Die Geschichte des Kunststoffes

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1 Die Geschichte des Kunststoffes Institut Vorschulstufe und Primarstufe IVP NMS Bern Modul: Technikwoche 2012 von Stefanie Stauffer und Stefanie Aeschlimann Jahrgang 09, KGU Eingereicht bei Thomas Stuber Frühlingssemester 2012

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Geschichte des Kunststoffes Herstellung von Kunststoff Bedeutung und Funktion des Kunststoffes für den Menschen Umweltbezug Bezug zur technischen Umwelt der Lernenden Mögliche Fragestellungen für Forschungsberichte Didaktische Umsetzungen Quellenverzeichnis Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 1

3 1. Einleitung Wir begegnen täglich verschiedenen Kunststoffen. Unter dem Begriff Kunststoff versteht man im weitesten Sinne: Organische Werkstoffe, die als Makromoleküle aufgebaut sind und durch Umwandlung von Naturprodukten oder durch Synthese von Primärstoffen aus Erdöl, Erdgas oder Kohle entstehen (Arbeitsgemeinschaft Deutsche Kunststoff-Industrie 2009, S. 26). In der Wissenschaft spricht man vom Begriff Polymere. Er ist abgeleitet von den griechischen Wörtern poly = viel und meros = Teil. Zudem unterscheidet man zwischen drei Gruppen von Kunstoffen, den Thermoplasten, den Duroplasten und den Elastomeren (vgl. Wikipedia/Kunststoff). Kunststoffe sind Teil unseres Alltags, zum Beispiel als Zahnbürste, als Handy oder als PET-Flasche. Wir benutzen Kunststoffe ganz selbstverständlich in der Küche, im Auto, bei der Kommunikation oder für Verpackungen. Des Weiteren sind sie auch aus dem modernen Umweltschutz nicht mehr wegzudenken, so zum Beispiel bei Sonnenkollektoren und Windmühlen. 2. Geschichte des Kunststoffes Das Material Kunststoff ist älter als man denkt. In allen Kulturen gab es Vorläufer von Kunststoffen. Schon im Jahre 1531 entdeckte Wolfgang Seidel, eine Benediktinerpater aus Augsburg, dass man aus erkaltetem Magerkäse ein festes Material herstellen kann. In einer langen Prozedur, in welcher er den Käse erhitzte, entstand schliesslich Kunsthorn oder Kasein. Das Material wurde hart und konnte zur Herstellung von Trinkgeschirr, Schmuckstücken und Formen verwendet werden. Abb. 1: Knopf aus Kunsthorn Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 2

4 Im 17. und 18. Jahrhundert brachten Naturforscher aus Malaysia und Brasilien elastische Massen, gewonnen aus milchigen Baumsäften mit. Somit wurde der Begriff Gummi in Deutschland verbreitet, und es entwickelte sich eine rasch wachsende Gummi-Industrie. Der Erfinder Charles Goodyear fand heraus, dass sich Gummi durch Hinzufügen von Schwefel und Vulkanisation in einen Reifenwerkstoff verwandeln lässt. Er fertigte mit dem neuen Material zunächst Gummihandschuhe an. Später entdeckte er auch Hartgummi, aus welchem sich Schmuckstücke, Füllfederhalten, Teile aus Musikinstrumenten etc. herstellen liessen. Dieser erste Duroplast startete die Entwicklung der Kunststoffe im Umfeld des Menschen. Allerdings dauerte es noch lange, bis es gelang, die makromolekularen Naturstoffe künstlich nachzubauen. Dieses Material ist ein wichtiger Werkstoff unserer Zeit. Heute gibt es fast kein Produkt mehr ohne diesen Stoff. Bei der Entwicklung des Zelluloids waren mehrere Chemiker beteiligt. Um 1846 stellte Christian Friedrich Schönbein aus Baumwolle nitrierte Zellulose her. Auch John Wesley Hyatt hatte das gleiche Ziel wie Schönbein, mischte jedoch noch Kampfer hinzu und setzte diese Masse unter Hitze und Druck. Das Ergebnis daraus war Thermoplast, eine Masse die ihre Form behält, selbst wenn man die Kräfte, die sie geformt haben, entfernt. Mit diesem neu entstandenen Material entwickelte Hyatt eine Billardkugel, welche nicht mehr aus Elfenbein hergestellt werden musste befasst sich mit Alexander Parks ein weiterer Erfinder mit der Verarbeitung von Naturgummi. Er beschäftigte sich mit dem Zellulosenitrat und fand ein neues Material, welches in festem, verformbaren und in flüssigem Zustand verwendet werden konnte. Man konnte es wie Metall mit dem Werkezeug bearbeiten und in die gewünschte Form stanzen. Sein neues Material galt als der erste und ursprüngliche Kunststoff. Um 1884 wurde die erste Kunstfaser entwickelt. Dies war der erste Schritt ins Plastikzeitalter. Anfangs des 20. Jahrhunderts waren die Chemiker so weit, dass sie Plastik auch aus künstlich erzeugten Ausgangsstoffen herstellen konnten. Der zweite Schritt ins Pla- Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 3

5 stikzeitalter war somit gelegt. Zur selben Zeit befasst sich Leo Hendrik Baekeland mit der Phenol-Formaldehyd- Reaktion. Das Ziel war, mit diesen beiden Stoffen ein Isolationsmaterial für elektrische Leitungen herzustellen. Nach fünfjähriger Forschung gelang es ihm schliesslich, einen Druckkessel, den Bakelizer, zu entwickeln, in welchem er unlösliche Kondensationsprodukte aus Phenolen und Formaldehyd herstellte. Im Gegensatz zu einer thermoplastischen Verbindung war Bakelit das erste hitzebeständige Plastik. Es konnte als Isolator von Hochspannungsleitungen, als Fassung für Glühbirnen, als Material für Plattenspielergehäuse bis hin zur Zahnbürste verwendet werden. Bakelit war wissenschaftlich das erste voll synthetische Material der Menschheit. Wie die stabile Verbindung von Phenol und Formaldehyd jedoch zustande kam, konnte sich niemand erklären. Der Chemiker Hermann Staudinger fand schliesslich heraus, dass durch die Verknüpfung vieler einzelner Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen (Polymere) Bakelit zu einer stabilen Struktur kommt. Seine Forschungsergebnisse waren die Geburtsstunde der Polymer-Chemie. Zu einem der ersten Materialien, welches durch Polymere hergestellt wurde, gehörte das Acrylglas, besser bekannt als Plexiglas. Abb. 5: Hermann Staudinger Im Jahre 1940 kam das Nylon auf den Markt. Viele Menschen wollten keine Baumwolle mehr tragen, sondern bevorzugten Kleider aus modernen Kunstfasern. Ständig kamen neue Produkte in die Kaufhäuser. Um 1956 startete die massenhafte Herstellung von verschiedenen Materialien, aus welchen heute die meisten Kunststoffprodukte bestehen, zum Beispiel Margarinepackungen, Wischtücher, Frischhaltefolien, Sportkleidungen, Klebebänder oder Müllsäcke. Kunststoffe sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken (vgl. Kunststoff Schweiz). 3. Herstellung von Kunststoff Kunststoff wird aus organischen Produkten hergestellt. Natürliche Produkte wie Zellulose, Kohle, Gas, Salz und Erdöl sind Ausgangsstoffe für die Erzeugung von Kunst- Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 4

6 Kunststoff. In Raffinerien wird Erdöl in seine verschiedenen Bestandteile zerlegt. Ihre Herstellung erfolgt immer durch die Verknüpfung vieler kleiner Moleküle (Monomere) zu den grossen Makromolekülen (Polymere) der Kunststoffe. Natürliche Polymere kommen in Pflanzen und Tieren vor. Hingegen werden synthetische Polymere hauptsächlich aus Erdöl hergestellt. Zur Verknüpfung der Monomere werden je nach chemischen Eigenschaften verschiedene Verfahren verwendet. Die vier wichtigsten Verfahren sind: die Polymerisation, die Polykondensation, die Polyaddition sowie die Vulkanisation. Das Verfahren und die Monomere, welche verwendet werden, sind massgebend beim Entstehen verschiedener Arten von Kunststoffen (vgl. Chemiemacht-Spass). Hier sind verschieden Kunststoffe nach ihren Eigenschaften und Verwendungen aufgelistet: Kunststoff Verwendung PE Polyethen Plastikbeutel, Eimer, Frischhalte- Folie, Bierkästen, Schläuche, Flaschen von Reinigungsmitteln PP Polypropen Einwegbecher, Joghurt-Becher, Batteriekästen, Schuhabsätze Thermoplaste PS Polystyrol PVC Polyvinylchlorid Einwegbecher, Joghurt-Becher, Kugelschreiber, Dia-Rahmen, Tonbandkasseten, Styropor Fussbodenbeläge, Kabelummantelungen, Abflussrohre, Schallplatten, Duschvorhänge, Lüsterklemmen, Schläuche PA Polyamid Dübel, Angelschnur, Brillengestelle, Nylon, Perlon PMMA Polymethylmethacrylat Autorücklichter, Lineale, bruchfeste Verglasungen, Plexiglas Duroplaste MF Melami-Formaldehyd-Harz (Phenoplaste) Kochlöffel, Oberfläche von Küchenmöbeln, elektr. Isoliermaterial, Bakelit Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 5

7 UF Aminoplaste Steckdosen, elektr. Isoliermaterial, Eierbecher, Tabletts, Lichtschalter, Becher Elastomere PUR Polyurethan Vulkanisierter Kautschuk (Gummi) Matratzen, Fugendichtung, Wärmedämmung, Schaumstoffe Gummistiefel, Autoreifen, Latexhandschuhe, Gummibänder, Schnuller, Präservative Abb. 6: Kunststoffe ihre Eigenschaften und Verwendungen 4. Bedeutung und Funktion des Kunststoffes für den Menschen Kunststoffe sind in unserem Alltag von wichtiger Bedeutung. Sie helfen uns in vielerlei Hinsicht das Leben leichter, sicherer, angenehmer und sauberer zu gestalten. Heutzutage werden Kunststoffe überall verwendet und ersetzen andere Materialien wie Papier, Keramik, Metall, Holz oder Glas. Auch in der Autoindustrie ist Kunststoff nicht mehr wegzudenken. Kunststoffe haben eine wichtige Funktion, da sie in allen Berufsfeldern verwendet werden, sei es in der Nahrungs-, Bau-, oder Elektroindustrie. Auch in der Landwirtschaft, der Medizin sowie in der Mobilität und Freizeit wird Kunststoff gebraucht. Dies wird auf den untenstehenden Bildern illustriert (vgl. Plastics Europe). Abb. 7: PET Flasche Abb. 8: Gummibänder Abb. 9: Geodreieck Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 6

8 Abb. 10: Steckdose Abb. 11: Auto Abb. 12: Zahnbürste 5. Umweltbezug Die Problematik für die Umwelt liegt bei der Entsorgung von Kunststoffe. Kunststoff verrottet nur sehr langsam, da die meisten synthetischen Kunstoffe biologisch nicht abbaubar sind. Dies führt dazu, dass auf unserer Welt immer mehr Kunststoffmüll entsteht und unsere Umwelt damit schwerwiegend belastet. Im Weiteren ist auch das Verbrennen von Kunststoffen ein Problem, da dabei giftige Stoffe entstehen, die auch uns Menschen schaden. Deshalb ist es sehr wichtig, dass man Kunststoffe richtig recycelt. Man kann Kunststoffabfälle wieder einschmelzen und neu verarbeiten. So wird der Kunststoffmüll verringert, und Rohstoffe können eingespart werden. Nichts desto trotz darf man auch die Vorteile des Kunststoffes nicht vergessen. Täglich verbessern sie die Lebensqualität des Menschen und schützen natürliche Ressourcen. Das ist sehr wichtig, da wir in einer Welt leben, in der die Bevölkerung ständig zunimmt und der Bedarf an Wasser, Nahrung, Schutz, Hygiene, medizinischer Versorgung und wirtschaftlicher Sicherheit ständig wächst (vgl. Plastics-Europe). 6. Bezug zur technischen Umwelt der Lernenden Kunststoff begleitet die Kinder täglich in ihrem Alltag. Viele Spielzeuge bestehen heutzutage aus Kunststoff, sei dies die Barbiepuppe, die elektrische Eisenbahn oder Legos. Deshalb kann das Thema Kunststoff bereits im Kindergarten spielerisch thematisiert werden. Die Kinder sollen dabei das Grundverständnis bekommen, dass es auf der Welt viele Rohstoffe wie Erdöl, Wasser etc. gibt, welche für die Menschen wichtig sind. Dazu gehört auch, dass darauf geachtet wird die Verwendung, Abb. 13: Barbiepuppe Entsorgung und Wiederverwertung von Kunststoffen im Unterricht zu behandeln. Dies könnte man gut mit dem Thema Abfall umsetzen und dann noch vertieft auf ein Kunststoffmaterial eingehen, z.b. die PET-Flasche. Jedoch haben viele Lehrkräfte Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 7

9 Respekt vor technisch, komplexen Themen. Trotzdem sollte man sich auch mit schwierigeren Themen befassen und diese mit den Kindern behandeln. Die Kinder sind im Grundschulalter von Natur aus neugierig. Dies sollte man als Lehrkraft nutzen und die Kinder fördern. Die Beschäftigung mit technischen und naturwissenschaftlichen Phänomenen auf der Unterstufe legt einen wichtigen Grundstein. Bei den Kindern wird so das Verständnis für Technik und Naturwissenschaft gefördert. Abb.14: Legofigur 7. Mögliche Fragestellungen für Forschungsberichte Forscherfragen für KG 2. Klasse: Was ist Kunststoff (Plastik) Wie sieht Kunststoff (Plastik) aus? Wie fühlt sich Kunststoff (Plastik) an? Versuche die Gegenstände zu sortieren. Welche sind aus Kunststoff (Plastik), welche nicht? Welche Dinge sind aus Kunststoff (Plastik) hergestellt? (Gehe selbst auf Entdeckungsreise im Kindergarten/Schulzimmer) Wie entsorgt man Kunststoff (Plastik)? (Stellt zusammen eine Abfallentsorgungsstation her.) Forscherfragen für Klasse: Was ist Kunststoff? Was besteht alles aus Kunststoff? (Welche Gegenstände im Klassenzimmer sind aus Kunststoff hergestellt?) Nimm das Arbeitsblatt Welche Dinge sind aus Kunststoff gemacht?, und fülle es aus. Kunststoff wächst nicht einfach in der Natur wie Holz oder Gemüse. Wo kommt er her? Lies den Text Wo kommt der Kunststoff her?, und beantworte die Fragen. kuno-schuelerbuch.pdf Wie verhalten sich Kunststoffe im Wasser und in der Erde? Führe das Experiment mit verschiedenen Plastikfolien durch. Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 8

10 Wo entsorgt man den Kunststoff? Informiere dich mit Hilfe des Textes Wohin mit dem Kunststoffmüll? Was wird aus dem recycelten Material hergestellt? Entsteht wieder ein gleichwertiges oder ein völlig anderes Produkt? Suche in der Bibliothek und im Internet nach Informationen. 8. Didaktische Umsetzungen Umsetzung für die KGU Stufe: PET- Flaschenfiguren verhüllen und verkleiden (Weber 2005, S.145f.) Material: PET-Flaschen, für Kinderhände sind auch 0.5l Flaschen geeignet Styroporkugeln Makulaturpapier Tapetenkleister Alttextilien, Stoffreste, Acrylfarbe Glasstecknadeln mit schwarzen Knöpfen Allenfalls Wolle oder Plüsch für die Haare Diese didaktische Umsetzung eignet sich sehr gut, um sie mit Kindern der KGU Stufe durchzuführen. PET- Flaschen kann man schnell und zu günstigen Preisen auftreiben, und die Kinder kennen sie bestens aus ihrem Alltag. Das Verfahren ist nicht sehr aufwändig und einfach. Zudem lieben es die Kinder im Grundschulalter, sich selber oder Puppen und andere Gegenstände einzukleiden. Umsetzung für die Mittelstufe: Tetra Pak Etui Material: Tetra Pak, gut eignen sich Milch oder sonstige Getränkebeuteln Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 9

11 Durchsichtige Klebfolie Bostitch Blaues Isolierband Klettverschluss Da diese Umsetzung bereits etwas mehr Geschicklichkeit voraussetzt als die PET Flaschenfigur, eignet sie sich besser für Kinder der Mittelstufe. So wie ihnen die PET Flaschen bekannt sind, kennen sie auch verschiedene Tetraverpackungen zur Genüge. Ein Etui können die Schulkinder gut brauchen, und einmal ein aussergewöhnliches Etui selber zu machen, bereitet ihnen bestimmt Freude. Abb. 15: Tetra Pak Etui 9. Quellenverzeichnis Literaturverzeichnis Arbeitsgemeinschaft Deutsche Kunststoffe (2009): Kunststoffe Werkstoffe unsere Zeit. Frankfurt am Main: Druck- und Verlagshaus Zarbock. Weber, Karolin (2005): Werkweiser 1 für technisches und textiles Gestalten. Handbuch für Lehrkräfte. Kindergarten bis 2. Schuljahr. Bern: Schulverlag. Internetquellen Chemie-macht-Spass: ( ) Kunststoff-Schweiz: seite.html, ( ). Plastics-Europe: ( ). Plastics-Europe : ( ) Wikipedia/Kunststoff: Bilderverzeichnis Titelseite: Kunststoff, aus: Abb. 1: Knopf aus Kunsthorn, aus: Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 10

12 Abb. 2: Charles Goodyear, aus: 0px-Charles_Goodyear.png Abb. 3: Produktion von Billardkugeln, aus: Abb. 4: Bakelizer, aus: Abb. 5: Hermann Staudinger, aus: Abb. 6: Kunststoffe ihre Eigenschaften und Verwendungen, aus: macht-spass.de/projekte/moerderische_chemie/gruppe1/chemie-kunststoffe- Referat.htm Abb. 7: PET Flasche, aus: Abb. 8: Gummibänder, aus: Abb. 9: Geodreieck, aus: b8659d99db868d3a02e0.jpg Abb. 10: Steckdose, aus: jpg Abb. 11: Auto, aus Kompakt-VW-Golf.jpg Abb. 12: Zahnbürste, aus: Abb. 13: Barbiepuppe, aus: SQ/s1600/quintessentialbarbieiiiiii jpg Abb. 14: Legofigur, aus Abb. 15: PET Flaschenfigur, hergestellt und fotografiert von Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer Abb. 16: Tetra Pak Etui, hergestellt von Stefanie Aeschlimann und fotografiert von Stefanie Stauffer Stefanie Aeschlimann und Stefanie Stauffer 11