Kunststoffe Herstellung einer Folie aus Kartoffelstärke

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1 Kunststoffe Versuch 3: Versuch 104: Versuch 108: Versuch 107: Versuch 110: Versuch 106: Versuch 113: Herstellung einer Folie aus Kartoffelstärke Herstellung von Nylon Herstellung von Perlon Herstellung eines Polyesters Herstellung eines Polyurethans Erkennen von Kunststoffen aufgrund ihrer Dichte (Schwimmprobe) Schmelzverhalten von Kunststoffen Nadeltest zur Identifizierung von Kunststoffen Identifizierung der Kunststoffe durch eine Brennprobe Brennverhalten von Kunststoffen Synthesen Versuch 3: Herstellung einer Folie aus Kartoffelstärke Schülerversuch; 20 min. Geräte Becherglas (250 ml) mit passender Abdeckung (z. B. Uhrglas), Wasserbad (400 ml), Brenner und Dreifuß, Glasstab. Chemikalien Stärke aus Versuch 1 oder Kartoffelstärke aus dem Supermarkt, Glycerinlösung (w = 50 %), Lebensmittelfarbstoffe. Wichtige Hinweise 1. Das Glycerin, das man üblicherweise bekommt, ist nur 85%ig, da es aus der Hydrolyse von Fetten stammt. Verdünnt man diese Lösung nochmals 1:1, so muß man statt 2 ml im Versuch 2,5 ml einsetzen. Sonst hat man zuwenig Weichmacher zugesetzt, die Folie wird spröde und kann nicht von der Unterlage abgezogen werden. 2. Nimmt man keine selbstgewonnene Kartoffelstärke, so darf auf keinen Fall lösliche Stärke aus der Sammlung verwendet werden. Diese bildet wegen des fehlenden Stärkekleisters (Amylopectin) keine Folien! Etwa 4 g feuchte (oder 2,5 g trockene) Stärke werden in einem Becherglas in einer Mischung aus 20 ml Wasser und 2 ml Glycerinlösung (w = 50 %; vergleiche Hinweis!) suspendiert. Zur Färbung der Folie kann man auch noch 1-2 ml Lebensmittelfarbstofflösung zugeben. Die mit einem Uhrglas abgedeckte Mischung wird in einem Wasserbad mindestens 15 min lang gekocht und dabei ab und zu gerührt. Danach sollte das heiße Gel noch so flüssig sein, daß es aus dem Becherglas fließt. Ansonsten könnt ihr etwas Wasser zugeben. Dann müßt ihr die Mischung aber noch einmal aufkochen. Anschließend wird das heiße Gel auf dem Boden einer umgedrehten PE-Schüssel verteilt. Zum Trocknen wird die Schüssel etwa zwei Stunden bei C im Trockenschrank oder über Nacht bei Raumtemperatur gelagert. Die Folie kann dann von der Platte abgezogen werden. Der Rand der abgezogenen Folie sollte mit einer Schere beschnitten werden, um zu dünne oder eingerissene Stellen zu entfernen und um dadurch weiteres Einreißen zu vermeiden. Hinweise 1. Anstelle der PE-Platte keine Glasplatte verwenden, da die Folie hierauf zu stark haftet. 2. Sollte die Folie einmal zu trocken werden, kann sie in einem Exsikkator mit Wasser wieder angefeuchtet werden. Oder man hält sie kurze Zeit in Wasserdampf. Hinweis Nach Angaben von Oliver Tepner (Dortmund) funktioniert die Herstellung der Stärkefolie besonders gut mit Maisstärke ("Mondamin"). Nach seinen Beobachtungen beträgt die Reaktionszeit dann nur etwa 5 min. Er empfiehlt auch, die Stärkemasse auf eine Kunststoff-Folie zu gießen, die auch zum Büchereinbinden geeignet ist. Davon läßt sich die Stärkefolie offenbar besonders gut abziehen. Wir sehen: Dem Forscherdrang sind keine Grenzen gesetzt! Versuch 104: Herstellung von Nylon Demonstrationsversuch; 15 min. Geräte Bechergläser (200 ml), Glasstab.

2 Chemikalien und Material Tetrachlormethan (T,N), Adipinsäurechlorid (C), Hexamethylendiamin, Natriumcarbonat (Xi). Achtung! Mit Tetrachlormethan dürfen nur Schüler der Sekundarstufe II experimentieren. Löse in dem Becherglas 2 g Adipinsäuredichlorid in 50 ml Tetrachlormethan. Darüber schichtest du vorsichtig eine Lösung von 3 g Hexamethylenamin und 0,5 g Natriumcarbonat in 50 ml Wasser. Ergebnis An der Phasengrenze zwischen den beiden Flüssigkeiten bildet sich ein weißer Film, aus dem du mit einem Glasstab langsam einen viele Meter langen Faden herausziehen kannst. Herstellung von Perlon Lehrerversuch; 10 min. Geräte Reagenzglas, Brenner. Chemikalien e-caprolactam (Xn), Natrium (F, C). Erhitze in einem Reagenzglas 2 g Caprolactam und ein streichholzkopfgroßes Stückchen Natrium. Wenn das Caprolactam schmilzt, erhitze vorsichtig weiter, bis das Natrium unter Aufschäumen mit der Schmelze reagiert. Nimm das Reagenzglas aus der Flamme, bis alles Natrium reagiert hat. Erhitze anschließend weiter. Die Schmelze bekommt langsam eine gelb-bräunliche Farbe und wird immer dickflüssiger. Wenn sie die Konsistenz von Honig erreicht hat, lass sie abkühlen. Wenn das Perlon abgekühlt ist, kannst du durch Zerschlagen des Reagenzglases (mit einem Tuch umwickeln, damit die Scherben nicht umherfliegen) die Kunststoffstange aus dem Reagenzglas herausnehmen. Fasse sie aber nicht mit den bloßen Händen an, denn durch das Natrium reagiert der Kunststoff basisch wie eine Lauge. Versuch 108: Herstellung eines Polyesters Demonstrationsversuch; 10 min. Geräte Reagenzglas, Reagenzglasklammer, Bunsenbrenner. Chemikalien und Material Phthalsäureanhydrid (Xi), Glycerin (wasserfrei). Fülle 2 g Phthalsäureanhydrid in ein Reagenzglas und gib 15 ml Glycerin zu. Die Mischung wird erhitzt, bis die Schmelze zähflüssig und bernsteingelb wird. Anschließend läßt du die Masse langsam abkühlen. Nicht unter fließendem Wasser kühlen, da sonst die Masse nicht durchpolymerisiert! Ergebnis Du erhältst nach Zerschlagen des Gläschens einen harten Kunststoffbrocken. Versuch 107: Herstellung eines Polyurethans Lehrerversuch; 10 min. (1) Diphenylmethan-4,4-diisocyanat (2) Tolylen-4,4-diisocyanat (3) Ethylenglykol (4) Triethyldiamin Geräte Becherglas (50 ml). Chemikalien und Material 1,2-Dihydroxyethan (Ethylenglykol) (Xn), Diphenylmethan-4,4-diisocyanat (Xn) (Merck ), Triethyldiamin (1,4- Diazabicyclo[2.2.2]-octan; abk. DABCO; Merck ), destilliertes Wasser. Sicherheitshinweis Dämpfe nicht einatmen! Die Mengen sind so berechnet, daß das Glas gerade ein Schaumhäubchen bildet.

3 Gib in das Becherglas, das auf der Waage steht, ungefähr 2,5 g Ethylenglykol, 0,4 g Wasser und 7,5 g des Diisocyanats. Füge dieser Mischung 0,5 g Aktivator (Triethyldiamin) hinzu und verrühre gut. Nimm das Glas von der Waage herunter und beobachte. Ergebnis Nach kurzer Anlaufzeit beginnt eine heftige Reaktion, bei der sich ein harter Schaum bildet. Hinweis Statt Diphenylmethan-4,4-diisocyanat kannst du auch Tolylen-4,4-diisocyanat einsetzen. Dieses ist reaktiver, deshalb leider auch toxischer. In diesem Fall gibst du nur 5,5 g hinzu. Dann mußt du den Versuch aber auch unter dem Abzug durchführen und mußt bei der Prüfung der Eigenschaften des hergestellten Kunststoffs entsprechend vorsichtig sein. Analysen Erkennen von Kunststoffen aufgrund ihrer Dichte (Schwimmprobe) Schülerversuch; 20 min. Geräte Bechergläser (100 ml). Chemikalien Wasser, Kochsalzlösung (gesättigt), Magnesiumchloridlösung (gesättigt), diverse Kunststoffproben, Schere, Handtuch. Diverse Kunststoffe aus dem Haushalt (s. Tabelle) werden in 2 x 0,5 cm breite Streifen geschnitten. Anschließend untersucht man die Kunststoffe darauf, ob sie in Wasser, einer gesättigten Kochsalzlösung und einer gesättigten Magnesiumchloridlösung schwimmen (Schwimmprobe). Die Kunststoffproben müssen nach jeder Untersuchung gründlich abgetrocknet werden. Auswertung Wäßrige Lösungen von unterschiedlichen Stoffen besitzen auch verschiedene Dichten. Wenn ein untersuchter Kunststoff z. B. in Wasser absinkt, aber in einer gesättigten Kochsalzlösung schwimmt, muß dieser eine eigene Dichte besitzen, die zwischen der von Wasser und gesättigter Kochsalzlösung liegt. Mit den verwendeten Salzlösungen lassen sich vier unterschiedliche Dichtegruppen ermitteln: Die folgende Tabelle zeigt Untersuchungsergebnisse von Schwimmproben mit verschiedenen Kunststoffen und deren Verwendung: Schwimmt in Kunststoff (Verwendung) Wasser gesättigter Kochsalzlösung gesättigter Magnesiumchloridlösung PE Polyethen Einkaufsbeutel, Haushaltsfolie, Schläuche, Reinigerflaschen PP Polypropen Joghurtbecher, Einwegbecher, Batteriekästen, Schuhabsätzen PS Polystyrol, Joghurtbecher, Einwegbecher,Kugelschreiber, Styropor PA Polyamid Dübel, Angelschnur, Brillengestelle, "Nylon" PVC Polyvinylchlorid Bodenbeläge, Duschvorhänge, Abflußrohre, Kabelummantelungen PC Polycarbonat heißwasserbeständige Becher, bruchfeste Verglasung, Lampenabdeckungen CA Celluloseacetat Brillengestelle, Haarspangen, Kämme, Oberlichter PMMA Polymethylmethacrylat Autorücklichter, Lineale, bruchfeste Verglasung, "Plexiglas" MF Melamin-Formaldehyd-Harz Kochlöffel, elektrisches Isoliermaterial, Oberfläche von Küchenmöbeln "Bakelite" Versuch 110: Schmelzverhalten von Kunststoffen Demonstrationsversuch; 20 min.

4 Anmerkung Das Schmelzverhalten gibt Aufschluß über Art und Zusammensetzung von Kunststoffen. Außerdem wird dabei deutlich, daß nicht alle Kunststoffe zum Recyceln umgeschmolzen werden können. Geräte Reagenzgläser, Bunsenbrenner. Chemikalien und Material Verschiedene Kunststoffproben. Fülle Proben von Kunststoffen in Reagenzgläser und erhitze sie zunächst vorsichtig, dann kräftiger. Beschreibe Farbe, Schmelzverhalten, Zersetzung und Bildung von Dämpfen. Prüfe auch vorsichtig den Geruch. Beurteile das Endprodukt. a Schwaches Erhitzen Einige Kunststoffe schmelzen (wie PE, PP, PMMA), ohne sich nennenswert zu verfärben. Andere (wie Gummi und PVC) werden weich und verfärben sich nach Braun. Duroplastische Harze wie Bakelit lassen sich überhaupt nicht schmelzen. b Starkes Erhitzen Bei stärkerem Erhitzen beobachtest du bei PVC, Bakelit und Gummi Verkohlung. PP, PE und Plexiglas (PMMA) zersetzen sich unter Bildung von Dämpfen, die du auffangen kannst. PMMA und PS bilden dabei sogar wasserklare Flüssigkeiten von Monomeren. Mit diesen Destillaten kannst du die Aromatenprobe (-> Versuch 140) oder den Nachweis von Doppelbindungen (Bromieren, Bayer-Probe) durchführen. c Spezielles - PE verhält sich wie Kerzenwachs, riecht auch beim Schmelzen so und wird erst bei hoher Temperatur zerstört. - PP verhält sich ähnlich, riecht aber schärfer. - Duroplaste zersetzen sich völlig unter Verkohlung, wobei die Probe bei Aminoplasten oder Melaminharzen fischig riecht. Bei Phenoplasten (Bakelit) bemerkst du einen deutlichen Geruch nach Phenol, der an überhitzte Schreibtischlampen erinnert. Du erkennst auch den Geruch nach Formaldehyd (Vorsicht bei der Geruchsprobe!) und kannst diesen sogar mit Schiff-Reagenz nachweisen. Hierzu gibst du einen Wattebausch, den du mit der Reagenzlösung tränkst, auf die Reagenzglasmündung. - PVC verkohlt und riecht dabei stark nach Salzsäuredämpfen (Vorsicht bei der Geruchsprobe!). Nachweis: Halte feuchtes Indikatorpapier in den Rauch. - Erhitztes PS riecht so typisch, daß du anhand dessen den Kunststoff identifizieren kannst (Geruch nach angekokelten Legosteinen). Versuch 106: Nadeltest zur Identifizierung von Kunststoffen Schülerversuch; 15 min. Geräte Spitze Stahlnadel mit Griff, Bunsenbrenner oder Gasfeuerzeug. Chemikalien und Material Proben verschiedener Kunststoffe. Erhitze die Stahlnadel in der heißen Bunsenbrennerflamme und steche sie in den Kunststoff. Gehe mit der Nase möglichst nahe an die Einstichstelle und schnuppere. - PE riecht wachsartig. - PU und Melaminharze riechen fischig. - Phenolharze riechen nach Phenol (Desinfektionsmittel). - PS riecht unangenehm süßlich. - PVC riecht nach Salzsäure. Identifizierung der Kunststoffe durch eine Brennprobe Schülerversuch; 10 min. Geräte Bunsenbrenner, Tiegelzange, feuerfeste Unterlage, ph-papier. Chemikalien Verschiedene Kunststoffproben.

5 Achtung: Beim Erhitzen von PVC, PTFE (Teflon) und Polystyrol entstehen z. T. giftige Stoffe, daher unter dem Abzug arbeiten! PVC und PTFE lassen sich mit der Beilsteinprobe erkennen. Halte ein kleines Stück Kunststoff mit der Tiegelzange an den Rand der nicht leuchtenden Brennerflamme. Schau, ob er sich dort entzündet. Entzündet er sich nicht, halte ihn bis zu 10 Sekunden in die Flamme und beobachte, ob er in der Flamme brennt. Nimm ihn anschließend aus der Flamme und überprüfe, ob er weiterbrennt oder ob der Kunststoff tropft. Fächle dir ("so wie ein Chemiker riecht") eine Geruchsprobe der Verbrennungsgase zu. Wenn der Kunststoff noch brennen sollte, puste ihn aus und fächle dir erneut die aufsteigenden Dämpfe zu. Halte in die Verbrennungsgase auch ein angefeuchtetes Stück ph-papier. Aufgrund deiner Beobachtungen kannst du nach den folgenden drei Diagrammen versuchen, den Kunststoff zu bestimmen. Wende das 1. Diagramm an, wenn der Kunststoff nicht in der Brennerflamme brennt. Das 2. Diagramm wende an, wenn er in die Flamme gehalten brennt, aber nach dem Entfernen aus der Brennerflamme verlischt. Das 3. Diagramm findet Anwendung, wenn der Kunststoff nach dem Entfernen aus der Brennerflamme weiter brennt. Im Übrigen: Wenn ihr zu zweit arbeitet und ihr die Kunststoffe kennt, die ihr untersuchen wollt, (meistens stehen die Abkürzungen der Kunststoffe auf den Kunststoffen, vor allen Dingen auf Verpackungen), so könnt ihr auch ein Quiz davon machen; einer sucht sich einen Kunststoff aus und der andere muss ihn dann bestimmen. Versuch 113: Brennverhalten von Kunststoffen Schülerversuch; 15 min. Geräte Tiegelzange, Bunsenbrenner. Chemikalien und Material Proben verschiedener Kunststoffe. Vorsicht bei der Geruchsprobe! Halte Kunststoffstücke in die entleuchtete Bunsenbrennerflamme. Beobachte, ob sich die Stücke entzünden lassen und wie sie gegebenenfalls brennen. Beurteile auch den Geruch. - PE brennt gut; der Rauch riecht wie Kerzenwachs (-> Versuch 103). - Celluloid brennt hervorragend; der Geruch ist chlorartig nach Stickoxiden (-> Versuch 102). - PS brennt mit stark rußender Flamme; der Geruch ist unangenehm süßlich. - PVC muß immer wieder entzündet werden; starke Rußentwicklung. Der Rauch riecht intensiv nach Salzsäuredämpfen. - PU brennt nur unter ständiger Zufuhr von Energie. - Melaminharz brennt nicht allein, sondern nur in der Flamme des Brenners. Geruch nach Fisch und Formaldehyd. - Bakelit brennt ebenfalls nur in der Brennerflamme. Geruch nach Phenol und Formaldehyd.