Experimenten met een koffiebekerje van Polystyreen

Datum: maart 2004

Principe:

Het onderzoeken van het effect van oplosmiddelen en warmte op polystyreen.

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

Materiaal:

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

Bayers Reagens:

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.

Uitvoering:

Bekijk de onderkant van het koffiebekertje zorgvuldig.
Effect van oplosmiddelen onderzoeken
  • 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

Gesmolten polystyreen
  • 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.

Resultaten:

Effect van oplosmiddelen onderzoeken
Buis 1 - ontkleurde spiritus: 
geen effect

Buis 2 - wasbenzine: 
geen effect

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

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

Gesmolten polystyreen
De kleine deeltjes van het koffiebekertje smelten tijdens het verwarmen samen en vormen zo een kunstzinnig patroon..

Depolymerisatie van polystyreen

Bij het verwarmen van de kunststof smelt deze en ontstaan er witte dampen.

In de opvangbuis slaat een gele olieachtige vloeistof neer.

Na het toevoegen van het Bayers reagens aan het destillaat verdwijnt de paarse kleur van het Bayers reagens en zien we een bruin neerslag ontstaan.

Discussie:

Dat een koffiebekertje opgebouwd is uit polystyreen kunnen we op een eenvoudige manier vaststellen. Kijken we op de onderkant van het bekertje dan zien we daar het kringloopsymbool met daarin het cijfer 6 en daaronder de afkorting PS.

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.

Dat water geen effect heeft op polystyreen weten we omdat deze als koffiebekertjes gebruikt worden. Dit geef al aan waarom spiritus geen effect heeft. Dit is nl. ook een zeer polaire verbinding net als water.  Aan de structuurformule van polystyreen kunnen we zien dat er geen OH groepen aanwezig zijn hetgeen betekent dat er geen waterstofbruggen gevormd kunnen worden. Daarom hebben polaire oplosmiddelen zoals water en alcohol geen effect op het polystyreen. Aceton en diethylether zijn apolaire oplosmiddelen die daarom een interactie kunnen aangaan met het polystyreen. Tot zover lijken de observaties verklaarbaar. Het wasbenzine (Voornamelijk heptaan, C7,H16) is echter ook apolair en dat lijkt geen effect te hebben op het polystyreen. Dit lijkt een duidelijke afwijking te zijn op de globale oplosbaarheidsregels (een polaire stof lost op in een polair oplosmiddel, apolair in apolair). Dit is inderdaad zo en gaat vooral op voor de polymeren. De oplosbaarheid van een polymeer is niet alleen afhankelijk van de polariteit van het polymeer maar ook van factoren zoals chemische structuur, vertakkingsgraad, mate van cross-linking, kristalliniteit,etc. Dat is ook wel voorspelbaar, hoe groter de molecuulmassa van een polymeer, hoe groter de ketenlengte en hoe moeilijker een polymeer zal oplossen en het zelfde kun je je voorstellen met de mate van cross-linking. Je kunt je dit goed voorstellen omdat bij oplossen van een vaste stof in een vloeistof de entropie (wanorde) toeneemt en kleine moleculen kunnen makkelijker bewegen dan grote. 
Polystyreen is een thermoplast, hetgeen berekent dat hij bij verhitting zacht wordt. Om te kunnen recyclen moet het materiaal kunnen smelten (op verweken) en in een andere vorm kunnen gieten. Met het verwarmingsexperiment hebben we aangetoond dat dat inderdaad mogelijk is. Hetzelfde effect kun je verkrijgen door de verweking met aceton. Giet het verweekte polystyreen in een vorm, damp het aceton weer af en je hebt het polystyreen hergebruikt.

Structuurformule polystyreen:

Door het polystyreen langdurig te verhitten ontleedt het in zijn monomeer, styreen. Die we kunnen overdestilleren. Het styreen bevat een onverzadigde verbinding. M.b.v. Bayers reagens toon je aan dat er een onverzadigde verbinding aanwezig is. Het permanganaat reageert met de onverzadigde verbinding (styreen) volgens:

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.

Conclusies:

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

Opmerkingen:

  • 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 geŽxpandeerde 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 geŽxpandeerde 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.

Literatuur:

  • 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:

Achtergrondinformatie:

Polystyreen

Polystyreen (PS) is een amorf, zeer bros, hard polymeer met een verwekingspunt van ca. 90 įC. 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 = (Dhv-RT)/v 
                                                (
Dhv = molaire latente verdampingswarmte, v = molair volume)
De oplosbaarheidparameter (
d) wordt gedefinieerd als:  = C1/2 

Polystyreen heeft een d van 18.5  (.103 J1/2m-3/2)
Aceton heeft een
d van 20.3  (.103 J1/2m-3/2)
Tolueen heeft een
d van 18.2  (.103 J1/2m-3/2)
Water heeft een
d van 47.9  (.103 J1/2m-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.


16-01-2017