Aufgabe IV – Biologisch abbaubare Zahnbürsten?

Beschreibe die Einteilung der Kunststoffe in drei Kunststoffklassen anhand ihres mechanisch-thermischen Verhaltens. Gib dabei auch strukturelle Merkmale der Kunststoff-Moleküle an.

Ordne beide Nylontypen begründet einer der drei Kunststoffklassen zu (M 1, M 2).

Formuliere eine Reaktionsgleichung in Strukturformelschreibweise zur Herstellung von Nylon 4 (M 1, M 2).

Beschreibe Unterschiede im Aufbau der Molekülketten von Nylon 4 und Nylon 6,6 (M 1, M 2).

Stelle eine Hypothese auf, welches der beiden Materialien besser für die Herstellung von harten Borsten geeignet ist (M 1, M 2).

Beschreibe die Diagramme (M 3).

Begründe, dass nicht nur die mittlere Masse der Folienstücke, sondern auch die mittlere molare Masse des Polymers überprüft wird (M 1, M 3).

Beurteile, inwiefern die durchgeführten Versuche A und B Rückschlüsse auf die biologische Abbaubarkeit zulassen (M 1, M 3).

Beurteile mithilfe von zwei Kriterien, ob der Begriff Biokunststoff für Nylon 4 berechtigt ist (M 1, M 2, M 3).

Beschreibung der Einteilung der Kunststoffe

• Thermoplaste bestehen aus unvernetzten, linearen oder verzweigten Polymerketten. Beim Erwärmen werden sie weich und lassen sich verformen. Beim anschließenden Abkühlen verfestigen sie sich wieder und behalten ihre neu angenommene Form.

• Duroplaste besitzen eine dreidimensionale Struktur aus engmaschig miteinander vernetzten Polymerketten. Aufgrund dieser festen Vernetzung sind sie nach dem Aushärten nicht mehr durch Erwärmen verformbar. Bei ausreichend hohen Temperaturen zersetzen sie sich, anstatt zu schmelzen.

• Elastomere setzen sich aus weitmaschig vernetzten Makromolekülen zusammen. Sie können unter Krafteinwirkung elastisch verformt werden. Sobald die äußere Belastung entfällt, kehren sie weitgehend in ihre ursprüngliche Gestalt zurück. Beim starken Erhitzen kommt es zur Zersetzung.

Zuordnung von Nylon 4 und Nylon 6,6

Beide Nylontypen bestehen aus linearen Polymerketten, zwischen denen keine kovalenten Vernetzungen vorliegen. Daher werden sowohl Nylon 4 als auch Nylon 6,6 den Thermoplasten zugeordnet.

Formulierung der Reaktionsgleichung zur Herstellung von Nylon 4 in Strukturformeln

Beschreibung der Unterschiede im Aufbau der Molekülketten

Beide Materialien gehören zur Gruppe der Polyamide, unterscheiden sich jedoch im molekularen Aufbau. Nylon 4 kann aus einem einzigen Monomertyp, der 4-Aminobutansäure, hergestellt werden. Nylon 6,6 entsteht dagegen durch die Reaktion zweier unterschiedlicher Monomere, nämlich Hexan-1,6-diamin und Hexandisäure. Zudem unterscheiden sich die Polymerketten hinsichtlich der Anzahl der Methylengruppen zwischen den Amidgruppen und der Wiederholeinheit.

Aufstellen einer Hypothese zur Eignung für die Herstellung harter Borsten

Nylon 4 ist vermutlich für die Herstellung harter Zahnbürstenborsten besser geeignet als Nylon 6,6. Bei vergleichbarer Kettenlänge enthält Nylon 4 einen größeren Anteil polarer Amidgruppen und einen kleineren Anteil unpolarer Methylengruppen. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass sich zwischen den Polymerketten mehr Wasserstoffbrücken ausbilden. Diese stärkeren zwischenmolekularen Wechselwirkungen könnten eine höhere Härte des Materials bewirken.

Beschreibung der Diagramme

Diagramm A:

Das Diagramm zeigt die durchschnittliche Masse der Nylon-4-Folienstücke als prozentualen Anteil ihrer Ausgangsmasse in Abhängigkeit von der Versuchsdauer. Während des 60-tägigen Untersuchungszeitraums nimmt die Masse fortlaufend ab. Zu Beginn beträgt sie des Ausgangswerts. Nach 60 Tagen sind davon nur noch ungefähr vorhanden.

Diagramm B:

Das zweite Diagramm stellt den prozentualen Rückgang der mittleren molaren Masse des Polymers in Abhängigkeit von der Zeit dar. Die Abnahme der molaren Masse schreitet während der Untersuchung kontinuierlich fort. Bis ungefähr zum 17. Versuchstag entwickelt sich der prozentuale Rückgang annähernd linear. Nach 20 Tagen ist die mittlere molare Masse des Polymers gegenüber dem Ausgangswert um ungefähr gesunken.

Begründung der Überprüfung der mittleren molaren Masse

Die Bestimmung der Masse der Folienstücke allein reicht nicht aus, um einen tatsächlichen chemischen Abbau des Kunststoffs nachzuweisen. Ein Rückgang der Folienmasse könnte beispielsweise auch dadurch entstehen, dass das Material mechanisch in kleinere Fragmente zerfällt. In diesem Fall würden möglicherweise Mikroplastikpartikel entstehen, ohne dass die Polymermoleküle selbst abgebaut werden.

Durch die zusätzliche Untersuchung der mittleren molaren Masse kann festgestellt werden, ob sich auch die Polymerketten verändern.

Eine Verringerung dieser Größe weist darauf hin, dass Bindungen innerhalb der Makromoleküle gespalten werden und dadurch kürzere Polymerketten entstehen.

Beurteilung der Aussagekraft der Versuche zur biologischen Abbaubarkeit

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass sowohl die durchschnittliche Masse der Folienstücke als auch die mittlere molare Masse der Polymermoleküle mit zunehmender Versuchsdauer abnehmen. Dies deutet darauf hin, dass Nylon 4 nicht ausschließlich mechanisch zerkleinert wird, sondern auch ein chemischer Abbau der Polymerketten stattfindet.

Aus den vorliegenden Daten geht allerdings nicht hervor, ob dieser Prozess tatsächlich durch Mikroorganismen verursacht wird oder auf andere chemische beziehungsweise physikalische Einflüsse zurückzuführen ist.

Zudem wurde nicht nachgewiesen, dass der Kunststoff vollständig zu Biomasse, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt wird.

Fazit:

Die Versuchsergebnisse liefern Hinweise auf einen Abbau von Nylon 4, reichen jedoch nicht aus, um dessen vollständige biologische Abbaubarkeit eindeutig nachzuweisen. Hierfür wären zusätzliche Untersuchungen erforderlich.

Kriterium 1: Biologische Abbaubarkeit

Die Untersuchungen zeigen zwar eine Verringerung der Masse und der mittleren molaren Masse von Nylon 4, belegen jedoch keinen vollständigen biologischen Abbau. Ob Nylon 4 dieses Kriterium erfüllt, kann daher anhand der vorhandenen Ergebnisse nicht abschließend beurteilt werden.

Kriterium 2: Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen

Das für Nylon 4 verwendete Monomer kann mithilfe von Mikroorganismen hergestellt werden. Damit ist gemäß den Materialangaben eine biobasierte Herstellung möglich, sodass das Kriterium der Gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen erfüllt werden kann.

Fazit:

Für die Bezeichnung als Biokunststoff genügt es, wenn mindestens eines der beiden Kriterien erfüllt ist. Da Nylon 4 aus biobasierten Ausgangsstoffen hergestellt werden kann, ist die Einordnung als Biokunststoff gerechtfertigt, auch wenn die vollständige biologische Abbaubarkeit durch die beschriebenen Versuche noch nicht zweifelsfrei nachgewiesen wurde.