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Biokunststoffe 10:07 min

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Transkript Biokunststoffe

Kunststoffe sind in der Zivilation von herausragender Bedeutung. Das grundsätzliche Problem dabei ist, dass manche davon nach dem Gebrauch nicht verrotten. Daher sucht man nach Alternativen. Man hat sie gefunden. Der Ausweg heißt: BIOKUNSTSTOFFE Was sind BIOKUNSTSTOFFE ? Der Begriff an sich ist ein Widerspruch in sich. „Bioplaste“ wäre glücklicher, ist aber unüblich. Im Video wollen wir unterscheiden zwischen den „Biopolymeren“ und den BIOKUNSTSTOFFEN. Zu den ersten zählen wir von Organismen produzierte Polymere wie Cellulose oder Stärke. BIOKUNSTSTOFFE sind vom Menschen vollständig oder teilweise gefertigte Kunstoffe, die „Bio“ sind. Konkreter: Ein BIOKUNSTSTOFF ist ein Kunststoff mit mindestens einer der folgenden drei Eigenschaften: Er wird aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt (biobasierte Kunststoffe) Er ist biologisch abbaubar (biologisch abbaubare Kunststoffe) Er ist verträglich mit menschlichen und tierischen Organismen (Biokompatible Kunststoffe) Wir notieren: Biologische Abbaubarkeit kann sein, muss es aber nicht! Einige Beispiele: Stärke wird durch Zusatz der beiden Alkohole Glycerin und Sorbit plastifiziert. In einem zweiten Schritt wird das Gemisch mit einem herkömmlichen Kunststoff zu einem Gemisch (Blend) vermengt. Dieser kann dann zu Gebrauchsgegenständen verarbeitet werden. Milchsäure ist 2-Hydroxypropansäure. Sie ist somit sowohl Alkohol wie auch Carbonsäure. Die Veresterung vieler solcher Moleküle ergibt den BIOKUNSTSTOFF Polymilchsäure (PLA). PET-Flaschen für Getränke sind inzwischen Massenware. Der Kunststoff Polyethylenterephtalat ist leider nicht biologisch abbaubar. Ein anderer Polyester besteht aus Adipinsäure und Butan-1,4-diol. Er ist abbaubar, schmilzt jedoch leider zu niedrig. Die Lösung des Problems ist die Synthese eines Copolymers aus Butan-1,4-diol, Adipinsäure und Terephthalsäure: Es ist ausreichend hoch schmelzend, und Mikroorganismen zersetzen es. Schließlich gelang ab 1956 die großtechnische Herstellung der heutigen Standardkunststoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Mit der industriellen Herstellung von Kunststoffen entwickelten sich im Lauf der Jahre vielfältige Verfahrenstechniken zu ihrer Verarbeitung. Sind Biokunststoffe eine junge Erfindung? Die Geschichte berichtet, dass bereits 1869 Celluloid, das erste Biopolymer hergestellt wurde. Etwa 1923 setzte die Massenproduktion von Cellophan ein. Aber da hatte die Produktion fossiler Kunststoffe schon begonnen: 1907 wurde Bakelit entdeckt. Acrylglas (das Plexiglas) kennt man seit 1930. Die Zeit von 1930 bis 1950 bescherte uns die Kunststoffe Nylon, Perlon, Polystyrol und Teflon. Ab 1956 gelang die großtechnische Herstellung von Polyethylen und Polypropylen. Erst 1980 setzten Forschung und Entwicklung von Biokunststoffen wieder ein.

Wie kann man die Biokunststoffe einteilen? Für die Einteilung verwendet man gewöhnlich die beiden ersten Merkmale, nachwachsend und biologisch abbaubar. Der günstigste Fall besteht, wenn beide Merkmale vorhanden sind. Dazu zählen Polymilchsäure (PLA, wir haben sie bereits kennen gelernt) und die Polyhydroxyfettsäuren (PHA). Außerdem: Cellophan und die Stärke – Blend. Nicht nachwachsende (man sagt auch petrochemische) und biologisch abbaubare Biokunststoffe sind: Polyvinylalkohol ( PVOH), Polycaprolacton (PCL), Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT), der schon erwähnte Ersatz für die PET-Flaschen und Polybutylensuccinat (PBS).

Beispiele für biologisch nicht abbaubare Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen sind: Celluloseacetat (CA) Bio – Polyethylen (PE), Bio – Polypropylen (PP), Bio – Polyamid (PA) und Bio – Polyethylenterephtalat (PET, wir haben es bereits kennen gelernt).

Ist die Herkunft der letzten vier biologisch nicht abbaubaren Kunststoffe petrochemisch, so sind sie keine Biopolymere mehr. Man schreibt dann einfach: PE, PP, PA und PET. Außerdem gehören zu dieser Gruppe: Polystyrol (PS), Polycarbonate (PC), Acrylnitril – Butadien – Styrol – Copolymer (ABS) und Polyvinylchlorid (PVC).

Mögliche Probleme Bio - Polyethylen (PE) gewinnt man über die Stufen Zuckerrohr ---> Alkohol ---> Ethylen ---> Kunststoff. Der Vorteil gegenüber petrochemisch hergestelltem PE ist die günstigere Klimabilanz. Nachteile sind: Bodenversauerung, Eutrophierung der Gewässer und höhere Feinstaubemissionen.

Einsatz von Biokunststoffen Der Anteil von Biokunststoffen an allen Kunststoffen ist noch im Prozentbereich mit steigender Tendenz. Es gibt aber schon jetzt vielfältige Anwendungen: im Haushalt, im Bürobedarf, als Mobilar, in der Abfallwirtschaft, im Gartenbau, beim Catering, in der Bauwirtschaft sowie in Elektroartikeln. Auch in der Automobilindustrie sind die Biokunststoffe auf dem Vormarsch. Die Innenausstattung des nur in Japan erhältliche Hybrid-Pkw „Sai“ fußt seit 2011 zu 80 Prozent auf nachwachsenden Rohstoffen.

Das war es schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüs. Euer André

Biokunststoffe Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Biokunststoffe kannst du es wiederholen und üben.

  • Unterscheide zwischen Biokunststoffen und herkömmlichen Kunststoffen.

    Tipps

    Viele schon seit Jahren häufig verwendetete populäre Kunststoffe sind herkömmliche Kunststoffe.

    Lösung

    Biokunststoffe

    • Polymilchsäure
    • Zelluloid
    • Polyhydroxybuttersäure
    • Polyvinylalkohol
    Diese Kunststoffe sind in jedem Fall Biokunststoffe, da die Rohstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden.

    Herkömmliche Kunststoffe

    • Polyethylen
    • Polypropylen
    • Polyamid
    • Polystyrol
    Alternativ kann es sich um Biokunststoffe handeln, wenn die Ausgangsstoffe für die Herstellung dieser Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden.

  • Erkenne die Biokunststoffe an der Formel.

    Tipps

    Vinylalkohol ist nicht stabil, sein Polymer schon.

    Das Cellulosemolekül verfügt über drei freie Hydroxy-Gruppen, die acyliert werden können.

    Lösung

    Biokunststoffe können, genau wie Kunststoffe, durch Polymerisation kleiner Moleküle hergestellt werden. Die Monomere müssen dabei über funktionelle Gruppen verfügen, die eine Verknüpfung möglich machen.

    • Polymilchsäure: Die Carboxy-Gruppe und die Hydroxy-Gruppe bilden den Polyester.
    • Polyvinylalkohol: Das Monomer selbst ist nicht stabil.
    • Celluloseacetat: Das Cellulosemolekül wird dreifach acetyliert.
    • Caprolacton: Das ist ein weiterer Polyester.
  • Beschreibe die chemische Herstellung von Bio-Polyethylen aus Zucker.

    Tipps

    Alkohole können zu Alkenen reagieren.

    Ungesättigte Verbindungen sind zur Polymerisation befähigt.

    Lösung

    1. Ethanol aus Zucker

    $C_{12}H_{22}O_{11}$ + $H_2O$ $\longrightarrow$ 4 $C_2H_5OH$ + 4 $CO_2$

    Das ist die alkoholische Gärung.

    2. Ethen aus Ethanol

    $C_2H_5OH$ $\longrightarrow$ $CH_2=CH_2$ + $H_2O$

    Durch katalytische Dehydratation entsteht die ungesättigte Verbindung.

    3. Polymerisation

    n $CH_2=CH_2$ $\longrightarrow$ $(-CH_2-CH_2-)_n$

    Viele Ethen-Moleküle polymerisieren zum Polyethylen (PE). Da der Ausgangsstoff nachwachsend ist, spricht man von Bio-Polyethylen.

  • Entscheide, für welche Anwendungen Biokunststoffe geeignet sind.

    Tipps

    Biokunststoffe sind mitunter nützlich. Biologische Abbaubarkeit ist mitunter hinderlich.

    Die mechanische Beständigkeit von Biokunststoffen ist begrenzt.

    Lösung

    Biokunststoffe können herkömmliche Kunststoffe in vielen Bereichen ersetzen. In folgenden Bereichen werden sie zum Beispiel eingesetzt:

    • Gießkannen
    • Trinkhalme
    • Kugelschreiber
    • Sessel
    • Klappstühle
    • Pflanzentöpfe
    • Dübel
    • Tastaturen
    Natürlich werden diese Gegenstände nur teilweise aus Biokunststoffen gefertigt.

    Die Anwendung von Biokunststoffen hat allerdings auch Grenzen. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich zum Teil von den Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe. In folgenden Bereichen lassen sie sich daher nicht verwenden:

    • Bratpfannenbeschichtung: Dafür verwendet man Teflon.
    • Bekleidung: Die biologische Abbaubarkeit ist hier hinderlich.
    • Implantate: Wie in der Anwendung davor.
    • Trinkflaschen: Es gibt keine Verwendung.
    • Fußbälle: Die mechanische Belastung wird nicht gewährleistet.

  • Nenne die Eigenschaften, von denen Biokunststoffe jeweils mindestens eine besitzen sollten.

    Tipps

    Ein großes Problem für die Umwelt ist der Plastikmüll auf den Meeren.

    Gute Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln ist generell ein Problem bei Kunststoffen.

    Polyethylen ist gut zerspanbar.

    Lösung

    Biokunststoffe zeichnen sich durch drei Eigenschaften aus, von denen sie mindestens eine erfüllen müssen.

    • aus nachwachsenden Rohstoffen: Dadurch könnte man den Stoffkreislauf schließen.
    • biologisch abbaubar: Das ist ein guter Beitrag zu Müllentsorgung.
    • verträglich mit menschlichen und tierischen Organismen: Das ist aber wie gesagt kein notwendiges Kriterium.

  • Bestimme für die konventionellen Kunststoffen jeweils ein richtiges Edukt.

    Tipps

    Die Namen der Monomere der Kohlenwasserstoff-Polymere stecken schon im Namen.

    Styrol ist Vinylbenzol.

    Ethin ist aus Methan herstellbar.

    Lösung

    Kunststoffe entstehen durch Polymerisation kleinerer Moleküle. Dabei sind oftmals die eingesetzten Monomere in der Struktur und auch im Namen des Polymers erkennbar. In einigen Fällen reagieren aber auch zwei oder mehrere unterschiedliche Monomere miteinander oder die Polymerisation erfolgt über Zwischenprodukte. In diesen Fällen lässt sich nicht immer auf den ersten Blick erkennen, woraus die Polymere entstanden sind.

    • Polyethylen: Zucker $\rightarrow$ Ethanol $\rightarrow$ Ethen (Ethylen) $\rightarrow$ Kunststoff
    • Nylon: Adipinsäure + Hexamethylendiamin $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polystyrol: Ethylbenzol $\rightarrow$ Styrol $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polyvinylchlorid: Methan $\rightarrow$ Ethin $\rightarrow$ Vinylchlorid $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polypropylen: Propan $\rightarrow$ Propen (Propylen) $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polybutadien: Butan $\rightarrow$ Buta-1,3-dien $\rightarrow$ Kunststoff