Compositie in C

Dit is een gebruikersessay geschreven door Franciscus 21 maart 2016 12:00 (CET)

Kunststoffen

Steeds weer wordt er gezocht naar nieuwe materialen. Niet tevreden met de eigenschappen van de bestaande soorten, is men er voortdurend op uit om materialen te vinden met eigenschappen die boven de bestaande mogelijkheden uitgaan.
De grote groep materialen die op vrij spectaculaire wijze aan dit verlangen tegemoet komt, zijn de Kunststoffen.
We hoeven maar even om ons heen te kijken, om te constateren, dat letterlijk overal kunststoffen worden toegepast. Geen tak van de wetenschap of van de industrie kan het nog zonder deze interessante en veelzijdige materialen stellen, om over de vele huishoudelijke toepassingen nog maar te zwijgen…..
In dit lemma zal getracht worden enig inzicht te verschaffen in de eigenschappen en de structuur van enkele bekende kunststoffen.
Op dit moment zijn de kunststoffen – door sommigen ook wel plastics genoemd – al zodanig in ons bestaan gedrongen, dat er van een totale ontwrichting sprake zou zijn, als ze plotseling zouden verdwijnen.

Het veelzijdige element Koolstof

Bij Compositie in C denk je natuurlijk gelijk aan een muziekstuk. De eerste symfonie van Ludwig van Beethoven is bijvoorbeeld in C groot geschreven, net als de Symphonie Fantastique van Hector Berlioz.

Die kant gaan we hier niet op!

Maar waarom heet dit essay dan toch Compositie in C?

Dat ligt nogal voor de hand, want het gaat hier om Kunststoffen. De basis van de kunststoffen is gelegen in koolstofatomen ( symbool : C ). Die staan hierbij niet op zichzelf maar vormen verbindingen met elementen als waterstof ( H ), waardoor bijvoorbeeld Etheen ontstaat, ( C₂H₄ ), of met waterstof en chloor ( C₂H₃Cl ), waardoor Vinylchloride wordt verkregen.

Er is hier dus met recht sprake van een compositie!

Polymeren

De kunststoffen worden geschaard onder de algemene naam Polymeren.
Bij polymeren wordt uitgegaan van laagmoleculaire stoffen - algemeen als monomeer ¹⁾ aangeduid - die door een reactie tot langgerekte moleculen - polymeren ²⁾ - worden omgevormd. Zo wordt het eerder genoemde monomeer Etheen omgevormd tot Polytheen (PE), of wordt Vinylchloride omgezet in het ons zo vertrouwde Polyvinylchloride (PVC). Hier is dus sprake van een overgang van moleculaire stoffen naar macromoleculaire stoffen, die pas in deze vorm geschikt zijn om er voorwerpen van te maken.

Polymeren kunnen zeer lang zijn: vaak bestaan ze uit enige duizenden monomeren.

Reactietypen

Om van monomeren tot polymeren te komen, zijn er drie reactietypen te onderscheiden:

1. Polymerisatie

Door inwerking van energie - bijvoorbeeld licht en warmte en een katalysator - worden de individuele moleculen ( positie A ) van een monomeer zodanig omgezet, dat er nieuwe bindingsplaatsen ontstaan ( positie B ). Hierdoor kunnen deze tot lange ketens uitgroeien ( positie C ) die - zoals reeds aangeduid - Polymeren worden genoemd. Een polymeer kan dus worden opgevat als een keten van zichzelf herhalende moleculen. Chemisch gezien, kunnen de dubbele koolstofverbindingen ( C=C ) van bijvoorbeeld het monomeer Vinylchloride op eenvoudige wijze worden opengebroken. Hierdoor ontstaan steeds twee nieuwe bindingsplaatsen.In de afbeelding hierna wordt schematisch de overgang van het monomeer vinylchloride naar het polymeer polyvinylchloride weergegeven.

Polymerisatie van Vinylchloride naar Polyvinylchloride

De indice n - rechts van de afbeelding - is hierbij een geheel getal en stelt het aantal keren voor dat het monomeer in de polymeerketen voorkomt. Dit getal wordt de polymerisatiegraad van een polymeerketen genoemd.
Voor PVC wordt meestal een getal tussen de 800 en 1000 aangehouden. Bij Polyetheen is zelfs een polymerisatiegraad van 5000 mogelijk.

2. Polycondensatie

Polycondensatie verloopt op iets andere wijze dan de Polymerisatie, maar het voornaamste kenmerk - een laagmoleculair materiaal omzetten in een macromoleculair materiaal - blijft aan de orde ( posities A, B en C ). Polycondensatie kan zowel met een zure als een basische katalysator uitgevoerd worden. Zure katalysatoren zijn bijvoorbeeld zwavelzuur of oxaalzuur.
Polyamide ( nylon ) wordt volgens dit principe verkregen en in het bijzonder de thermohardende materialen als PUR ( Polyurethaan ) en Melamine en niet te vergeten - het weliswaar oude, maar nog steeds gebruikte
Bakeliet ³⁾ , met als basis Fenolhars. Fenolhars is een kunsthars verkregen door de condensatiepolymerisatie van fenol met formaldehyde: het fenolformaldehyde.

Bij polycondensatie komen in sommige gevallen nevenproducten vrij als water, zoutzuur of ammoniak, die afgevoerd moeten worden.

3. Polyadditie

Polyadditie ( Latijn: addere = toevoegen ) lijkt wat zijn reactietype betreft nog het meest op Polycondensatie. Er is echter één groot verschil: net als bij Polymerisatie worden er geen nevenproducten bij het proces gevormd.
Polyadditie - ook wel additiepolymerisatie genoemd - is mogelijk bij onverzadigde verbindingen, dus bij dubbele of drievoudige bindingen in de koolstofketen, zoals bij Etheen ( C₂H₄ ) het geval is. Normaal betekent dit, dat zo'n dubbele binding openbreekt ( posities A en B ), waarna de opengevallen plaatsen zich binden aan andere atomen of atoomgroepen ( positie C ). Polyadditie vindt plaats doordat tijdens de reactie de moleculen van een monomeer steeds met zichzelf reageren.

Indeling naar eigenschappen

De kunststoffen worden ingedeeld in drie grote groepen, die duidelijk andere eigenschappen en structuren bezitten. Deze indeling is als volgt:

Thermoplasten

Thermoplasten zijn plastische polymeren, die met behulp van warmte in een bepaalde vorm worden gebracht. Na afkoeling blijft het materiaal dan onder normale gebruiksomstandigheden deze vorm houden.
Een thermoplast kan - nadat een vorm is ontstaan - door verwarming weer in de oude toestand worden teruggebracht.

De structuur van een thermoplast is opgebouwd uit lineaire en vertakte ketens.

Voorbeelden van thermoplasten zijn:

• Polyvinylchloride ( PVC )

• Polypropeen/polypropyleen ( PP )

• Polyetheen/polyethyleen ( PE )

• Polystyreen ( PS )

Thermoharders

Thermoharders zijn materialen die - net als thermoplasten - met behulp van warmte in een bepaalde vorm worden gebracht. Als thermoharders eenmaal een bepaalde vorm bezitten, dan kunnen deze niet meer in de oude toestand worden teruggebracht. Bij sterke verhitting zal een thermoharder niet meer smelten, maar overgaan in ontleding en verkoling.

De structuur van een thermoharder bestaat uit een fijnmazig, driedimensionaal vertakt netwerk, dat ook wel crosslinking wordt genoemd.

Voorbeelden van thermoharders zijn:

• Polyurethaan( PUR )

• Fenolformaldehyde( bakeliet )

• Melamine

Elastomeren

Elastomeren bevatten thermoharders én thermoplasten, die - net als de thermoplasten en thermoharders - met behulp van warmte in een bepaalde vorm worden gebracht.
Elastomeren bezitten de eigenschap, dat zij na een opgelegde mechanische vervorming weer kunnen terugkeren naar de oorspronkelijke vorm. De zeer flexibele polymeerketens rekken uit bij zo'n vervorming en veren weer terug naar de oorspronkelijke toestand.

De structuur van een elastomeer bestaat uit een grofmazig, driedimensionaal vertakt netwerk.

Voorbeelden van elastomeren zijn:

• Rubber

• Cellulose

• Om bruikbare rubber te verkrijgen, moeten eerst chemisch de oorspronkelijke lineaire ketens met elkaar worden verbonden. Hierbij wordt het plastische materiaal omgevormd tot een elastisch product met rubberachtige eigenschappen. Dit proces noemt men vulkaniseren ⁴⁾.
• De primaire bron voor de aanmaak van cellulose is hout, maar ook vezels en textiel worden hiervoor genomen ^5).

Structuren van de kunststoffen

Nabeschouwing

In dit essay is getracht enig inzicht te verschaffen in de tamelijk gecompliceerde achtergronden van de kunststoffen, waarvan de kern wordt gevormd door het element koolstof ( C ). Gebleken is, dat kunststoffen uiteenlopende eigenschappen of structuren kunnen bezitten, maar dat er steeds koolstof aan te pas moet komen.

Met recht kan hier dus worden gesproken van Compositie in C!

Geprobeerd is ook duidelijk te maken, dat de eigenschappen van koolstof, door de verbinding met andere elementen, sterk worden gewijzigd, en dat er vele soorten kunststoffen zijn ontwikkeld.

In dit essay is nagelaten de vele toepassingen van de diverse soorten kunststoffen verder uit te diepen, aangezien dit een apart lemma vraagt.

Bronvermelding

Bronnen, noten en/of referenties:

¹⁾ Monomeer (Grieks: Monos = alleen, meros = deel)

De term monomeer wordt algemeen gebruikt voor de basiseenheid

waaruit een polymeer is opgebouwd.

²⁾ Polymeer (Grieks: Polus = veel)

³⁾ Bakeliet dankt zijn naam aan Hendrik Arthur Baekeland (1863-1944) een Belgische scheikundige, die in begin van de twintigste eeuw met mengsels van fenol en formaldehyde experimenteerde. Na lang zoeken ontwikkelde hij omstreeks 1907 hieruit de kunststof Bakeliet. Bakeliet als geregistreerde merknaam voor fenolhars, wordt beschouwd als de allereerste volledig synthetische kunststof.

Bakeliet wordt onder hoge druk in allerlei vormen geperst, waardoor de voorwerpen over een grote mechanische stevigheid beschikken. Ook bezit het materiaal en hoog elektrisch isolatievermogen, zodat het een ruime toepassing in de elektrotechniek heeft kunnen verwerven.

Om van het fenolformaldehyde bruikbare producten te kunnen vervaardigen, worden er bij de fabricage vulstoffen aan de hars toegevoegd als houtmeel en vezels. Hierdoor wordt het bakeliet ondoorzichtig en sterk.

Vooral in de jaren '30 van de vorige eeuw werden zeer veel voorwerpen en gebruiksgoederen van bakeliet gemaakt, zoals klokken, lampen, microfoons, industriële verlichting, schakelmateriaal en stopcontacten. Ook in het huishouden was veel bakeliet te vinden. Denk bijvoorbeeld aan TV-toestellen, radio’s, luidsprekers en telefoons, of handvatten van pannen.

Hoewel bakeliet voor een groot deel plaats heeft moeten maken voor andere kunststoffen die geschikt zijn voor steeds veelzijdiger toepassingen als Melamine, is bakeliet nog steeds in trek. Bakeliet wordt bijvoorbeeld nog altijd in de autoindustrie gebruikt voor de productie van onderdelen die ook bij een hoge temperaturen moeten blijven functioneren, zoals de water- en de benzinepomp.

En de oude producten zijn - voor zover nog voorhanden - een tweede leven begonnen in het verzamelaarscircuit. Voor sommige bakelieten gebruiksvoorwerpen uit de 20 ^e eeuw worden hoge bedragen neergeteld.

Dat bakeliet momenteel hard bezig is aan een 'tweede leven' heeft misschien ook iets te maken met de hang naar vroeger. Bij het herstellen van bijvoorbeeld panden uit de jaren '30 van de vorige eeuw wordt er veel tijd en geld gestoken in het in de oude staat brengen ervan. Daar horen natuurlijk ook de schakelaars en wandcontactdozen van bakeliet bij. Er zijn in Nederland al enkele fabrieken, die zich uitsluitend toeleggen op de fabricage van dit soort materiaal.

⁴⁾ Rubber kan worden beschouwd als een natuurlijke kunststof. Het wordt gewonnen uit de harsachtige afscheiding - latex genoemd - afkomstig van rubberbomen als de Hevea Brasiliensis.

Deze latex bestaat uit lange strengen die ongeordend in de massa liggen en zeer bewegelijk zijn. In deze toestand is het rubber niet vormvast en onbruikbaar. Vormvastheid wordt bereikt, door bij verhoogde temperatuur zwavel toe te voegen, waardoor de losse strengen met elkaar worden verbonden en er voorwerpen van gemaakt kunnen worden.

Dit proces - het vulkaniseren - werd ontdekt door Charles Goodyear omstreeks 1840.

Aangezien zwavel meestal wordt gewonnen in de nabijheid van vulkanen, heeft men de behandeling vulkaniseren genoemd.

⁵⁾ ( Cellulose ) Al in het midden van de 19e eeuw waren chemici bezig van het natuurproduct cellulose kunstzijde te maken. Dat was nadat men cellulose met andere stoffen liet reageren, waaruit een bruikbare, natuurlijke polymeer ontstond. Later zijn er nog verdere ontwikkelingen op gang gekomen en kon cellulose voor allerlei doeleinden worden toegepast.

Ook nu nog wordt cellulose veel gebruikt, zoals onder meer voor de fabricage van papier, textiel, watten en viscose, maar wordt ook toegepast in de bouw als isolatiemateriaal voor akoestische isolatie en warmte-isolatie. Ook zijn er nog steeds celluloselakken in de handel, die zeer snel drogen en veel worden toegepast

Celluloid - de naam van een groep chemische verbindingen op basis van nitrocellulose en kamfer, kleurstoffen en hulpstoffen - werd tot kort zeer veel toegepast. Denk aan foto- en filmmateriaal of aan de tafeltennisbal - in de volksmond meestal pingpongbal genoemd - die in 1880 zijn eerste octrooi verkreeg.

Op 1 juli 2014 is de kunststofbal door de Internationale Tafeltennisfederatie ITTF officieel geïntroduceerd en heeft hiermee de celluloidbal voor wedstrijden zijn langste tijd wel gehad.