Zelfherstellende materialen (3 hv) - 3 Geheugenkunststoffen

Inleiding
De dertiger jaren van de vorige eeuw was het tijdperk van de eerste kunststoffen.
De ontdekking van kunststoffen was eigenlijk een ongeluk of anders gezegd een toevalstreffer.
Maar dan wel een toevalstreffer die onze maatschappij enorm veranderde met geheel nieuwe toepassingen als nylons, goede verven, prima lijmen, prachtige kleding en zelfs chirurgische garens die in het lichaam oplossen.

Voor de eigenschappen van een kunststof proberen we een kijkje te nemen in het binnenste, het allerkleinste van zo’n kunststof: het molecuul. We kennen in de wereld van het molecuul (de microwereld), kleine en grote moleculen, langgerekte maar ook bolvormige.


Figuur 1: Je kunt een model ‘met je hoofd’ maken.

Moleculen van een kunststof zijn langgerekt. Heeft het nou zin dat chemici zoiets hebben ontdekt?
Laten we een voorbeeld nemen. We vergelijken een kaars (van bijenwas) met een speelgoedtreintje (van polyetheen). Bijenwas is zacht, als je erin knijpt, voel je dat ook, terwijl polyetheen, als je erin knijpt, hard aanvoelt. Uit onderzoek blijkt dat de moleculen van een bijenwaskaars niet zo lang zijn als die van polyetheen. Wat heb je daar nou aan? Kennelijk bepaalt de lengte van het molecuul de eigenschap van de stof.

We kijken nog even verder in de microwereld van de moleculen.
Om een beter inzicht te krijgen wat zich hier nu afspeelt, gebruiken we onze fantasie.
Laten we de moleculen van de bijenwaskaars en die van de speelgoedtrein van polyetheen vergelijken. Stel je bijenwas voor als gekookte macaroni en polyetheen als gekookte spaghettislierten. Als je macaroni uit elkaar wilt halen, gaat dit vrij makkelijk. Je hoeft er maar weinig voor te doen. Als je de spaghettislierten uit elkaar wilt halen lukt dit bijna niet omdat de slierten aan elkaar blijven kleven.
Als we nu teruggaan naar de bijenwas- en de polyetheenmoleculen kunnen we ons nu makkelijker een voorstelling maken. Bij bijenwas laten de moleculen elkaar makkelijk los omdat de ketens kort zijn en bij polyetheen moeilijker omdat ze lang zijn.

Een kunststof is opgebouwd uit lange moleculen. Hoe langer het molecuul des te groter is de aantrekking van de moleculen onderling. Deze aantrekking zorgt ervoor dat de kunststof bij kamertemperatuur een vaste stof is. Is de aantrekking groot dan is de kunststof ook hard.
De moleculen van bijenwas zijn korter dan die van het speelgoedtreintje. Kortere moleculen maken de stof zachter. Bij de bijenwas is de aantrekking dus ook kleiner.

     
Trekkrachten                                                                         Trekkrachten
Kleine moleculen kun je makkelijk uit elkaar halen.                        Grote moleculen zijn verstrengeld.
        
Figuur 2: Vergelijking van kleine en grote moleculen.

Nog wat vanuit de microwereld. Alle kunststoffen hebben één ding gemeen, ze bestaan allemaal uit lange moleculen. We spreken meestal over lange ketens, die opgebouwd zijn uit steeds dezelfde uitgangsstof. Elke uitgangsstof, monomeer genoemd, is een klein molecuul. Het monomeer vormt een lange keten zoals je met steeds dezelfde kralen een lange ketting kunt rijgen. Dit geldt voor alle polymeren of ze nu natuurlijk (wol, zijde, rubber, katoen) zijn of dat ze synthetisch (nylon, polyetheen, neopreen) zijn.

Kunststoffen worden door chemici polymeren genoemd. Waar komt die naam vandaan?
Stel je het volgende model voor.
Je rijgt een ketting van kralen. Elke kraal stelt een monomeermolecuul voor.
Je maakt hiervan een kralenketting. Het resultaat is een polymeermolecuul.
Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt, voorafgegaan door het woord poly (poly = veel). Je kunt dus zeggen dat veel monomeren samen een polymeer vormen.

Opdracht 1: Bouw een polymeer
Zie werkblad polymeren.

Hard of zacht
Bij het maken van een polymeer kijken we naar wat we ermee willen doen.
Hebben we een afvoerpijp nodig, dan kiezen we ervoor dat die hard en stevig is.
Kleding moet zacht en lekker te dragen zijn en speelgoed is soms hard en soms zacht. Afhankelijk van het gebruik maken we een bepaald polymeer met de juiste eigenschappen. We weten dat die eigenschappen te maken hebben met de lengte van de moleculen.

We kijken in de microwereld van een polymeer dat polyvinylchloride (pvc) heet.
Pvc is een polymeer dat gebruikt wordt voor afvoerpijpen en speelgoed.
Allebei van hetzelfde polymeer maar afhankelijk van het gebruik is er een verschil in ketenlengte aangebracht. Hierdoor krijgt het polymeer een andere eigenschap, namelijk hard of zacht.
Bij de afvoerpijp moet het duurzaam en hard zijn en bij het speelgoed moet het flexibel en zacht zijn.
In het voorbeeld van de bijenwaskaars en de speelgoedtrein was de lengte van de moleculen van invloed op de zachte of harde stof. In het geval van pvc hebben chemici nog een andere mogelijkheid ontdekt om de zachtheid van een polymeer te regelen.
Aan het polymeer voegt men een vloeistof toe die kleine moleculen heeft. Deze kleine moleculen kruipen tussen de polymeerketens. Hierdoor zitten de ketens van het polymeer verder van elkaar af. Dit zorgt ervoor dat de aantrekking tussen de moleculen zwakker wordt. Hierdoor kunnen de polymeren makkelijk over elkaar glijden. Het polymeer is nu zacht en flexibel. Deze stoffen noemen we weekmakers. Even weer terug naar de vergelijking met spaghetti. Als we tomatensaus hebben toegevoegd glijden de spaghettislierten veel makkelijker langs elkaar.
Wanneer we een kunststof willen produceren waarvan de moleculen niet over elkaar kunnen heen glijden, gaan we uit van een speciaal monomeer. Het speciale monomeer levert een polymeer op die een brug maakt tussen de ene keten en de andere. Als je dan een molecuul bij een keten zou kunnen oppakken, neem je uiteraard de andere die eraan vastzit mee. Zo’n polymeer is vanwege die microstructuur nu hard en stevig. De brug tussen twee ketens noemen we een cross-link (dwarsverbinding).

Kleding met weekmakers (zacht)

 De moleculen van weekmakers houden de pvc-ketens apart. Hierdoor zijn de krachten zwakker.

Afvoerpijp van pvc zonder weekmaker (hard)  

 
  
De ketens van pvc ligt dicht tegen elkaar aan. Hoe dichter op elkaar hoe sterker de krachten zijn.

Figuur 3: Polyvinylchloride (pvc) kent heel veel toepassingen.


Figuur 4: Polymeren met en zonder cross-links.


Opdracht 2  Een polymeer met cross-links
Zie werkblad polymeren.

Polymeerketens met veel cross-links kunnen nauwelijks meer vrij ten opzichte van elkaar draaien en er vormt zich een “star/stijf” polymeermolecuul. De kunststof noemen we een thermoharder (thermo komt van temperatuur en harder van de eigenschap hard).
Als er geen cross-links zijn, blijft het polymeer zacht. De ketens kunnen makkelijk over elkaar of langs elkaar glijden. Als we deze polymeren gaan verhitten, worden ze steeds zachter tot ze vloeibaar worden. Zo’n polymeer noemen we een thermoplast (thermo komt van temperatuur en plast van de eigenschap flexibel).

 
Thermoharder                                             Thermoplast
Putdeksels                                                  Strijkkralen


Verpakkingsmateriaal
De ontwikkeling van verschillende polymeren heeft de maatschappij veel opgeleverd.
Er kleven jammer genoeg ook nadelen aan sommige polymeren. Een groot nadeel is het afval. Denk eens aan alle plastic limonadeflesjes die op de afvalhoop terechtkomen. Die flesjes zijn vaak niet afbreekbaar; zij kunnen beter net als de rest van het huisvuil verbrand worden. Bij de verbranding van deze soorten polymeren kunnen giftige dampen ontstaan die weer slecht zijn voor het milieu. Als afval correct wordt verbrand (bijvoorbeeld door VAM in Drenthe), wordt erop toegezien dat de verbranding op verantwoorde wijze plaatsvindt.
Onder andere door het afvalprobleem heeft de chemische industrie zich gestort op de ontwikkeling van afbreekbare polymeren. Maar er zijn veel meer nieuwe kunststoffen gemaakt. Zelfs kunststoffen die een geheugen hebben.

Opdracht 3  Diverse soorten verpakkingsmateriaal
Zie werkblad polymeren.

Geheugenkunststof
Wat moet je je daarbij nou voorstellen: geheugenkunststof? Hoe past dat in zelfherstellende materialen? Stel je voor dat je een autobumper van geheugenkunststof hebt. Na een botsing even verwarmen en hup de bumper is weer in de oude vorm terug. Toekomstmuziek? Nee, het gaat echt om een kunststof die onder bepaalde omstandigheden is veranderd is weer teruggebracht kan worden in de oorspronkelijke toestand. Opdracht 4 geeft je de mogelijkheid om daarmee te experimenteren. De kunststof is nog maar net op de markt en de toepassingen moeten nog bedacht worden.


 
Hier boven is een afbeelding te zien van geheugenkunststof.
De geheugenkunststof is rechthoekig van vorm.
Als we zo’n plaatje geheugenkunststof gaan verwarmen (naar vloeitemperatuur), kunnen we het plaatje oprollen of uittrekken (zie foto).
Als we het plaatje daarna afkoelen, blijft het in zijn nieuwe vorm zitten.
Als we het plaatje weer op een bepaalde temperatuur brengen (vloeitemperatuur), keert de geheugenkunststof weer in zijn oorspronkelijke vorm terug.


Opdracht 4  Een kunststof met een geheugen
Zie werkblad polymeren.

Opdracht 5: Een ander soort geheugenkunststof?
Zie werkblad polymeren.