News: Grüner Kunststoff mit Knalleffekt
Eigentlich gilt das Treibhausgas Kohlendioxid ja nicht gerade als ausgesprochen umweltfreundlich. Doch der Kunststoffchemie könnte es mit implodierenden Bläschen durchaus zu einer grünen Zukunft verhelfen.
Wie bei allen Kettenreaktionen, so bedarf es auch bei der Polymerisation nur des richtigen Anstoßes, um den Mechanismus in Gang zu setzen. Die Reaktion hält sich dann selbst aufrecht. Doch dieser Anstoß bereitet Chemikern Kopfzerbrechen. Denn meist geschieht er über einen geeigneten Initiator – ein Startermolekül, das für den erste Reaktionsschritt sorgt.
Bei der radikalischen Polymerisation vermitteln so beispielsweise diverse organische Peroxide den richtigen Kick zu Beginn. Hat sich durch die chemische Anregung erst einmal ein Radikal des Monomers – des Polymer-Grundbausteins – gebildet, dann pflanzt sich die Reaktionsfront in der Regel schnell fort, bis schließlich keine Monomere mehr vorhanden sind und die Polymerisation abbricht. Der Starter jedenfalls wird nicht mehr benötigt – im Gegenteil, meist möchte man ihn möglichst schnell wieder aus dem Kunststoff verbannen. Schließlich sorgt er eventuell für unerwünschte Eigenschaften.
Doch vielleicht gehören aufwändige Trennprozesse in der Kunststoffherstellung bald der Vergangenheit an – zumindest, wenn es nach dem Willen von Martijn Kuijpers und seinen Kollegen von der Technische Universiteit Eindhoven geht. Die Wissenschaftler favorisieren flüssiges Kohlendioxid als Umgebung für ihre Polymerbildung. Sein hohes Lösevermögen hat die unter Druck stehende Verbindung immerhin schon unter Beweis gestellt, so nutzt man sie etwa bei der Reinigung, um organische Stoffe zu lösen.
Doch zur Polymerisation bedarf es ja noch eines geeigneten Initiators. Auch diese Rolle soll das Kohlendioxid übernehmen, oder besser gesagt, implodierende Bläschen in ihm. Diese so genannten Kavitäten entstehen nämlich, wenn man die Flüssigkeit einer Ultraschallquelle aussetzt. Dann reißen die die wechselnden Druckschwankungen des Schalls die Flüssigkeit quasi auseinander und hinterlassen jene Mikrometer großen Bläschen. Diese sind nicht von Dauer: Schon wenig später implodieren sie, wobei lokal Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin und Drücke von bis zu 20 Megapascal entstehen – genug also, um Molekülen anzuregen und Bindungen aufzubrechen.
Soweit die Theorie, doch bislang war es fraglich, ob ein derartiger Prozess in flüssigem Kohlendioxid überhaupt ablaufen kann. Denn damit Kavitation möglich ist, muss ein bestimmter Schalldruck überschritten werden – dieser Grenzwert wiederum wird durch den herrschenden Druck bestimmt. Und je größer dieser ist, desto höher fällt auch die Schalldruckgrenze aus. Kohlendioxid ermöglicht jedoch glücklicherweise, dank seines ebenfalls relativ hohen Dampfdruck, die Kavitation auch bei hohen Drücken.
Kuijpers und sein Team machten nun die Probe aufs Exempel und mischten das Monomer Methylmethacrylat bei hohem Druck mit Kohlendioxid. Wie sich zeigte, ließ sich hierbei tatsächlich die Polymerisation mittels Ultraschall auslösen, und es bildete sich Polymethymethacrylat – ein Kunststoff der vor allem als Plexiglas bekannt ist. Das Kohlendioxid ließ sich anschließend denkbar einfach durch einfaches Verdunsten entfernen, sodass allein der Kunststoff übrig blieb. Von Vorteil ist bei dem Verfahren außerdem, dass sich die Polymerisation von außen kontrollieren und gegebenenfalls regeln lässt, was beim Einsatz von Startermolekülen nicht möglich ist.
Bei der radikalischen Polymerisation vermitteln so beispielsweise diverse organische Peroxide den richtigen Kick zu Beginn. Hat sich durch die chemische Anregung erst einmal ein Radikal des Monomers – des Polymer-Grundbausteins – gebildet, dann pflanzt sich die Reaktionsfront in der Regel schnell fort, bis schließlich keine Monomere mehr vorhanden sind und die Polymerisation abbricht. Der Starter jedenfalls wird nicht mehr benötigt – im Gegenteil, meist möchte man ihn möglichst schnell wieder aus dem Kunststoff verbannen. Schließlich sorgt er eventuell für unerwünschte Eigenschaften.
Doch vielleicht gehören aufwändige Trennprozesse in der Kunststoffherstellung bald der Vergangenheit an – zumindest, wenn es nach dem Willen von Martijn Kuijpers und seinen Kollegen von der Technische Universiteit Eindhoven geht. Die Wissenschaftler favorisieren flüssiges Kohlendioxid als Umgebung für ihre Polymerbildung. Sein hohes Lösevermögen hat die unter Druck stehende Verbindung immerhin schon unter Beweis gestellt, so nutzt man sie etwa bei der Reinigung, um organische Stoffe zu lösen.
Doch zur Polymerisation bedarf es ja noch eines geeigneten Initiators. Auch diese Rolle soll das Kohlendioxid übernehmen, oder besser gesagt, implodierende Bläschen in ihm. Diese so genannten Kavitäten entstehen nämlich, wenn man die Flüssigkeit einer Ultraschallquelle aussetzt. Dann reißen die die wechselnden Druckschwankungen des Schalls die Flüssigkeit quasi auseinander und hinterlassen jene Mikrometer großen Bläschen. Diese sind nicht von Dauer: Schon wenig später implodieren sie, wobei lokal Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin und Drücke von bis zu 20 Megapascal entstehen – genug also, um Molekülen anzuregen und Bindungen aufzubrechen.
Soweit die Theorie, doch bislang war es fraglich, ob ein derartiger Prozess in flüssigem Kohlendioxid überhaupt ablaufen kann. Denn damit Kavitation möglich ist, muss ein bestimmter Schalldruck überschritten werden – dieser Grenzwert wiederum wird durch den herrschenden Druck bestimmt. Und je größer dieser ist, desto höher fällt auch die Schalldruckgrenze aus. Kohlendioxid ermöglicht jedoch glücklicherweise, dank seines ebenfalls relativ hohen Dampfdruck, die Kavitation auch bei hohen Drücken.
Kuijpers und sein Team machten nun die Probe aufs Exempel und mischten das Monomer Methylmethacrylat bei hohem Druck mit Kohlendioxid. Wie sich zeigte, ließ sich hierbei tatsächlich die Polymerisation mittels Ultraschall auslösen, und es bildete sich Polymethymethacrylat – ein Kunststoff der vor allem als Plexiglas bekannt ist. Das Kohlendioxid ließ sich anschließend denkbar einfach durch einfaches Verdunsten entfernen, sodass allein der Kunststoff übrig blieb. Von Vorteil ist bei dem Verfahren außerdem, dass sich die Polymerisation von außen kontrollieren und gegebenenfalls regeln lässt, was beim Einsatz von Startermolekülen nicht möglich ist.
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