Experimenten met een koffiebekerje van Polystyreen

Door stukjes van een koffiebekertje te verhitten ontleedt het polystyreen waaruit deze opgebouwd zijn in zijn monomeer, styreen.

• Koffiebekertje
• Reageerbuizen
• Kurken met gat
• Glasbuizen
• Aceton
• Ontkleurde spiritus
• Spiritusbrander
• Driepoot
• Kaliumpermanganaat (KMnO₄)
• Natriumcarbonaat (Na₂CO₃)
• Wasbenzine
• Diethytlether
• Norit
• Verwarmingsplaatje
• Aluminium bakje

Ontkleurde spiritus:

• Maal enkele Norit tabletten (actieve kool) fijn tot een poeder. 

• Voeg de (blauwe) spiritus toe en schud goed. 

• Filtreer het mengsel (indien nodig meerdere malen) door een wit koffie filter.

• Los enkele (!) kristallen kaliumpermanganaat op in een reageerbuis half gevuld met water.
• Voeg 1 spatel soda toe.
• Meng goed.

• Neem vier reageerbuizen
• Knip uit het bekerje 4 test strookjes
• Plaats deze in de reageerbuizen.
• Markeer de buizen.
• Voeg aan buis 1 een beetje ontkleurde spiritus toe.
• Aan buis 2 wasbenzine, buis 3 diethylether en buis 4 aceton.
• Observeer

• knip een groot deel van het koffiebekertje in heel kleine stukjes (ca. 3x 3 mm).
• Doe deze bakjes in het aluminium bakje.
• Verwarm het bakje op het verwarmingsplaatje.
• Observeer

Depolymerisatie van polystyreen

• Verknip een deel van een wit koffiebekertje en doe de stukjes in een reageerbuis. 

• Bouw de opstelling op zoals weergegeven in de foto hiernaast.

• Verwarm de kunststof m.b.v. de brander.

• Doe dit gedurende langere tijd, ca. 1 uur.

• Voeg aan de vloeistof in de opvangbuis enkele druppels Bayers Reagens toe en observeer.

Buis 2 - wasbenzine: 
geen effect

Buis 3 - diethylether: 
polystyreen "smelt" maar lost niet op

Buis 4 - aceton: 
polystyreen "smelt" maar lost niet op

Depolymerisatie van polystyreen

In de opvangbuis slaat een gele olieachtige vloeistof neer.

Het cijfer 6 in het kringloopfiguur en de afkorting PS geven aan dat we met polystyreen te maken hebben.

Het kringloopsymbool geeft aan dat we polystyreen kunnen recyclen.

Structuurformule polystyreen:

Dit is een redoxreactie, waarbij het paarse permanganaat omgezet wordt in bruinsteen en we van de onverzadigde verbinding een diol maken. Men moet zich echter wel realiseren dat de ontkleuring van alkalisch permanganaat een algemene reactie is op onverzadigde koolwaterstoffen, waartoe, niet alleen alkenen maar ook alkynen horen. Deze reactie van Bayer heeft slechts betekenis indien de afwezigheid van andere door alkalisch permanganaat oxideerbare stoffen, zoals aldehyden, mierezuur, monosacchariden of hoogwaardige fenolen is uitgesloten.

• Plastic koffiebekertjes zijn opgebouwd uit polystyreen.
• Polystryreen kunnen we hergebruiken.

• Let op de je de dampen die ontstaan bij het verhitten van de kunststof niet inademt. Werk bij dit experiment in een goed geventileerde ruimte.

• Het CAS nummer van polystyreen is 9003-53-6. In het duits heet het "polystyrol" en in het engels heet het "polystyrene".

• Indien men polystyreen piepschuim met aceton behandeld stort de piepschuim in elkaar. Dit komt omdat piepschuim is gemaakt van geëxpandeerde polystryreen. Dit wordt gemaakt vanuit polystyreen granules die een "blowing agent" (blaasmiddel) bevatten. Dat is een stof die bij verhitten een gas vormt of afgeeft Dit kan een vluchtige vloeistof zijn (bv pentaan) of een carbonaat (vormt CO₂). Deze granules worden verhit met stoom en het gas van het "blowing agent" (blaasmiddel) produceert dan een schuim. Dit gas wisselt vervolgens uit met de lucht, het gas is polystyreen piepschuim is voornamelijk lucht. Het geëxpandeerde polystyreen lost niet echt op in aceton het wordt alleen zachter. Bij piepschuim ontsnapt dan de lucht waardoor het schuim in elkaar stort. De resulterende polystyreen-gel kan dan ingedroogd worden alhoewel dat enige tijd duurt.

• Ik had jammer genoeg geen thinner (bevat tolueen) bij de hand om het effect daarvan op polystyreen te bestuderen. De structuurformule van tolueen (C6H5CH3) lijkt heel erg veel op die van styreen. Mogelijk dat polystyreen hier wel volledig in op lost.

• Kurt Waselowsky; 'KOSMOS Chemie C3000 Experimentieranleitung'; Franck-Kosmos; 2002;  p. 138, 162,263.
• J. Groen et al; "Scheikunde voor het voortgezet onderwijs 3V - 5vwo"; NIB; 1986;  ISBN 9027541299; p. 289, 290
• A.K. van der Vegt; Polymeren - van keten tot kunststof; Delftse Uitgevers Maatschappij; 1991 (1994); ISBN 906562130X; p.16, 26, 60.
• H. Cerfontain; 'Practicum organische chemie'; Wolters-Noordhoff; 9de druk; 1972; ISBN 9001186254; p.121,122.
• Perry A. Cook, Sue Hall, Jill Donahoe; "Pondering Packing Peanut Polymers"; Journal of Chemical Education; 80 (11) 2003; p. 1288A, 1288B.
• R.J. Young; 'Introduction to Polymers'; Chapman and Hall; 1981 (1987); ISBN 0412221802; p. 104,105.
• G. Challa; "Polymeerchemie"; Het Spectrum (Prisma Technica 52); 1973; p. 93-100.

Relevante websites:

• The Invention of Polystyrene and Styrofoam
• Verdwijnen van plastiek met aceton en polystyreen
• Plastics Lab

Polystyreen

Polystyreen (PS) is een amorf, zeer bros, hard polymeer met een verwekingspunt van ca. 90 °C. Verbetering van slagsterkte wordt hier bereikt door mengen of copolymerisen met rubber (meestal butadieenrubber), echter ten kost van de stijfheid. Ongemodificeerd PS wordt op grote schaal toegepast als schuim (piepschuim) voor verpakking en warmte-isolatie. Slagvast PS (TPS) wordt gebruikt in o.a. koffiebekertjes, huishoudelijke artikelen etc.

De bereiding van polystyreen vindt in twee stappen plaats:

1. het combineren van etheen en benzeen tot ethylbenzeen met aluminiumchloride als katalysator (er zijn echter ook andere processen om ethylbenzeen te maken bv het SMPO proces van Shell).

2. Dehydrogenatie (waterstof onttrekken) van ethylbenzeen waarbij styreen monomeer gevormd wordt. 

Het styreen monomeer gaat spontaan polymeriseren alhoewel dit proces langzaam verloopt. Indien men styreen zelf wilt bewaren moet men daarom een polymerisatie remmer (inhibitor) toevoegen.

Kunststoffen

Kunststoffen zijn natuurlijke of kunstmatige producten bestaande uit grote moleculen die op hun beurt weer zijn opgebouwd door herhaling van kleine, chemische eenheden.

Een bekende natuurlijke kunststof is (natuur)rubber. Een bekende synthetische polymeer is polyetheen, die is opgebouwd uit eenvoudige etheen (CH₂) eenheden en wordt beschreven met de formule CH₃-(CH₂)_n-CH₃ (n = 100 - 500000). Men spreekt bij zulke moleculen ook wel van macro-moleculen. De stof die de herhalende eenheid levert noemt men het monomeer. De namen van de meeste kunststoffen worden gevormd uit de naam van het monomeer met her voorvoegsel poly, dus polyetheen, polystyreen en polyvinylchloride.

Het polymeer is opgebouwd uit lange rechte ketens als het twee vrije bindingsplaatsen heeft. Heeft een monomeer drie vrije bindingsplaatsen dan ontstaat een netwerk waarin niet alle vrije plaatsen benut kunnen worden en waarin spanningen optreden. Een dergelijk netwerk is niet stabiel. Reageert echter een monomeer met twee vrije bindingsplaatsen met een monomeer met drie vrije bindingsplaatsen dan ontstaat een stabiel netwerk. Dit verschil tussen polymeren opgebouwd uit lange ketens en polymeren opgebouwd uit netwerken vertaalt zich in een fysische eigenschap nl. thermische stabiliteit. 

Rechte ketens kunnen zich bij verwarming makkelijker van elkaar losmaken en vrij gaan bewegen. Het polymeer wordt dan plastisch (smelt). Bij polymeren hebben we echter niet te maken met een smeltpunt maar met een smelttraject men spreekt daarom bij kunststoffen van een verwekingstraject. De plastische kunststof kan worden gevormd en daarna weer afgekoeld waarbij de kunststof weer hard wordt. Het proces is omkeerbaar en daarom noemt men deze kunststoffen thermoplasten.

De polymeren met ketens die een netwerk vormen blijven ook bij verwarmen hard. De ketens komen niet los van elkaar. Men noemt ze daarom thermoharders. Bij voldoende hoge temperatuur breekt het netwerk in stukken en ontleedt de kunststof, een irreversibel proces. De vormgeving van de thermoharders vindt dan ook plaats tijdens het uitharden in het productieproces. Hierbij worden de uitgangsmonomeren of thermoplastische polymeren uitgehard door vernetting met een harder of door een hoge temperatuur. Na uitharding verweken de thermoharders ook bij temperatuurverhoging niet.

In het algemeen maakt me onderscheid tussen drie methodes om polymeren te maken nl.

1. Polymerisatie:
   Bij polymerisatie worden de lange ketens uit de monomeren gevormd zonder dat er bijproducten gevormd worden. De monomeren bevatten een dubbele binding bv etheen (H₂C=CH₂). Voor het openbreken van de dubbele binding maakt men gebruik van temperatuur, initiators (bv peroxides) of UV licht.

2. Polycondensatie:
   Polycondensatie is het verenigen van monomeren tot lange ketens onder het afsplitsen van een bijproduct. Meestal is dit water.

3. Polyadditie:
   Polyadditie is analoog aan polycondensatie alleen vindt er in plaats van afsplitsing een hergroepering van atomen plaats. Dit gebeurt o.a. bij het uitharden van polyesters en de vorming van polyurethanen.

Vaak worden aan polymeren andere stoffen toegevoegd bv:

1. Co-polymeren: een tweede monomeer wordt ingebouwd om de eigenschappen te verbeteren.

2. Glasvezel: wordt toegevoegd om het polymeer te wapenen

3. Vulstoffen: zaagsel, silica, mica zijn goedkope vulstoffen waarmee meestal thermoharders gevuld worden.

4. Weekmakers: worden aan thermoplasten toegevoegd om het verwekingstraject naar lagere temperaturen te verschuiven.

Identificatie van plastics mbv het nummer dat erop vermeld wordt.

Er zijn 7 van die nummers die momenteel gebruikt worden waarbij elk symbool een ander type plastic identificeert. 
Deze zijn:

• 1 - Polyethyleen terephthalate (PET)
• 2 - Hoge-dichtheids polyethyleen (HDPE)
• 3 - Polyvinyl chloride (PVC)
• 4 - Lage-dichtheids polyethyleen (LDPE)
• 5 - Polypropyleen (PP)
• 6 - Polystyreen (PS)
• 7 - Andere resins, zoals acrylonitril butadieen styreen (ABS)

Oplosbaarheid van polymeren.

In de praktijk is het erg belangrijk dat men weet welke oplosmiddelen een polymeer kunnen oplossen (of kan laten zwellen). Op basis van een semi-empirische methode, de zgn. Hildebrand methode, is het mogelijk hier uitspraken over te doen. In deze methode gaat me er van uit dat polymeren kunnen oplossen in oplosmiddelen die chemisch gezien analoog zijn. Men gebruikt twee parameters, de cohesieve energiedichtheid C en de oplosbaarheidparameter d, om zowel het polymeer als het solvent te karakteriseren.

De cohesieve energiedichtheid is voor een vloeistof gedefinieerd als zijnde: C = (Dh_v-RT)/v 
                                                ( Dh_v = molaire latente verdampingswarmte, v = molair volume)
De oplosbaarheidparameter (d) wordt gedefinieerd als:  d  = C^1/2 

Polystyreen heeft een d van 18.5  (.10³ J^1/2m^-3/2)
Aceton heeft een d van 20.3  (.10³ J^1/2m^-3/2)
Tolueen heeft een d van 18.2  (.10³ J^1/2m^-3/2)
Water heeft een d van 47.9  (.10³ J^1/2m^-3/2)

De oplosbaarheidsparameter (d) van zowel polymeer als solvent moeten ongeveer gelijk zijn om een oplossing te kunnen maken. Deze benadering werkt goed voor amorfe polymeren in apolaire oplosmiddelen. Hij werkt minder goed als de polymeren kristallijn zijn en als er waterstofbrugvorming kan plaatsvinden tussen polymeer en oplosmiddel. 

Bron: R.J. Young; 'Introduction to Polymers'; Chapman and Hall; 1981 (1987); ISBN 0412221802; p. 104,105.