Biobasierte Kunststoffherstellung

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1 Biobasierte Kunststoffherstellung A: Kunststoff aus Kartoffeln Aufgabe: Stelle aus Kartoffeln Kunststoff her! Kunststoff- gewinnung Chemische Verfahrenstechnik Vorgehen: 1) Erläutere zunächst kurz was bei dem Verfahrensschritt Plastifizierung geschieht, welche Geräte zum Einsatz kommen und welche Materialien verwendet werden. Teilversuch 1: Beschreibe wie man mit einem einfachen Versuch aus Kartoffeln Stärke gewinnen kann. Führe diesen Versuch anschließend durch und bestimme den Anteil der Stärke. 2) Welche biologischen Ausgangsstoffe lassen sich noch verwenden um biobasierte Kunststoffe herzustellen? 3) Überlege dir wie du aus Stärke Kunststoff herstellen kannst. Zeichne dazu ein Blockdiagramm für die Verfahrensschritte. 4) Erkläre warum Weichmacher bei diesem Versuch verwendet werden und skizziere das Prinzip der Plastifizierung. Teilversuch 2: Versuche mit den dir zur Verfügung gestellten chemischen Geräten und Chemikalien ein Verfahren zur Herstellung von biobasierten Kunststoff aus Kartoffeln zu entwickeln. Recherchiere mit welchen für den Verfahrensschritt wichtigen Parametern dabei gearbeitet wird. Parameter sind Mengenangaben der Chemikalien, Temperatur und Zeitangabe für die Einwirkdauer im Rückflusskühler. 5) In welchen Bereichen wird die gewonnene thermoplastische Stärke eingesetzt? 6) Überlege dir anschließend wie du die Festigkeit unterschiedlicher Folien bewerten kannst und wie du deine Folie noch reißfähiger machst.

2 Thema: Biobasierte Kunststoffe 1. Kurzbeschreibung Dieser Versuch gibt einen ersten Eindruck über das Themengebiet der biobasierten Kunststoffe und deren Herstellung. Zunächst wird aus einem nachwachsenden Rohstoff der Ausgangsstoff für die weitere Verarbeitung gewonnen. Danach wird mit einer chemischen Apparatur versucht aus diesem Edukt ein Produkt des alltäglichen Lebens herzustellen. Die SuS sollen dabei zunächst die verfahrenstechnischen Grundlagen verstehen und sich überlegen wie man das Produkt Plastik herstellen kann. Die anschließende Durchführung kann größtenteils Eigenständig geschehen, da zum einen die Gefahrenstoffe hoch verdünnt vorliegen und zum anderen ein Großteil der Versuchsdurchführung ohne diese auskommt. Zum Abschluss können sich Schülerinnen und Schüler überlegen wie sie Werkstoffeigenschaften des Produktes noch verbessern und so forschend weiter arbeiten können. 2. Lernziel Herstellung eines Produktes aus dem alltäglichen Leben aus nachwachsendem Rohstoff Chemisches Experimentieren Werkstoffprüfung und Ergebnisoptimierung Selbständige Erarbeitung eines verfahrenstechnischen Prozesses, aufgebaut aus verschiedenen Grundoperationen 3. Versuchsdauer Recherchearbeit für die Fragen Teilversuch 1 Teilversuch 2 mit Aufbau ca. 90 min ca. 45 min ca. 90 min 4. Auswertung: Frage 1: Bei der Plastifizierung wird ein fester Werkstoff in einen fließfähigen Zustand gebracht um die Weiterverarbeitung zu erleichtern oder überhaupt erst möglich zu machen. Die veränderte Eigenschaft des Körpers kann mit der Viskosität angegeben werden. In Abbildung 1 ist das Scherverhalten eines Körpers mit der Scherkraft F, der Fläche A und dem Scherwinkel α dargestellt. Es entsteht ein sogenannter thermoplastischer Kunststoff, der unterschiedlich hergestellt werden kann. Oft geschieht dieses Aufschmelzen Begriffserklärung Viskosität: Die Viskosität gibt die Zähflüssigkeit eines Körpers an und ist somit ein Maß für die Fließfähigkeit eines Stoffes. Je höher der Wert der Viskosität ist, desto dickflüssiger ist der Stoff. Gemessen werden dabei die Scherkräfte, die in dem Körper wirken. Seite 1

3 bzw. Plastifizieren durch Wärmeeinwirkung und Zugabe von Weichmachern und/oder durch rotierende Plastifizierschnecken. Aufgrund des komplexen Aufbaus solcher Plastifizierschnecken (Abb. 2) wird in diesem Schülerversuch, die Plastifizierung eines Werkstoffes anhand von der Wärmezugabe und dem Vorhandensein von Weichmachern dargestellt. Typische Materialien für Weichmacher bei der Kunststoffherstellung sind Glycerin und Sorbitol, die dem ansonsten meist sehr brüchigen Kunststoff eine bessere Materialeigenschaft verleihen. Abbildung 1: Prinzipielle Darstellung der Scherung eines Festkörpers Frage 2: Biobasierte Kunststoffe lassen sich aus natürlichen Polymeren herstellen. Mais oder Kartoffeln dienen als Ausgangsstoff für Polysaccharide, wie beispielsweise in diesem Versuch die Stärke. Das in der Natur häufigste Polysaccharid ist die Cellulose, welches bei Pflanzen das Stützgerüst darstellt und ebenfalls als biobasierter Ausgangsstoff für Kunststoff dienen kann. Gleichermaßen ein aus dem Holz verwendbares Polymer zur Herstellung von Kunststoff ist das Lignin, das fest in der pflanzlichen Zellwand eingelagert ist und die Verholzung der Pflanze bewirkt. Proteine sind Biopolymere aus Aminosäuren und haben unterschiedlichste Aufgaben bei Lebewesen. In der Milch liegt das Protein Casein vor und wird als Ausgangsstoff für die Kunststoffherstellung verwendet. Weitere Ausgangsstoffe sind Naturkautschuk und Mikroorganismen, die Energiereserven bilden, aus welchen Polyhydroxyalkanoate (PHA) oder Polyhydroxyfettsäuren (PHB) hergestellt werden können. Frage 3: Um aus Stärke ein Kunststoff herzustellen muss die Stärke dafür destrukturiert werden. Dies geschieht mit geeigneten Weichmachern, mechanischer Energie und Wärme. Die ursprüngliche Kristallinität der beiden Bestandteile Amylopektin und Amylose wird dabei zerstört und thermoplastische Stärke (TPS) entsteht. Abbildung 2: Verfahrensschritte der biobasierten Kunststoffherstellung am Beispiel der Kartoffel Seite 3

4 Frage 4: Der nach dem Erwärmen gebildete Stärkekleister entwickelt nach dem Erkalten eine spröde Masse. Um diese Ausbildung von kristallinen Bereichen zu verhindern, werden Weichmacher hinzugegeben. Beim Beispiel des Glycerins lagern sich die die Glycerin-Moleküle zwischen die Stärkemoleküle und bilden Wasserstoffbrückenbindungen (Abbildung 3). Außerdem bindet Glycerin Wasser, was das Austrocknen der Folie verhindert und sie geschmeidiger werden lässt. Abbildung 3: Molekularer Aufbau des Kunststoffmoleküls aus Stärke Stärke + Glycerin Stärke Glycerin Frage 5: Thermoplastische Stärke wird vorüberwiegend im aufgeschäumten Zustand im Transportgewerbe als Verpackungschips verwendet. Darüber hinaus ergeben sich mit geeigneten Weichmachern Anwendungsgebiete bei der Folienherstellung und damit für Produkte wie Beutel, Tragetaschen und Säcke, die sich weiter als Bioabfallbeutel verwenden lassen. Seite 4

5 Gängige Maschinen für dieses Fertigungsverfahren sind Extruder, Kalander und Spritzgussmaschinen. Extruder sind Schneckenpressen, die unter variablem Druck und Temperatur eine Masse aus einer Öffnung herauspressen. Ebenfalls in der Nahrungs- und Futtermittelindustrie wird die Extrudertechnik für die Herstellung von Haustierfutter und Abbildung 4: Plastifizier-Aggregat Cerealienprodukte eingesetzt. Frage 6: Werkstoffprüfende Verfahren wurden für diesen Versuch noch nicht entwickelt und können von den Schülerinnen und Schüler ausgearbeitet werden. Möglichkeiten hierzu sind die Reisfestigkeit bei bestimmter Kraftaufwendung, Biegefestigkeit bei Ausschlag eines Pendels, Hitzeempfindlichkeit und noch weitere Prüfungen. Die Folie hat unterschiedliche Eigenschaften bei unterschiedlichen Weichmachern. Weitere Versuche bestehen darin die Menge an Glycerin zu variieren (3 ml, 6 ml, 10 ml) und unterschiedliche Konzentrationen zu verwenden (55%, 85%) um die Folie so noch reißfester zu kreieren. Auch andere Weichmacher wie Sorbitol können eingesetzt werden. 5. Versuchsdurchführung Teilversuch 1: Stärkegewinnung aus Kartoffeln Materialien: 300 g Kartoffeln Küchenreibe oder Entsafter Becherglas 800 ml Geschirrhandtuch oder Passiertuch Sieb Petrischale Abbildung 5: Stärkesedimentation im Kartoffel/Wasser-Gemisch Seite 5

6 Die Kartoffeln werden in eine Schüssel gerieben. Dies kann mit Hilfe einer einfachen Küchenreibe oder auch mit einem Entsafter durchgeführt werden. Der entstandene Brei wird mit Wasser (500 ml) vermengt und gut umgerührt. Dieses Kartoffel-Wasser-Gemisch wird nun durch ein Geschirrhandtuch oder durch ein Passiertuch durchgepresst. Nachdem das Filtrat für einige Zeit stehen gelassen wurde, setzt sich dort ein Bodensatz ab, der nach dem vorsichtigen Abgießen der Flüssigkeit im Becherglas zurückbleibt. Ist dieser Bodensatz noch nicht rein weiß, wird Wasser nachgeschüttet, wieder gewartet und erneut abgegossen. Der Bodensatz, die Stärke, sollte nun weiß sein und in einer Petrischale zum Trocknen im Trockenschrank gelagert werden. Nach ca. 6 h bei 50 C im Trockenschrank bekommt man anhand der Literaturwerte zwischen 10% - 15% Stärke. Abbildung 6: Getrocknete Stärke Teilversuch 2: Kunststoffherstellung aus Kartoffelstärke Materialien: Dreihalskolben Rückflusskühler Magnetrührer Heizpilz Plexiglasplatte Glycerin (85%) Salzsäure (0,1 mol/l) Natronlauge (0,1 mol/l) Thermometer (Vernier Thermocouple) 5 g der getrockneten Kartoffelstärke aus Versuch 1 werden mit 50 ml destilliertem Wasser und 6 ml Glycerin unter Rühren in den Dreihalskolben gegeben. Nach dem Auflösen der Stärke werden 6 ml Salzsäure als Katalysator der Suspension hinzugegeben. Anschließend wird diese Lösung unter Rühren und mit Hilfe eines Rückflusskühlers auf 100 C erhitzt. Beim Erhitzen ist es wichtig, dass die 100 C nicht überschritten und für 15 min gehalten werden. Dafür bietet es sich an, ein Thermometer über einen der drei Hälse in das Innere des Kolbens zu stecken, um die Temperaturänderung möglichst genau zu bestimmen. Nach der thermischen Aussetzung der Lösung wird 6 ml Natronlauge zur Neutralisation hinzugegeben und bei noch möglichst heißem Ansatz auf eine Plexiglasplatte gegossen. Die dickflüssige Lösung sollte dabei nicht zu dünn über die Platte gestrichen werden, da sich sonst leicht brüchige Stellen entwickeln. Der Kunststoffauftrag muss nun noch für ca. 2 Tage an der frischen Luft oder im Abzug getrocknet werden, bevor er vorsichtig mit Hilfe eines Spachtels von der Platte gelöst werden kann. Abbildung 7: Versuchsaufbau zu Versuch 2 mit Rückflusskühler, Thermometer, Heizpilz und Dreihalskolben Seite 6

7 Abbildung 8: Überblick über die Ausgangsstoffe und Produkte 6. Ausblick Wie schon bei der Lösung zu Frage 6 erwähnt können anschließend zu dieser Einheit Versuche zu Werkstoffprüfungen der Folie folgen. Beispiele wären: Abbildung 9: Abziehen der Folie von der Plexiglasplatte - Reisfestigkeit bei bestimmter Last - Durchbiegung bei Aufprall eines Pendels - Hitzeempfindlichkeit Weiter sind Variationen bei der Wahl des Weichmachers und der Konzentration der Weichmacher mit anschließender Gegenüberstellung der Materialeigenschaften denkbar. Die Schülerinnen und Schüler können den Abbau der Folie dokumentieren, wenn diese der Umwelt ausgesetzt wird (Bedeckung mit Erde, Aussetzung von Regen, ) und diese Beobachtungen mit anderen bioabbaubaren Folien und nicht-abbaubaren Folien vergleichen. Eine anschließende Aufgabenstellung könnte die Flächenbedarfsberechnung von nachwachsenden Rohstoffen sein. Auch der ethische Konflikt, ob Agrarflächen zur Ernährung statt oder für Industriezwecken genutzt wird, kann beleuchtet werden. 7. Materialliste Tabelle 1: Benötigte Artikel mit Bezugsquelle zu Versuch Artikel Bezugsquelle 300 g Kartoffeln Supermarkt Küchenreibe / Entsafter Haushalt Becherglas 800 ml Passiertuch Supermarkt Sieb Supermarkt Petrischale Dreihalskolben Seite 7

8 Rückflusskühler Magnetrührer Heizpilz Plexiglasplatte Glycerin 85% (V = 6 ml) Salzsäure (V = 6 ml; c = 0,1 mol/l) Natronlauge (V = 6 ml; c = 0,1 mol/l) Thermometer (Vernier Thermocouple) Baumarkt / Apotheke vernier-in-der-schule.de 8. Versuchslegende Herausgeber: Autor: Technikinitiative NwT Hochschule Furtwangen Furtwangen University Jakob-Kienzle-Str Villingen-Schwenningen [email protected] Dipl.-Ing. Markus Bur am Orde Erstellt: April 2014 Seite 8