (atactisch).

Het komt niet voor dat een polymeermolecuul geheel isotactisch of syndiotactisch is (behalve bij biopolymeren; daar is slechts de l-vorm aanwezig); er is slechts sprake van isotactische of syndiotactische stukken. Deze stereometrisch regelmatige opbouw noemt men de stereoregulariteit van een molecuul. Deze is van grote invloed op de mogelijkheid tot kristallisatie: slechts stereoregulaire polymeren kunnen in principe uitkristalliseren. De kristallisatiegraad benvloedt sterk de fysische en mechanische eigenschappen; zo is isotactisch poly-propeen (i-PP) bij kamertemperatuur een hard, sterk materiaal en atactisch poly-propeen (a-PP) een zacht stopverfachtig materiaal. 4.3 Hoe ontstaat een stereoregulair molecuul? Stel je een groeiende keten voor in een radicaal polymerisatieproces van het monomeer H CH2=CHX. Zeg dat het groeiende uiteinde, CH2-C X een d-configuratie heeft. Het volgende monomeer dat aangroeit kan een d- of l-configuratie geven. Beide mogelijkheden zullen met verschillende reactiesnelheden verlopen bij de beschouwde temperatuur. Noem de reactiesnelheidsconstante voor de dreactie kd, die voor de l-reactie kl.

H kd H CH2-C + CH2=CHX

H CH2-C-CH2-C X X

isotactische groei

X kl

X CH2-C-CH2-C X H

H

syndiotactische groei

De relatieve snelheid van beide processen hangt af van de activeringsenergie (Ea) voor beide processen.

I n sl t Ea tlqi ou dna i taEon r du bd- l oe c l ihc ek or e v t ie eq wuo an t. 5 i

Vraag 2-19 Wanneer zal het meest stereoregulaire polymeer ontstaan: bij lage of bij hoge reactie-temperatuur? Kop-kop en kop-staart polymerisatie Naast de stereoregulaire opbouw met betrekking tot groepen op de hoofdketen kan er ook sprake zijn van een (on)regelmatigheid in de hoofdketen. We nemen als voorbeeld weer de radicaalpolymerisatie van het monomeer CH2=CHX. Het groeiende radicaaluiteinde kan op twee manieren reageren met een monomeer: kkop H CH2-C + CH2=CHX X kstaart HHH CH2-C-C-C XXH HHH CH2-C-C-C XHX (1)

(2)

Reactie (1) geeft aan de kop-kop polymerisatie, reactie (2) de kop-staart polymerisatie. Normaal vindt men hoofdzakelijk kop-staart polymerisatie (99,9%). Vraag 2-20 Verklaar waardoor hoofdzakelijk kop-staart polymerisatie plaatsvindt.

[modellen: 'The structure of stereoregular plastics']

DIDACTIEK BIJ HOOFDSTUK 2 I. Verschil thermoharders en thermoplasten Dit is goed te testen via het verwekingsgedrag in een zachte vlam (zie practicumproef I.2) of via de oplosbaarheid (alleen een thermoplast lost op in een geschikt oplosmiddel). Dit soort testproeven kun je op elk niveau laten uitvoeren. Zie Chemie Overal 6V. II. Het molecuulbegrip van een zeer lang molecuul Werk zoveel mogelijk met modellen. a. Atoommodellen Gebruik geen space-filling models. Goed te illustreren is ook de flexibiliteit en draaibaarheid van de moleculen. b. Spaghetti-model Kook wat spaghetti, koel het af en meng er wat olie doorheen. Leg de verzameling op een demonstratietafel. Elke spaghettidraad stelt een molecuul voor. Laat zien dat de moleculen geheel willekeurig georinteerd zijn: kluwens. Neem beide handen vol spaghetti en trek het geheel langzaam uit elkaar. Maar een paar draden overspannen het gat. Het geheel glijdt gemakkelijk lang elkaar heen: zwakke Van der Waals krachten houden de moleculen bij elkaar. Als je echter meerdere draden parallel naast elkaar legt en er dan aan trekt, is het geheel veel sterker: de geordende moleculen zijn sterker dan de niet-geordende. NB. Als je geen olie toevoegt, blijven de draden op diverse plaatsen aan elkaar kleven; je krijgt een model voor een drie-dimensionaal netwerk. Deze structuur is veel sterker dan de thermoplastische modellen.

Je zou ter vergelijking rijst kunnen nemen als model voor laagmoleculaire stoffen. Interacties, contactoppervlak, beweeglijkheid, e.d. kun je op die manier aanschouwelijk maken. c. Paperclip-model Van paperclips kun je zowel lineaire moleculen als netwerken maken. Het verschil in beweeglijkheid is zeer groot. Ook kun je laten zien dat het netwerk starrer wordt als je meer 'crosslinks' aanbrengt. d. Draad-bol-model Maak aan een rand veel identieke bolletjes en laat dit zeer lange 'molecuul' op een willekeurige wijze op een tafel vallen. De verkregen situatie is een goede afspiegeling van de situatie in een hoogmoleculaire stof: een min of meer gekluwd molecuul. De nylon-rope trick (proef III.1) zou een goede illustratie kunnen zijn van de overgang van klein molecuul naar lang. Literatuur Polymeerchemie; G. Challa, hoofdstuk 2+3 Materials and Technology, deel 2, blz. 28-37 (asbest) School Science Review, vol 60, nr. 210, blz. 59 (artikel over asbest) J. of Chemical Education, vol 58 (7), 1981, blz. 540

-

J. of Chemical Education, vol 50 (11), 1973, blz. 745 Milieudefensie, september 1978: PVC-verhaal Boek 'Het plastic PVC, populair en kankerverwekkend', door L. Reijnders

WERKOPDRACHTEN 1. Bespreek de voorwaarden voor polymerisatie: - functionaliteit/karakteristieke groepen - reactiesnelheid - thermodynamische polymeriseerbaarheid 2. 3. 4. Beschrijf wat je ziet gebeuren als je zwavel verwarmt. Zal voor de bereiding van poly-methylmethacrylaat een vloer- of plafondtemperatuur aanwezig zijn? Licht toe. Vinylchloride is een carcinogene verbinding. Jaren geleden leverde dit discussie met betrekking tot PVC-boterkuipjes. Hoe verklaar je de aanwezigheid van vinylchloride in het PVC? Wat is het voordeel van copolymerisatie? Verklaar de namen 'Hoge Dichtheid Poly-Etheen' en 'Lage Dichtheid Poly-Etheen'. Maak modellen van: a. een thermoplast (lineaire structuur); laat zien hoe je de conformatie kunt wijzigen b. een thermoharder; laat de invloed van de crosslinkdichtheid en lengte van de crosslink zien en relateer de invloed aan eigenschappen c. alternerend copolymeer; geef een voorbeeld van een veel gebruikt polymeer d. entcopolymeer e. isotactisch-, syndiotactisch- en atactisch PP f. maak met een model het verschil duidelijk tussen kop-kop en kop-staart polymeren Geef de reactie voor de bereiding van nylon-6. Is het monomeer wel 2-functioneel?

5. 6. 7.

8. 9.

Behandel kort 4 vormgevingsprocessen voor thermoplasten. Hoe wordt aan een thermoharder vorm gegeven? 10. De molmassa van een polyester is 1000. Reken je deze verbinding tot de polymeren? Licht toe. Om over na te denken Een stoffenpracticum over plastics kan prima als introductie van het onderwerp. Toch loop je bij de inventarisatie op grond van voelen, zien, e.d. al gauw tegen grenzen aan. PVC kan dan heel veel op PE lijken. Er is dus een noodzaak om verdere onderzoekingen (experimenten) te doen. Hoe zou jij dat aanpakken?

HOOFDSTUK 3 SOORTEN POLYMERISATIEREACTIES; DE KINETIEK VAN POLYMERISATIEREACTIESDoel Leren kennen van de stapreactie en de kettingreactie (inclusief kinetiek). Kennis nemen van begrippen, die samenhangen met het produkt van een polymerisatiereactie; met name de spreiding in molmassa krijgt aandacht.

1.

PRINCIPE VAN DE GELIJKE REACTIVITEIT

Als je de kinetiek van een polymerisatieproces exact wilt beschrijven, is het nodig voor ieder reactief deeltje van ongelijke lengte een bijbehorende waarde voor de reactiesnelheidsconstante te bepalen: M + M > M2 k1 M2 + M > M3 k2 M2 + M2 > M4 k3 Mn + Mm > Mn+m kn Flory ontdekte echter dat de reactiviteit van karakteristieke groepen onafhankelijk was van de grootte van het polymeermolecuul, waartoe de groep behoort. Dit noemt men in de polymeerchemie het principe van de gelijke reactiviteit. Dit betekent bijvoorbeeld dat bij de beschrijving van een polyestervorming uit een dizuur en diol het niet uitmaakt voor de k-waarde wat de lengte van de reagerende moleculen is; men kan volstaan met n k-waarde voor de heenreactie en n k'-waarde voor de terugreactie. k H - OROCR ' C - OH + H - OROCR ' C - OH H - OROCR ' C - OH O O i O O j k' O O i+j(i,j=1,2,3,...) In deze reactie zijn k en k' onafhankelijk van i en j. Verder ontdekte Flory dat: 1) de reactiviteit van gelijke karakteristieke groepen in n molecuul gelijk is als er geen sprake is van elektrostatische wisselwerking en/of mesomerie;

(M=monomeermolecuul)

2)

de reactiviteit van gelijke karakteristieke groepen constant blijft als ze meer dan twee Catomen van elkaar verwijderd zijn. Voorbeeld: k1 HOOC(CH2)iCOOH + ROH

monoester + H O2

k'1 k2 monoester + ROH

k'2

diester + H2O

Volgens de bevindingen van Flory geldt voor deze reacties: a) k1=k2(=k) en k'1=k'2(=k') b) k en k' zijn constant als i3

Vraag 3-1 Ga na voor onderstaande evenwichtsreacties of het principe van de gelijke reactiviteit opgaat? Wat kun je zeggen over de relatieve waarden van k en k'? COOH (CH2)n COOH COOH (CH2)n COO+ OH+ OHk1 k'1 COOk2 k'2 COOCOO(CH2)n + H2O (2) COOH (CH2)n + H2O (1)

De toepassing van het principe van de gelijke reactiviteit vindt men in het beschrijven van de kinetiek van polymerisatiereacties: een geheel polymerisatieproces kan beschreven worden met n reactiesnelheidsconstante. Voor het bepalen van de reactiesnelheid als functie van de concentratie heeft men slechts nodig de concentratie aan karakteristieke groepen; de ketenlengte is onbelangrijk. Voor de reactiesnelheid tussen een zuur en een alcoholgroep, voorgesteld door COOH + HO kan men schrijven:k

>

C-O O

Install Equa tion Editor and do uble click here to view equat ion. 6Hierin zijn m en n de orde in resp. de zuurconcentratie en de alcoholconcentratie. De ketendelen die niet aan de reactie deelnemen, zijn te beschouwen als oplosmiddel.

2.

DE STAPREACTIE

Dit is de soort polymerisatiereactie waarbij alle deeltjes gedurende de gehele reactietijd aan het polymerisatieproces blijven deelnemen. Het is de reactie waarin complementaire karakteristieke groepen met elkaar reageren. Voorbeelden zijn de reactie tussen een dizuur en een diol, tussen een diamine en een dizuur (bij deze twee reacties vindt waterafsplitsing plaats), maar ook tussen een diol en een diisocyanaat. Deze laatste reactie ter illustratie: OH HO n O=C=N-R-N=C=O + n HOR ' OH > - C-N-R-N-C-OR ' O n

Bij deze reactie vindt dus geen afsplitsing van een klein molecuul plaats. Het gevormde produkt behoort tot de categorie der poly-urethanen (de -N-C-O -groep is een urethaanbinding) HO NB. Ook bij meerfunctionele monomeren kan uiteraard een stapreactie optreden. Voor de bespreking hier laten we deze categorie buiten beschouwing. Bij de stapreactie wordt het polymeermolecuul in stappen gevormd; de polymerisatiegraad neemt gedurende het polymerisatieproces geleidelijk aan toe. Je zou kunnen zeggen dat eerst alle monomeermoleculen omgezet worden tot dimeren, vervolgens tetrameren, octameren, enz.: M + M > M2 + M2 M4 + M4 M2 M4 M8 etc. (M=monomeermolecuul)

> >

Uiteraard treden ook op de reacties als: M + M2 > M2 + M4 M3 M6 etc.

>

Algemeen zou je voor de stapreactie kunnen schrijven Mi + Mj > Mi+j i,j=1,2,3,4,...

Als je equivalent hoeveelheden hebt aan karakteristieke groepen, dan zal gemiddeld elk deeltje twee complementaire karakteristieke groepen aan de uiteinden hebben. Voor een polyester uit een dizuur en een diol is dit een zuur en een alcohol eindgroep: HOOC OH Vraag 3-2 Wat is het gevolg van een overmaat aan zuurgroepen bij een polyester synthese. 3. DE POLYCONDENSATIEREACTIE (=STAPREACTIE) NADER BEKEKEN (ref. 3 en 4)

Het kenmerk van de polycondensatiereactie is het vrijkomen van een klein molecuul (H2O, HCl, e.d.). De polycondensatie is de meest voorkomende stapreactie. Zoals ook uit voorgaande blijkt, is het onmogelijk als eindprodukt van een polycondensatiereactie moleculen met eenzelfde ketenlengte te krijgen. Er is dus sprake van een spreiding in molmassa (heterodispersiteit). We kunnen dus slechts spreken van een gemiddelde molmassa en een gemiddelde polymerisatiegraad. Er ontstaat dus eigenlijk een mengsel en geen zuivere stof. In deze paragraaf geven we voor de polycondensatiereactie afleidingen voor deze gemiddelde (statistische) waarden. NB. Ook voor polymere produkten, die via andere polymerisatiereacties zijn bereid, geldt eenzelfde benadering; alleen het afleiden van goede kwantificaties is wat moeilijker. 3.1 De gemiddelde polymerisatiegraad 8 aantalfractie(n), het aantalgemiddelde molecuulgewicht 7 en de aantal3.1.1 De aantalgemiddelde polymerisatiegraad 9 Stel we voeren de zuur-gekatalyseerde polycondensatie uit tussen een dizuur en een diol; we nemen van beide equivalente hoeveelheden (concentratie op t=0 is voor beide soorten karakteristieke groepen C0; het volume is 1 liter). Volgens het principe van de gelijke reactiviteit hoeven we slechts rekening te houden met de hoeveelheid karakteristieke groepen, en kunnen we het gehele polymerisatieproces met n k-waarde beschrijven (we nemen de terugreactie hier niet in beschouwing). Elke reactiestap is te schrijven als: COOH + HO k > H+ O C-O + H2O

Vraag 3-3 Hoe kun je de terugreactie onderdrukken? We definiren de omzettingsgraad (p) als de fractie van het aantal zuurgroepen (alcoholgroepen), die op het reactietijdstip t verdwenen is. De concentratie van de resterende zuur(alcohol)-groepen op tijdstip t is C. De omzettingsgraad is dan te schrijven als: na omwerken; C=(1-p)Co Daar elk molecuul, wat de lengte ook is, twee karakteristieke eindgroepen bezit, zal het totale aantal moleculen op tijdstip t gelijk zijn aan (1-p)Co t. N Gemiddeld zullen per molecuul aanwezig zijn een aantal repeterende eenheden van:

I n l s Et ta iqlo du nia t Eon urd b- dl eo c l hi ceokr ev e it qei owu na . t10

I n s lt aEl qt u oa nd iEt oa rn d udbo-l e i c l i chke r oe v i ee w ui oa n . 11 t q t

Vraag 3-4a. t Zet c lh i oec rk vee i iqote unw 12 uit als functie van p. Welke conclusie kun je hieruit trekken. I nl s Et ti adoq lainu t n uoa Ed- br ld e o

3.1.2 De aantalfractie (ni); de aantalverdelingsfunctie Daar het produkt van de veresteringsreactie heterodispers is, kunnen we hierin fracties van gelijke ketenlengte onderscheiden; de aantalfractie met polymerisatiegraad i definieer je als dat deel van het totale aantal moleculen, dat i repeterende eenheden per molecuul bezit:

niNi/Nt ; Ni=aantal moleculen met polymerisatiegraad i

Instal l E qua tion E ditor and do uble NB. Je zou even goed kunnen zeggen: click here t o view equat ion. 13ni isdan de Molfractie Vraag 3-5 Wat is de maximale waarde van ni? Wat voor polymeerprodukt heb je als ni die maximale waarde heeft? Ook kun je ni bepalen als functie van de polymerisatiegraad i bij n p-waarde. De redenering is dan als volgt (vergelijk dit statistische probleem met dat van de kans een aantal ogen te gooien met dobbelstenen): je neemt op t=0 een bepaalde karakteristieke groep in beschouwing (zeg een zuurgroep); op het tijdstip t=t bij een omzettingsgraad p, is de kans dat de zuurgroep met een alcoholgroep heeft gereageerd p; de kans op een niet-opgetreden reactie is 1-p; de kans op een dimeer op tijdstip t is dus p; de kans dat de andere zuurgroep van hetzelfde molecuul heeft gereageerd is ook p; dus de kans op een trimeer is pxp=p2. De kans dat i-zuurgroepen met ialcoholgroepen gereageerd hebben tot een (i+1)-meer is pi. De kans dat een zuurgroep van de ie-monomeerrest niet gereageerd heeft, is (1-p). pi geeft aan alle moleculen met minstens i-eenheden. De kans een (i+1)-meer aan te treffen is pi(1-p). De kans op een i-meer is dan pi-p(1-p); deze kans geeft aan de aantalfractie (of Molfractie):

I n s lt aEl qt iuo and iEt o n d u db ol e ar c l i ch ke roe vt i e w u oa nt . 14 qi

(1)

Vraag 3-6 ni als functie van de polymerisatiegraad (i) geeft de aantalverdelingsfunctie. Maak deze grafiek voor p=0,9 en p=0,99. Welke conclusie kun je hieruit trekken?

Daar

I n ls tEa t lqi ou dna i taEon r du b-d l oe c l ihc ekor e v tei eqiwou na t.

I l nt d iEa s ou i- nt qt nba o d u l rEea d o c h o l ei e c ovr q ek ni u e . t aw t16

15, kun je deze ook schrijven als:

............. (2)

I nl t sE i dt o aq i nutnl -o bdaE r l de o c hl oi e c r evki e oq i entu w.a t17 N1 = aantal moleculen met polymerisatiegraad 1 N2 = aantal moleculen met polymerisatiegraad 2 N3 = aantal moleculen met polymerisatiegraad 3 etc. etc.

I n s ta lE q uio n dEitoar n d d o le l ta ub c li c h e r eo t v ie wq u iot n . k e a 18

.............

............. (3)

3.1.3 Het aantal gemiddelde molecuulgewicht c l ihc ekor e v tei eqiwou na t. 19 Dit is gedefinieerd als het totale gewicht van een monster gedeeld door het aantal moleculen of molen polymeer, aanwezig na een reactietijd van t sec.

I n ls tEa t qli oudnai at Eon r ud b-d l oe

In stal lE q utio n E ito r n d duob le a d a c lic kh e re ot v ie w q u a t n . e io

I n s ta lE q utio n d ito a n d duob le l a E r c lic k e r eo t v ie w q u iot n . h e a 20 = molmassa van een repeterende eenheid.

N.B.I n l s Et ia qodl unai t anoEu dr-b ld e o c lh i ceo kr ve e i qteo uwn a . t

21 ............. (4) Er wordt hierbij geen rekening gehouden met de afwijkende molmassa van een eindgroep.

I l n t dEi s a o tui qn- atn boudl l rEa e d o c h lo ie iec rvo qke i n ue t . aw t23

22 is volgens vergelijking 2 ook te schrijven als:

.t 3.2 Gewichtsgemiddelde polymerisatiegraad (c lhi ceo rk eve i qtoe u wn a24); gewichtsfractie (wi); gewichtst gemiddeld molecuulgewicht (c l hi ceo kr ev e itiqeo uwn a .25) I n l s Et ai qold unia at noEu dr -b dl e o

I n l s Et ia oqd l unai t anouE dr-b ld e o

Bij het bepalen van deze grootheden gaat men uit van massa's. Dit in tegenstelling tota. t .t analoge grootheden ni, c lh i oec rk ve i iqote unw 26 en c lh i ceo kr ev e i qteo uwn a27, waarbij men uitging van aantallen of Molen. .t a. t Daar men bij ni, c lh i ceo kr ev e i qteo uwn a28 en c lh i oec rk ve i iqote unw29 uitgaat van aantallen moleculen, zullen de kleine moleculen naar verhouding een grote inbreng hebben. Bij het 'wegen' van moleculen is de inbreng van de grote moleculen groot. Dus het beschouwen van zowel aantalgemiddelden als gewichtsgemiddelden levert een redelijk inzicht op in de spreiding in molecuullengten. Wat betreft het kennen van gewichtsgemiddelde grootheden, moet je alleen onderstaande leren. Dit in verband met de toepassing in onder andere de dispersiegraad. I n l s Et ia qodl unia t anouE dr -b ld e o I nl s tE ti adoq lainu t n uoa Ed- br ld e o I nl s Et ti adoq l ainu t n uoa Ed- br ld e o I n l s Et ia qodl unia t anouE dr -b ld e o

a.

gewichtsfractie wi =

I n s tl a El q tui oa n d Et oa rn d ud bo l- e i c l i chke r e tv i eewq ui o tn . o a

30

PRACTICUM POLYMEERCHEMIEDeze instructie bevat een beperkt aantal polymeerchemische experimenten. Bestudeer alle proeven. Tijdens het practicum voer je een keuze uit deze experimenten uit. Maak van elke proef een werkschema. De proeven zijn verzameld door Jan Borkent. Proeven 1. Herkennen en identificeren van kunststoffen (zie ook schema hoofdstuk 6 in 6V) 2. Nylon rope trick (zie hoofdstuk 6 in 6V, experiment 17, pagina 248) 3. Zuiveren en karakteriseren van een commercieel polymeer 4. Testen van enkele temperatuurafhankelijke eigenschappen van polymeren 5. Bereiding van cellulosenitraat (schietkatoen) 6. Bereiding van ureumformaldehyd 7. Herkennen van vezels (twee proeven)

PROEF 1 Herkennen en identificeren van kunststoffen (Zie ook experiment 18 hoofdstuk 6 in 6V, pagina 258-261) Doel: Leren herkennen van categorien plastics (thermoplasten, thermoharders, rubbers) Leren onderscheiden van plasticsoorten Kennismaken met enkele verschijningsvormen van plastic producten (vezel, buis, zak, etc. ...)

Inleiding A. Behalve bij synthetische vezels en garens kan je door te kijken en te voelen meestal wel zeggen wanneer een voorwerp van kunststof is. Op het oog kan je nauwelijks een uitspraak doen over de soort plastic. Dit wordt nog extra bemoeilijkt door het feit dat je vaak te maken hebt met copolymeren, mengsels van kunststoffen of met plastics, waaraan allerlei hulpstoffen zijn toegevoegd. In dit practicum maak je kennis met een aantal eenvoudige methoden om enkele soorten plastic te identificeren. De proeven zijn uitermate geschikt voor een leerlingenpracticum. Houd er bij de uitvoering rekening mee te houden dat veel plastics erg brandbaar zijn en dat bij verhitting schadelijke dampen kunnen vrijkomen. Neem dus voor elke test een klein stukje plastic en werk in de zuurkast. Wees voorzichtig bij het bepalen van de geur bij verbranding: neem een zeer klein 'snuifje'. Dat doe je door met de hand de dampen naar je toe te waaieren. Als er een eenvoudige chemische methode is om vrijkomende stoffen aan te tonen, doe dat dan. Zo kan je vrijkomende zuren en basen aantonen met lakmoespapier. B. Toe te passen methoden en werkwijzen (zie ook schema's verderop en in Chemie Overal 6V p. 258-261) 1. Beoordelen van de verschijningsvorm op onder meer doorzichtigheid, oppervlaktestructuur (ruw, glad, vettig), homogeniteit, brosheid, hardheid en flexibiliteit. De vorm van het materiaal beperkt veelal de keuzemogelijkheden (bv. schuim, folie, massief plastic). Bedenk dat toevoegingen het beeld aardig kunnen vertroebelen: een transparant monster kan slechts behoren tot de categorie 'doorzichtige plastics', een opake stof kan gemaakt zijn van een transparante stof, waaraan een kleurstof is toegevoegd. Besef dat bij de beoordeling van de flexibiliteit de dikte van het monster een rol speelt: een dik stuk plastic kan stug zijn, terwijl een dun stukje flexibel kan zijn. 2. Globaal bepalen van de dichtheid. Dit is na te gaan door te kijken of een stukje materiaal op een vloeistof van bekende dichtheid al dan niet blijft drijven. Meestal neemt je water als vloeistof. De dichtheid is alleen een goede maatstaf als het gaat om geheel massieve materialen. De bepaling van de dichtheid van schuimen of gexpandeerde materialen heeft weinig zin. Let er op dat het materiaal geen aanhangende luchtbellen heeft. Ook vulstoffen benvloeden de dichtheid. 3. Bepaling van de oplosbaarheid of opzwelbaarheid. Je kan hiervoor enkele bekende organische oplosmiddelen gebruiken, zoals dichloormethaan, aceton, ethanol, methanol, tolueen. Thermoplasten kun je op deze manier onderscheiden van thermoharders. Rubbers (zwak vernette thermoharders) zwellen in een geschikt oplosmiddel slecht op. Veelal moet je bij deze methode verwarmen,

want de meeste plastics zijn bij kamertemperatuur niet of slecht oplosbaar. 4. Verhitten: Als je op het smeltgedrag let kan je een thermoplast (wordt zacht) van een thermoharder (ontleedt) onderscheiden. Een kristallijne thermoplast (wordt doorzichtig bij het smelten van een amorfe thermoplast (verandert nauwelijks qua doorzichtigheid). Het smeltgedrag is goed te volgen door een klein stukje van het materiaal op een lepelspatel te leggen en deze in de geel-blauwe vlam te verhitten. 5. Verbranden Let op de volgende zaken: a. gebruik slechts kleine stukjes; b. werk boven een niet brandbaar oppervlak; c. werk in de zuurkast; d. ruik niet terwijl het materiaal nog brandt; e. neem zeer voorzichtig de geur waar van de vrijkomende dampen van het materiaal; houd het materiaal circa 20 cm van je gezicht, 'waai' de dampen naar je toe en ruik voorzichtig; inhaleer de vrijkomende dampen niet, daar deze giftig kunnen zijn. Let voor de karakterisering op de brandbaarheid, de zelfdovendheid, de kleur van de vlam, roetvorming, de geur van vrijkomende dampen na doving; probeer zo mogelijk met chemische methoden de dampen te karakteriseren, deze zijn betrouwbaarder dan je neus. Sommige plastic producten bevatten vlamvertragers (vaak gehalogeneerde verbindingen). Ook de brandbaarheid mag je dus niet als absolute norm nemen. 6. Beoordelen van het breukmechanisme. Verandert het breukvlak van kleur, is er sprake van een taaie of brosse breuk? Dit zijn variabelen die je kunt observeren. 7. Beoordelen van de chemische resistentie. Poly-esters en poly-amiden zijn niet bestand tegen sterk hydrolyserende omstandigheden (sterk zuur of basisch milieu); ook de thermoharder ureum-formaldehyd hydrolyseert sterk (het spouwmuurschuim is na enkele jaren verdwenen!). Bij de identificatie kan je gebruik maken van een aantal schema's. Via een soort eliminatie kom je dan tot een conclusie. Bij het opstellen van dergelijke schema's zijn er nogal wat subjectieve elementen aanwezig: wanneer noem je iets hard, wanneer zacht of flexibel; wanneer noem je materiaal homogeen; wanneer voelt een oppervlak vettig aan; wat is de geur van vrijkomende dampen; etc. ... . je kan aan de gegevens uit de onderstaande schema's dus geen absolute waarde toekennen; eigen waarnemingen aan bekende plastics vormen het beste uitgangspunt. SCHEMA IKunststof Visuele beoordeling Vezelachtig materiaal Schuimvormig materiaal Massief niet homogeen materiaal Massief homo- Transparant geen materiaal materiaal

SCHEMA IISchuimvormig materiaal gevoel Zacht schuim 'smelten' PE evt. PS++++

Hard schuim+++ geen 'smelt' poly-urethaanschuim kleur: veelal bruin zie volgende pagina

Normaal valt PS onder de categorie harde schuimen. Het is enigszins afhankelijk van de waarnemer en de vorm van het materiaal, hoe de kwalificatie uitpakt. NB: Slechts de meest voorkomende schuimen zijn vermeld in dit schema.+++

Harde schuimen komen vaker voor dan zachte. Ook in deze categorie tref je thermoharders en thermoplasten aan. Onderscheid qua smeltgedrag is belangrijk. Waarnemen van het smeltgedrag geeft vaak moeilijkheden, daar de kunststof in verband met het grote oppervlak snel vlam vat. Verhit dus zeer voorzichtig op de lepel.Hard schuim voorzichtig verhitten smelten thermoplast verbranden geen smeltgedrag thermoharder verbranden zelfdovend brandt door

verkolen zelfdovend na weghalen vlam HCl-lucht (prikkelend) PVC

roetende vlam zelfdovend blijft doorbranden styreen-lucht (gaslucht) hyd PS

'maggi'fenollucht dikke, geelachtige geur (ziekenachtige rook huis geur) ureumformaldefenolformaldehyd kleur) poly-urethaan (vaak geel van

SCHEMA III Het herkennen van inhomogeniteiten is erg moeilijk. Deze kunnen zijn ontstaan door fabricagefouten (niet goed gemengd, niet goed uitgehard, verontreinigingen, etc.) of door het doelbewust toevoegen van hulpstoffen om de eigenschappen te verbeteren (glasbewapening bij poly-ester en epoxyharsen, houtmeel aan ureum-formaldehyd, etc.'

massief niet-homogeen materiaal visueel defecten, productiefouten: zie massief homogeen materiaal smeltgedrag thermoplast: zie verderop bij homogeen brandt moeilijk verder buiten vlam: fenollucht fenolformaldehyd (vaak met papier of hout versterkt brandt roetend (evt. zelfdovend) styreenlucht gewapend poly-esterhars (met glasvezel) gewapend epoxyhars (vaak met glasvezel) doelbewust aangebrachte inhomogeniteiten voorzichtig verhitten geen smeltgedrag thermoharder verbranden brandt roetend, oranjegeel, scherpe lucht

SCHEMA IV

Je kijkt in de groep van de homogene massieve materialen slechts naar ureumformaldehyd en melamineformaldehyd. Kijk voor fenolformaldehyd, poly-esters en epoxyharsen naar het voorgaande (niet homogene massieve materialen). massief homogeen materiaal voorzichtig verhitten smeltgedrag thermoplast (zie verderop) geen smeltgedrag thermoharder verbranden brandt moeilijk na doven: 'maggi'-geur 5 min. koken in 2% HCl afdrogen oppervlak slaat wit uit ureumformaldehyd oppervlak slaat niet wit uit melamineformaldehyd (formica)

SCHEMA VThermoplasten (dichtheid < 1) drijft op water voelt vettig aan, met nagel te krassen voorzichtig verwarmen: smeltgedrag (+ evt. transparant worden) verbranden: lichtgevende vlam en vallende druppels doven: paraffinegeur hoge druk poly-etheen paraffinegeur (kaarslucht) lage druk polyetheen (krasvast) lichtgevende vlam + vallende druppels doven paraffinegeur scherpe bijgeur poly-propeen (niet nagel te krassen) voelt niet vettig aan voorzichtig verwarmen: smeltgedrag (+ evt. transparant worden) verbranden lichtgevende vlam: iets roetend doven zoete geur poly-isobuteen

SCHEMA VIThermoplasten (dichtheid > 1) zinkt in water verbranden brandt goed; sterk roetende vlam brandt goed; lichtgevende vlam doven hard, stijf materiaal; breekt bros 'sinaasappelgeur' PMMA brandt gemakkelijk; gele vlam doven geur van 'ranse boter' cellulosebutyraat brandt moeilijk; zelfdovend

roetende vlam niet of weinig roetend doven prikkelende geur van HCl PVC doven weege geur; hoornachtig poly-amide CO2 (g) + 2H2O(l).

Tussen haakjes staat de fase waarin de stof verkeert: g=gas, l=vloeistof (liquid) en s=vast (solid). Door een chemische reactie veranderen de oorspronkelijke moleculen. Het is vanzelfsprekend dat ook de eigenschappen veranderen. Door een chemisch reactie van een zuur met een kunststof kunnen de macromoleculen korter worden; dit heeft grote gevolgen voor de sterkte en het verwekingsgebied van het materiaal. Enkele voorbeelden van chemische processen, die bij kunststoffen kunnen optreden zijn: 1. Verbranding: de kunststof reageert met zuurstof. Er onstaat voornamelijk koolstofdioxide, water en roet. De laatste is een gevolg van een onvolledige verbanding; ook ontstaat hierbij koolstofmonooxide (kolendamp). 2. Fotolyse: UV-licht start allerlei reacties in de kunststof. Het gevolg is een afbraak van de moleculen. 3. Thermolyse: Hoge temperaturen ontleden de lange moleculen. Er ontstaan korte moleculen, gassen en vloeistoffen. De ontledingsproducten zijn meestal erg schadelijk. Brandende plastics geven ook veel van dit soort schadelijk producten. Pas dus goed op bij brand in afgesloten ruimten, het gevaar voor verstikking is groot. (Zie bijlage 1 over de rookgassen van polystyreen.) 4. Corrosie: Sterk aantastende stoffen reageren met de kunststof. Er ontstaan allerlei producten. De kwaliteit van de kunststof gaat sterk achteruit. Sterke zuren, basen (loog) en ozon zijn voorbeelden van corrosieve stoffen. EINDE INTERMEZZO--------------------------------------------------------------------------------------------De chemische eigenschappen van plastics onderscheiden zich niet van die van kleine moleculen. De soort moleculen bepaalt met welke andere stoffen of licht gemakkelijk een reactie plaatsvindt. Het is dan ook onjuist om te zeggen dat plastics niet reageren. Wel duurt het heel lang voordat een groot molecuul helemaal gereageerd heeft. We zeggen dat een plastic chemisch bestendig is. Door het toevoegen van beschermende stoffen reageert een plastic nog langzamer. 5. Reactie met zuurstof. De meeste plastics branden goed. Brandgevaar is dan ook een van de bedreigingen bij de toepassing van plastics. Men voegt aan plastics wel vlamdovers toe om het brandgevaar te beperken. Plastics met veel chlooratomen in het molecuul, zoals PVC, branden niet. Ze ontleden alleen bij hogere temperaturen. Reacties met andere stoffen. We zeggen vaak dat plastics niet afbreekbaar zijn en daarom schadelijk voor het milieu. Dit zou betekenen dat plastics niet met andere stoffen of onder invloed van licht reageren. Hierboven heb je al gelezen dat dit onjuist is. De meeste plastics zijn niet of slecht biologisch afbreekbaar. Bacterin en andere micro-organismen krijgen er geen vat op. Vind je het slecht afbreekbaar zijn van plastics een voor- of nadeel? Licht je antwoord toe.

6.

Opdracht 15:

Om de afbraaksnelheid van plastics te verkleinen voegt men vaak stabiliserende stoffen zoals anti-oxidanten en UV-beschermers. De eerste soort

beperkt de reacties met oxidatoren als zuurstof, ozon en luchtvervuilende stoffen. De tweede soort geeft fotolyse reacties minder kans. Je vindt deze ook wel in lakken met UV-protector (de laklaag is ook een kunststof). Plastic materialen vergen veel minder onderhoud dan metalen en hout. Metalen corroderen en hout rot. Ze moeten geverfd worden of op een andere manier geconserveerd. Opdracht 16: Piepschuim (polystyreen schuim) voor isolatiedoeleinden moet vlamdovers bevatten. Waarom is het brandgevaar bij schuim groter dan bij een massief stuk plastic? Mechanische eigenschappen De bumper van een auto is hard en moet tegen een stootje kunnen. Een tuinslang is flexibel, je kunt hem gemakkelijk oprollen. Het schild van een ME'er knapt niet als er een dikke steen tegenaan gegooid wordt, een voorzetraam van kunststof doet dat wel. Als je met een hamer op een doorzichtige plastic pen slaat, vliegen de splinters je om de oren. We hebben het hier over mechanische eigenschappen. Hieronder verstaan we kenmerken als hardheid, buigbaarheid, sterkte bij slagbelasting, sterkte bij trekbelasting, etc. Het is duidelijk dat deze eigenschappen van plasticsoort tot plasticsoort verschillen. Rubbers zijn uitermate buigbaar, ze breken niet bij slagbelasting en het kost weinig kracht ze op te rekken. Perspex is hard en bros, oprekken is bijna niet mogelijk. (In proef 1 heb je al diverse plastics op dit soort eigenschappen kunnen onderzoeken). Mechanische eigenschappen kunnen op een aantal manieren afgestemd worden op de gebruikseisen. Polystyreen van een plastic pen is hard en bros, een koffiebekertje is buigbaar. Het koffiebekertje bevat ca. 10% natuurrubber, dat als weekmaker fungeert. Ook kun je meer soorten plastics mengen. De eigenschappen van het mengsel zijn een gemiddelde van die van de afzonderlijke plastics. Polystyreen is een hard plastic, polystyreen met wat natuurrubber is flexibel. Versterkende materialen verbeteren de mechanische eigenschappen. Polyester is hard en bros; toevoeging van glasvezel maakt de polyester sterk. Je kunt er boten van maken. Je kunt dus de eigenschappen van plastics op diverse manieren benvloeden en afstemmen op de wensen van de consument. Dit kan voor plastics vaak gemakkelijker dan voor andere materialen. Naast genoemde mogelijkheden bestaat ook de productie van copolymeren. Meerdere soorten kleine moleculen dienen als uitgangsstoffen voor de vorming van een macro-molecuul. Zo ontstaat ABS (acrylonitril-butadienstyreen copolymeer) als je de kleine moleculen acrylonitril, butadien en styreen met elkaar laat reageren. Dan nog enkele kenmerken van plastics, die ze voor de consument aantrekkelijk maken. Het oog wil ook wat: speelgoed heeft kleuren, wit kampeerservies is aantrekkelijk en de lijmstift heeft rood en wit als kenmerkende kleuren. Kleurstoffen worden tijdens het fabricageproces door de kunststof gemengd en de kleurechtheid is gegarandeerd.

-

Het oog wil nog meer: een contactlens moet zeer doorzichtig zijn; hetzelfde geldt voor een acrylaat-voorzetraam. De meeste gebruiksplastics zijn zonder toevoegingen transparant. Polyetheen, polypropeen, teflon en de nylonsoorten vormen uitzonderingen. Doorzichtige plastics hebben vergelijkbare optische eigenschappen als glas. Noem toepassingen van kunststoffen waarvoor het gewenst is dat ze transparant zijn.

Opdracht 17:

BIJLAGE 1

HOOFDSTUK 2: THERMOPLASTEN EN THERMOHARDERS Doelen: 1. Je leert dat 1 soort plastic in diverse vormen voorkomt. 2. Je leert door middel van praktisch onderzoek de eigenschappen en namen van diverse plastics. 3. Je leert hoe je de moleculaire opbouw van een thermoplast en een thermoharder kunt voorstellen.

In het vorige hoofdstuk heb je kennis gemaakt met de grote diversiteit in eigenschappen en verschijningsvormen van plastics. In dit hoofdstuk brengen we ordening aan. De chemische samenstelling van de lange moleculen is de basis voor de ordening. De chemische samenstelling bepaalt of een kunststof goed brandt of niet, welke verbrandingsproducten ontstaan, welke de kleur van de vlam is, etc. De namen van plastics zijn gebaseerd op de chemische samenstelling. Kleur, doorzichtigheid, hard of zacht e.d. zeggen weinig over de soort macromoleculen, waaruit het plastic bestaat. PROEF 3: PIEPSCHUIM De brandtest en het brandgedrag geeft informatie over de chemische eigenschappen, dus de soort moleculen van de plastic. De roetvorming duidt op de aanwezigheid van koolstof in de moleculen van de kunststof. Het brandgedrag en de geuren zijn karakteristiek voor de kunststof polystyreen. De vlokken, de folie, het schuim en het koffiebekertje bestaan uit dezelfde soort moleculen. Uit proef 1 en proef 3 zie je dat een soort plastic in verschillende verschijningsvormen kan voorkomen. Enkele verschijningsvormen zijn: folie, vezel, schuim, plaat, korrel; ook vindt je plastics in oplossing (verf en lijm). Je gaat proeven doen om een plasticsoort te herkennen. Uit proef 3 weet je dat de brandtest een centrale plaats inneemt. In proef 4 onderzoek je verschillende soorten plastic. Als je het onderzoek goed doet, kun je iets zeggen over de chemische samenstelling van een plasticsoort. Je leert ook de bijbehorende naam kennen. PROEF 4: ONDERZOEKEN VAN PLASTICS PROEF 5: THERMOPLASTEN EN THERMOHARDERS Een thermoharder wordt bij verhitting niet plastisch (wel treedt bij sterke verhitting ontleding op; dit zie je o.a. aan de bruinkleuring). Ook lost een thermoharder niet op. Deze twee kenmerken kun je verklaren vanuit de moleculaire opbouw. Een thermoharder bezit geen afzonderlijke moleculen. De moleculen zijn via dwarsverbindingen -bruggen of crosslinks- aan elkaar gebonden. Je kunt een thermoharder als een reuzenmolecuul beschouwen. Een thermoplast daarentegen heeft wel afzonderlijke moleculen van een bepaalde grootte. Je mag rustig spreken over polyetheenmoleculen. Een thermoplast lost op, omdat de afzonderlijke moleculen zich over het oplosmiddel verspreiden. Hieronder zie je een paar tekeningen, die als model dienen voor een thermoplast en thermoharder. Een model is hier de voorstelling van de stof op het niveau van de moleculen. Een thermoplast is op te vatten als een draadje textiel, een thermoplast lijkt met zijn moleculaire structuur meer op een geweven doek; de afzonderlijke draden zijn niet te terug te vinden.

Opdracht 1:

a. Rijg paperclips zodanig dat je een model krijgt van een thermoplast. b. Doe hetzelfde, maar nu voor een model van een thermoharder.

Opmerking: Gekookte spaghetti kun je gebruiken als model voor thermoplasten en thermoharders. De spaghetti met olie is een goed model voor de thermoplast; je trekt er de afzonderlijke slierten (moleculen) uit. Zonder olie kleven alle slierten aan elkaar; je kunt ze niet verwijderen zonder ze kapot te maken. Opdracht 2: Opdracht 3: Hoe vaak kun je een thermoplast vorm geven en hoe vaak een thermoharder? Licht toe. Bij brand in een gebouw met veel kunststof is het gevaar voor de gezondheid van de mens door vrijkomende giftige stoffen groter dan het gevaar van verbranding. Hoe ontstaan deze stoffen? Gebruik je ervaring van proef 2.

HOOFDSTUK 3: VORMGEVEN AAN PLASTICS Doelen: 1. Je leert vormgevingstechnieken voor thermoplasten: extrusie, spuitgieten, vacuumvormen en spinnnen. 2. Je begrijpt het verschil in vormgevingsmogelijkheden voor een thermoplast en een thermoharder. Je weet inmiddels dat plastics in allerlei vormen voorkomen en dat de vorm niets zegt over de samenstelling van de kunststof. Ook kun je aan de vorm niet zien of het een thermoharder of een thermoplast betreft. Een stuk huishoudfolie ziet er eenvoudig uit, het huis van een fototoestel is ingewikkeld van vorm. Plastic verwerkende bedrijven maken uit grondstoffen de eindprodukten en halffabrikaten. Een plaat is een halffabrikaat, een emmer is een eindprodukt. De chemische industrie levert grondstoffen van thermoplasten meestal af in de vorm van poeder of korrels (granulaat). Thermoharders krijgen bij de bereiding hun definitieve eindvorm. De chemische bereidingsreactie verloopt tegelijk met de vormgeving. PUR-schuim is een voorbeeld van een thermoharder. Het schuim uit de spuitbus is nog zacht en in elke vorm te brengen. Na uitspuiten komt er een chemisch proces op gang. Hierbij wordt het schuim verder 'opgeblazen' en vindt de vorming van de thermoharder plaats. Je kunt het schuim maar n keer vormgeven. Je kunt de proef zelf doen. Probeer het schuim maar weer te verweken of op te lossen. Voor thermoplasten bestaan er diverse vormgevingstechnieken. We bespreken er vier. (Opmerking voor de leraar: er bestaat een videoserie 'Audiovisuele Bouwstenen der Chemie'; deel IX bevat een productie over de vormgevingstechnieken extrusie en spuitgieten). Spuitgieten

In de spuitgietmachine worden het poeder of de korrels (granulaat) verhit. Er ontstaat een plastische kunststof. Een schroef homogeniseert de plastische kunststof. Kleurstoffen, stabilisatoren en weekmakers kunnen er doorheen

gemengd worden. De plastische kunststof wordt via een spuitmond in de mal (of matrix) geinjecteerd. Na afkoeling wordt het harde plastic produkt uit de mal verwijderd. De vorm van de mal bepaalt de vorm van het eindprodukt. Spuitgieten is een discontinu proces. De plaats van injecteren is vaak nog zichtbaar. Kijk maar eens op de onderkant van een emmer; je ziet er een afdruk of puntje. Opdracht 1: Opdracht 2: Waarom is spuitgieten niet geschikt voor thermoharders? Welke temperatur moet royaal gehaald worden in de spuitgietmachine als je een zeepbakje van polyetheen wilt maken?

Extrusie

Dit is een continu proces. Buizen, profielen, platen en staven komen ononderbroken uit de machine. Net als bij het spuitgieten wordt poeder of granulaat door verhitting plastisch gemaakt. Een schroef perst de plastische massa via een voorgevormde spuitmond naar buiten. Na afkoeling is het produkt geschikt voor verdere bewerking. Vacuumvormen

Een plastic plaat (produkt van een extrusieproces) wordt op de machine gelegd en verhit. Onder de plaat wordt vacuum gezogen. De weekgeworden plaat wordt

zo tegen de mal (het profiel) in de machine aangezogen. Na afkoeling is de vorm gefixeerd. Smeltspinnen

Verhitting en homogenisering van het granulaat vindt eerst plaats, waarna de plastische massa door de spinkop wordt geperst. Na afkoelen zijn lange, dunne draadjes verkregen. Deze ondergaan een verdere bewerking tot textielgaren. PROEF 6: EEN DRAAD SPINNEN Holle voorwerpen, zoals flessen, worden gemaakt via blaastechnieken. De verwarmde, plastische kunststof wordt bij het verlaten van de machine van binnen uit tegen een mal geblazen. Deze techniek lijkt veel op het folieblazen, zoals die beschreven wordt in het volgende hoofdstuk.

HOOFDSTUK 4: DE LEVENSLOOP VAN POLYETHEEN VERPAKKINGSFOLIE Doelen: 1. Je leert de relatie tussen plastics en met de grondstof aardolie. 2. Je leert de polymerisatiereactie: monomeer ---> polymeer 3. Je leert dat thermoplasten recyclebaar zijn. Een leeg boterhamzakje komt uiteindelijk in de polyetheen vuilniszak terecht. Hiermee is een van de laatste stappen in het leven van het zakje gemaakt. Er rest nog de vuilnishoop of de verbrandingsoven. Of doen we al aan recycling? We beginnen bij het begin, de aardolie als grondstof. Destillatie en kraken van aardolie levert allerlei koolwaterstoffen op.

Koolwaterstoffen zijn organische verbindingen, waarvan de moleculen voornamelijk uit koolstof (C) en waterstof (H) bestaan. Methaan (CH4) uit aardgas is de eenvoudigste koolwaterstof, de molecuulformule van ethaan is C2H6 en ethanol ('alkohol') heeft als molecuulformule C2H6O. In koolwaterstoffen komt naast C en H ook wel O (zuurstof), Cl (chloor), F (fluor), S (zwavel) en andere elementen voor. Het bewerkingsproces van aardolie levert veel brandstoffen op. Benzine, kerosine en dieselolie zijn belangrijke produkten. Een klein deel van de aardolieprodukten dient als grondstof voor de chemische industrie.

NB. Alkanolen, ethers, esters en aromaten zijn organische oplosmiddelen. Benzeen en tolueen zijn aromatische oplosmiddelen, methanol (een alkanol) is een alternatieve brandstof voor benzine. Ethanol (de alkohol in jenever) is ook een alkanol. Een van de belangrijkste produkten van het kraken van nafta is etheen. Etheen dien als grondstof voor diverse andere basischemicalien. In het schema zie je:

CHEMISCH INTERMEZZO: DE ALKANEN EN ALKENEN----------------------------------------------Alkanen en alkenen zijn koolwaterstoffen met alleen C- en H-atomen in de moleculen. Alkanen zijn verzadigde koolwaterstoffen. Verzadigd wil zeggen dat de bindingen tussen de koolstofatomen enkelvoudig zijn. Alkenen zijn onverzadigd, de bindingen tussen de koolstofatomen zijn (deels) dubbel. Via een paar voorbeelden illustreren we n en ander. Ethaan heeft als molecuulformule C2H6. (De molecuulformule zegt alleen maar iets over het totale aantal atomen in een molecuul). HH Elk streepje stelt De structuurformule van ethaan is: H-C-C-H. een binding voor. HH De structuurformule zegt iets over de ruimtelijke voorstelling van een molecuul. Zo zijn de hoeken in het ethaanmolecuul allemaal ruim 109 (de tetraederhoek). Het ethaanmolecuul heeft alleen maar enkelvoudige bindingen (1 streepje per binding); we noemen ethaan verzadigd. Etheen heeft als molecuulformule C2H4. De structuurformule is

De hoeken zijn 120 en de binding tussen de twee C-atomen is dubbel. Etheen is onverzadigd. De dubbele binding kan in chemische reacties gebruikt worden om lange moleculen te maken. Uit etheen ontstaat dan polyetheen. Daarover straks meer. Ter illustratie geven we enkele verbindingen met hun structuurformules en naam.

Koolstof is 4-waardig, het vormt steeds vier bindingen. In de alkanen is C gebonden aan 4 andere atomen, in de alkenen is het C- atoom met een dubbele binding aan 3 andere atomen gebonden.

Als er op school modeldozen aanwezig zijn, is het zeer aan te bevelen opdracht 1 uit te voeren. Dit geeft je inzicht in de ruimtelijke structuur van de moleculen. Opdracht 1: a. Bouw met modeldozen de modellen van etheen, ethaan, propeen en propaan. b. Vergelijk de ruimtelijke vorm. Pentaan bestaat uit 5 koolstofatomen. Geef de structuurformule van pentaan en penteen.

Opdracht 2:

EINDE INTERMEZZO--------------------------------------------------------------------------------------------We gaan nu terug naar etheen zoals dat uit het kraakproces wordt ge-wonnen. Etheen is de uitgangsstof voor een van de meest gebruikte plastics polyetheen (PE). De kleine etheen moleculen moeten in een chemische reactie aan elkaar worden 'geregen', zoals je kralen aan een snoer rijgt. Dit proces kan alleen maar verlopen door de aanwezigheid van de dubbele binding. De reactievergelijking is schematisch als volgt te schrijven:

In woorden: n etheenmoleculen reageren tot het macromolecuul poly-etheen. Etheen heet het monomeer en polyetheen het polymeer. n is de polymerisatiegraad; deze is het aantal herhalende eenheden, per polymeermolecuul. De herhalende eenheid noem je ook wel monomeerrest, het is de rest van het monomeer etheen. Monomeer komt van het Griekse mono=n en meros=deeltjes. Evenzo komt polymeer van poly=veel en meros=deeltje. Een stof, die bestaat uit lange moleculen noem je ook wel een polymeer. Zo spreek je van het polymeer polyetheen. Opdracht 3: Opdracht 4: Ga na in welk opzicht het polymeer verschilt van het monomeer. (Als je wat meer verstand van scheikunde hebt): Polyetheen heeft een polymerisatiegraad van 2,0x105. Wat is de molmassa van dit polyetheen?

Bij een synthese van polyetheen uit etheen worden nooit alle gevormde polyetheen moleculen evenlang. We moeten eigenlijk spreken van de gemiddelde lengte, dus van de gemiddelde polymerisatiegraad. Het product van de polymerisatiereactie, polyetheen, wordt als poeder af granulaat aan de plasticverwerkende bedrijven verkocht.

In Nederland wordt polyetheen gemaakt bij bedrijven als DSM, ICI en Dow Chemical. Soms is aan de grondstof al n en ander toegevoegd. Zo is het polyetheen voor landbouw plastic zwart van kleur door toegevoegd roet. De plastic verwerkende bedrijven maken van de korrels of het poeder via vormgevingsprocessen eindproducten. Polyetheen wordt o.a. verwerkt tot folies voor verpakkingsdoeleinden. De keukenrol en vuilniszak zijn voorbeelden. Folieblazen is een vormgevingstechnologie die veel op extrusie lijkt. De verwarmde en weekgeworden polyetheen komt continu uit de extrusiemachine. Door de spuitmond loopt een opening, waaruit lucht wordt geblazen. De plastische polyetheen wordt zo 'opgeblazen' tot een folie van 0,1-0,5 mm dik. De folie wordt op rollen verkocht of er worden zakjes van gemaakt. De consument gebruikt verpakkingsfolie meestal maar een keer, waarna het bij het huisvuil terecht komt. Polyetheen breekt op de vuilnisbelt maar langzaam af. Polyetheen is een zeer bestendige plastic, wat wil zeggen dat polyetheen nauwelijks met stoffen uit de omgeving reageert. Ook krijgen micro-organismen (schimmels en bacterin) er geen grip op. Een stuk polyetheen kan tientallen jaren in het milieu blijven zonder te 'verteren'. Polystyreen, perspex en polyesters zijn minder bestendig. Perspex en polyester zijn bv. aan te tasten door zure regen; maar ook dit duurt vele jaren.

Folieblaasinstallatie

Een deel van het afval polyetheen gaat naar een verbrandingsoven voor huisvuil. In proef 2 heb je gezien dat polyetheen zeer goed brandt. Bij het ver