Kautschuk

Report
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich 15: Chemie
Übung im Experimentalvortrag
Sommersemester 2010
Henrik Laßmann
Gliederung
1. Was ist Kautschuk?
2. Gewinnung der Latexmilch
3. Rohkautschuk
4. Vom Kautschuk zum Gummi
5. Verwendung von Kautschuk
6. Kautschuk in der Schule
2
1. Was ist Kautschuk?
Die Wortherkunft
 Maya „caao-chu“
(„weinender Baum“)
 Französisch: „caoutchouc“
 Deutsch: „Kautschuk“
http://www.reifensuchmaschine.de/reifen/kautschuk-reifen/
kautschukbaum.jpg
3
1. Was ist Kautschuk?
Der weinende Baum
 „Hevea brasiliensis“ –
botanischer Name des
„weinenden Baumes“
 Heimat: Amazonasgebiet
 Gruppe der
Wolfsmilchgewächse
 Wichtigster Naturkautschuklieferant: 90 %
 95 % des Naturkautschuks
aus Südost-Asien
http://online-media.uni-marburg.de/biologie/
nutzpflanzen/carina/Gummi2.jpg
4
1. Was ist Kautschuk?
Der weinende Baum
 „Hevea brasiliensis“ wächst im Gebiet des
„Kautschukgürtels“
http://www.oldtimerreifen-moeller.de/pictures/kguertl.jpg
5
1. Was ist Kautschuk?
Der weinende Baum
 Milchsaft des Kautschukbaums:
Latex
 Spanisch „leche“ für Milch
 Latex
http://www.virusdoktor.de/patong2005/kautschuk.jpg
6
1. Was ist Kautschuk?
Versuch 1: Tyndall Effekt
Eingesetzte Chemikalien:
 Stark verdünnte Latexmilch
 Kochsalzlösung NaCl(aq)
7
1. Was ist Kautschuk?
Der Tyndall-Effekt
 Kolloidale Lösung
Teilchengrößen vergleichbar mit Wellenlänge des
sichtbaren Lichts
(10 bis 1000 Nanometer)
Dispersion erscheint
homogen
Starke Lichtstreuung
nur bei
kolloidalen Lösungen
http://de.academic.ru/pictures/dewiki/115/sonnenebel.jpg
8
1. Was ist Kautschuk?
Definition
Als Kautschuk wird das Polymer bezeichnet, welches
in der Latexmilch mit einem Anteil von 25 – 40 %
vorliegt:
cis-1,4-Polyisopren
9
1. Was ist Kautschuk?
Latexmilch
 Zusammensetzung:
Massenanteil
Stoff
0,6 – 0,7
Wasser
0,25 – 0,4
Kautschuk
0,015 – 0,02
Harze
0,015 – 0,02
Proteine
0,005 – 0,01
Mineralstoffe
10
1. Was ist Kautschuk?
Versuch 2: Doppelbindungsnachweis
Eingesetzte Chemikalien:
 Brom Br2(l) in Eisessig CH3COOH(aq)
 Kautschuk in Toluol C7H8(l)
11
1. Was ist Kautschuk?
Doppelbindungsnachweis
 Bromaddition an Doppelbindungen:
H 3C
H 3C
+
Br
Br

Br
n
n
Br 
cis-1,4 -P olyisop ren
CH3


Br
H 3C
Br
Br
Br
-
+
n
B rom on iu m -Ion
n
12
2. Gewinnung der Latexmilch
 Gewinnung durch Einschnitt in
Milchröhren alle 2 Tage
 Diagonale Einschnitte von links
oben nach rechts unten
 Milchröhren spiralförmig
 Ertrag: 20-30 g pro Baum und Tag
http://www.pi-net.ch/fotos/bilder_india/kautschuk01.jpg
13
2. Gewinnung der Latexmilch
http://www.uni-duesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Nutzpflanzen/isopren.pdf; Seite 24
14
2. Gewinnung der Latexmilch
 Auch einheimische Pflanzen besitzen Milchsaft…
- Löwenzahn (Taraxacum)
- Mohn (Papaver)
- Gänsedistel (Sonchus)
 Sehr geringer Gehalt
http://www.dogfood-marengo.ch/kraeuter/
images/loewenzahn2.jpg
15
2. Gewinnung der Latexmilch
 … und manche Zimmerpflanzen:
- Birkenfeige - „Benjamini“ (Ficus benjamina)
16
3. Rohkautschuk
Versuch 3: Latex Koagulation
Eingesetzte Chemikalien
 Verdünnte Latexmilch
 Verdünnte Ameisensäure HCOOH(aq)
17
3. Rohkautschuk
Latex Koagulation
 Kautschuk: unpolares Makromolekül
Grenzflächenaktive Emulgatoren halten K. in Lösung
(hier: Proteine)
KautschukMoleküle
Protein
18
3. Rohkautschuk
Latex Koagulation
 Zugabe von Säure
Zerstörung der Tertiärstruktur der Proteine
Funktionsverlust; Koagulation des Kautschuks
Denaturiertes
Protein
Koagulierter
Kautschuk
19
3. Rohkautschuk
Industrielle Aufarbeitung
 Latexkoagulation mit
Ameisensäure
Schwammartige Matten
http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/
kautschuk/icons/latexsaft_koagulieren.jpg
 Pressen / Prägen
Rubber Sheets
http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/
kautschuk/icons/matten_auspressen.jpg
20
3. Rohkautschuk
Industrielle Aufarbeitung
 Lufttrocknen der Sheets
Air-Dried-Sheets
 Räuchern der Sheets
Smoked Sheets
http://www.swisseduc.ch/geographie/
materialien/rohstoffe_welt/kautschuk/
icons/rubber_sheets.jpg
21
3. Rohkautschuk
Andere Handelsvarianten:
 Gerinnung in langen Trögen, walzen zu Crepes
 Gerinnung in langen Trögen, zerkleinern Granulat,
Heisslufttrocknen
Block Rubber oder Heveacrumb (goldfarbene
Blöcke)
 Ammoniakzugabe zur Latexmilch, aufkonzentrieren
(zentrifugieren/eindampfen)
Latexmilchkonzentrat
22
3. Rohkautschuk
Demonstration 1: Quellvermögen
 Rohkautschuk in Toluol
Vergleichsprobe
Quellung nach 1 Stunde
Quellung nach 1 Tag
23
3. Rohkautschuk
Quellvermögen
 Kautschuk ist ein Thermoplast
Lange, nicht verzweigte Polymere
Rohkautschuk
24
3. Rohkautschuk
Quellvermögen
 Einlagerung von Toluol zwischen Polymerketten
 Abstandsvergrößerung zwischen Polymeren
Quellung
Toluol
Rohkautschuk
25
3. Rohkautschuk
Versuch 4:
Doppelbindungsnachweis in Kautschuk
(Baeyer-Probe)
Eingesetzte Chemikalien:
 Rohkautschuk
 Baeyer-Reagenz
 1. Lösung: Kaliumpermanganat-Lösung KMnO4(aq)
 2. Lösung: Natriumcarbonat-Lösung Na2CO3(aq)
26
3. Rohkautschuk
Baeyer-Probe
 Doppelbindungen reagieren mit Permanganat
 Braunstein als brauner Niederschlag
H 3C
0
CH3
-1
+7
+
MnO
-
H 2O
+1
4 (aq)
+
0
+5
MnO
3 (aq)
n
n
HO
OH
Reduktion
Oxidation
Braunstein
+5
2 MnO
3 (aq)
+4
MnO
2(s)
+
+6
MnO
24
(aq)
27
3. Rohkautschuk
Baeyer-Probe
 Mechanismus: elektrophile Addition
 Syn-Dihydroxylierung
R
R
R
O
O
R
O
Mn
R
R
O
R
R
O
OH
H 2O
+
Mn
O
-
O
R
R
O
O
+5
Mn
-
O
R
-
OH
R
28
O
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Kautschukforschung
 1763: P. I. Macquer stellt Formartikel her
 1770: J. Priestley entdeckt Radiereffekt
 1791: Samuel Peal erfindet gummierte Gewebe
 1823: Charles Macintosh fertigt ersten Regenmantel
 1826: Michael Faraday findet Summenformel einer
Isopreneinheit
 Kautschuk: wenig hitzebeständig, klebrig, spröde bei
Kälte
Forschung zur Verbesserung der Eigenschaften
29
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Kautschukforschung
 1839: Charles Goodyear entdeckt
durch Zufall die Vulkanisation
 Experimente mit verschiedenen
Kautschukmischungen
Schwefel-Kautschuk-Mischung fällt
auf heiße Herdplatte
Entdeckung des Gummis
http://thebsreport.files.wordpress.com/
2009/06/charles_goodyear.jpg
30
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Kautschukforschung
 Patentstreit mit Thomas Hancock
Goodyear bekommt Priorität zugesprochen
1844: Patentanmeldung des Vulkanisationsprozesses
 Goodyear produziert Handschuhe, Zelte
 1855: Goodyear erzeugt erstes Gummikondom (2 mm
Dicke)
31
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Demonstration 2: Vulkanisation
Eingesetzte Chemikalien:
 Latexmilch
 Schwefel S8
 Tensid (Alkylethersulfat)
 Zinkoxid ZnO(s)
32
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
 Latexmilch-, Schwefel-, Tensid-, Zinkoxid-Gemisch
erhitzen
(Trockenschrank: 130 °C; ½ Stunde)
 Gelbes Gummi
33
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Isopreneinheit
+ S8, ΔT
Schwefelbrücken
Naturkautschuk
http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/images/vulkanis.jpg
Gummi (Elastomer)
34
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
 Schwefelmenge bestimmt Vernetzungsgrad
Schwefelmenge
Gummi
2–3%
Weichgummi
5- 15 %
Lederartig/unbrauchbar
30 – 50 %
Hartgummi
35
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Weitere Zusätze:
 Beschleuniger: Setzten Vulkanisationstemperatur
herab, verkürzen Sulfidbrücken
z.B.: Dithiocarbamate (Monosulfidbrücken, ½ Min.
Vulkanisation bei 140 °C)
 Aktivatoren: Metalloxide; Unterstützen
Beschleuniger
z.B.: Zinkoxid
36
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Weitere Zusätze:
 Antioxidanzien: Alterungsschutz, Radikalfänger,
Verhindern Kettenabbau, weitere Vernetzung
 Füllstoffe: Verbesserung von Abrieb und
Reißfestigkeit, Volumenzunahme, Festigkeit
z.B.: Ruß (bessere Reißfestigkeit, weniger Abrieb),
Zinkoxid (Verfestigung), Kreide (Volumenzunahme)
37
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Vulkanisation
Weitere Zusätze:
 Weichmacher: Einstellung des Weichheitsgrades,
Alterungsschutz (z.B.: Paraffine, kurzkettige
Polybutadiene)
 Haftmittel: Verbesserung der Hafteigenschaften auf
Geweben, Metallen (z.B.: Kieselsäure)
 Verzögerer: Verlängerung der Vulkanisationszeit,
verhindern Versengen (z.B.: Benzoesäure)
38
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Demonstration 3:
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Materialien:
 Unvulkanisierte Kautschukmischung
 Magnetrührer mit Heizplatte
 2 Spachtelbleche
 Silikonöl
39
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
 Vulkanisationsapparatur:
Unvulkanisierte Kautschukmischung
Spachtelblech mit Silikonöl
Magnetrührer mit Heizplatte
40
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Unvulkanisierter Kautschuk:
• nicht elastisch (plastisch)
• Verformung bleibt bestehen
Dehnung
41
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Dehnbarkeit Kautschuk vs. Gummi
Gummi:
 Elastisch
 Kehrt in die Ausgangsform zurück
Dehnung
Keine
Krafteinwirkung
42
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Versuch 5: Elastizität von Gummi
Eingesetztes Material:
 Gummiband
 Gewicht
 Heißluftfön
43
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Elastizität von Gummi
 Freie Drehbarkeit der Kettenglieder im Molekül
Stark geknäulte Struktur:
 Bei Dehnung: geordneter Zustand
 Bestreben in den ungeordneteren Zustand
zurückzukehren (statistisch bevorzugt; EntropieEffekt)
 Erwärmen: höhere Teilchenbewegung,
wahrscheinliche Formen werden eingenommen
Gummibandverkürzung
44
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Versuch 6: Schwefelnachweis in Gummi
Eingesetzte Chemikalien:
 Gummiband
 Bleiacetatpapier (Pb(CH3COO)2)
45
4. Vom Kautschuk zum Gummi
Schwefelnachweis in Gummi
 Thermische Zersetzung des Gummis
 Starke Rauchentwicklung
 Bleiacetatpapier zeigt schwarzbraune Verfärbung
Pb2+(aq) + 2 CH3COO-(aq) + H2S(g)
PbS(s) + 2 CH3COOH
schwarz
46
5. Verwendung von Kautschuk
 Autoreifen (60 – 70 %)
 Radiergummi
 Schläuche, Stopfen
 Dichtungsmaterial
http://www.vikingdirekt.at/pictures/
at/vkg/sk/lg/0120_sk_lg.jpg
http://www.hubtraum.de/shop/images/
medium/autoreifen-sp9000_klein.jpg
 Isolierungsmittel
 Latexkleidung
 Handschuhe
 Ballons
 Kondome
…
http://growshop.plazza.ws/img/2/1109.jpg
http://www.latexbay.com/ebay/
zentai/catalog/latex%20s1.jpg
47
6. Kautschuk in der Schule
 Versuche sind schulgeeignet
Bromaddition: Lehrerversuch (HessGISS)
Schwefelnachweis mit Bleiacetat: Lehrerversuch
(HessGISS)
 Fächerübergreifender Unterricht
Biologie, Sozialkunde, Wirtschaft
48
6. Kautschuk in der Schule
 11. Klasse: Eigenschaften und Reaktionen von
Kohlenstoff-Wasserstoff Verbindungen
Kautschuk, Gummi fakultativ
 12. Klasse: Wahlthema Angewandte Chemie
Natürliche Makromoleküle
Kunststoffe
49
Danke für die Aufmerksamkeit!
50
Quellen
Bücher / Magazine:
Mortimer, C., Basiswissen der Chemie, 8. komplett überarbeitete und erweiterte
Auflage, Thieme-Verlag, Stuttgart, 2003.
Vollhardt, C., Organische Chemie, 4. Auflage, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.
KGaA, Weinheim, 2005.
Praxis der Naturwissenschaften Heft 4 1989 Seiten: 42 – 44
Praxis der Naturwissenschaften Heft 5 1992 Seiten: 17 – 10
CD-Rom Verzeichnis:
HessGISS. Unfallkasse Hessen (UKH), Frankfurt, 2006/2007.
51
Quellen
Internet:
http://www.bauchemie.ch.tum.de/master-framework/
?download=1&file=130&ck=7877965832a724fda08d780b6fc50338
http://chemie.fb2.fh-frankfurt.de/KAT/kautschukgeschichte.htm
http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/s
chwefel.vlu/Page/vsc/de/ch/9/mac/netzwerke/vulkan/schwmenge.vscml.html
http://www.friedrich-verlag.de/pdf_preview/d510019_1822.pdf
http://www.hansa-gymnasium-mint.org/n-chemie/projekte/phoenixcompounding/vulkanisation.html
http://macroweb.chemie.unisaarland.de/desknow/directfiles/wenz/Vorlesungen/MC1%20Synthese%20von
%20Polymeren/Literatur/Vulkanisation.pdf
http://www.nachwachsenderohstoffe.de/fileadmin/fnr/images/literatur/L_Heft_l
.pdf
http://online-media.unimarburg.de/biologie/nutzpflanzen/carina/hevea_brasiliensis.htm
http://www.seilnacht.com/Lexikon/k_gummi.html
52
Quellen
http://www.swisseduc.ch/geographie/materialien/rohstoffe_welt/kautschuk/
http://www.thomasmusolf.de/fuer_schueler_und_eltern/Chemie/Semester%201
%20Aufbau%20der%20Materie/V%20Kohlenstoff/Nachweis%20von%20Dopp
elbindungen.pdf
http://www.uni-due.de/~hc0014/S+WM/Wirkung/Tyndall.html
http://www.uniduesseldorf.de/MathNat/Biologie/Didaktik/Nutzpflanzen/isopren.pdf
53

similar documents