Aufgaben
- Entwickeln Sie Schritt für Schritt eine Kunstfaser und dokumentieren Sie ihren Weg im Produktentwicklungsbuch.
Vom Wunsch nach Seide
Du bist Mitglied im Entwicklungsteam von Wallace Carothers bei Du Pont. Euer Ziel: eine Faser, die so gut ist wie Seide. Dokumentiere deinen Weg im Produktentwicklungsbuch.
Wilmington, Delaware, Anfang der 1930er-Jahre. Im Forschungslabor des Chemieunternehmens Du Pont leitet Wallace Carothers ein Team, das etwas Neues wagt: Es will nicht nur Stoffe herstellen, sondern verstehen, wie aus kleinen Molekülen riesige Ketten entstehen.
Seide ist zu dieser Zeit ein Luxusgut: teuer, aus Fernost importiert und knapp. Ein Material aus dem Labor, das sich anfühlt und hält wie Seide, wäre ein Durchbruch.
Wie baut man eine Faser, die so gut ist wie Seide, aber aus dem Labor kommt? Das ist die Leitfrage deines Produktentwicklungsbuchs.
Das Forschungslabor bei Du Pont in den 1930er-Jahren.1
Fein, glatt und glänzend; reißfest und trotzdem etwas dehnbar; knotenfest und biegsam; zu langen, dünnen Fäden formbar; nicht wasserlöslich, waschbar. Erkennen kann man das mit Fühl- und Griffproben, Zugtests, Knotentests und der Probe mit Wasser.
Seide stammt aus dem Kokon des Seidenspinners. Der Faden besteht aus dem Protein Fibroin. Fibroin ist ein Biopolymer: Aminosäuren sind durch Peptidbindungen (–CO–NH–) zu langen, unverzweigten Polypeptidketten verknüpft.
Primärstruktur: Die Reihenfolge der Aminosäuren in der Kette. Im Fibroin kommen vor allem kleine Aminosäuren wie Glycin und Alanin vor.
Sekundärstruktur: Die Ketten falten sich zu β-Faltblättern. Die Amidgruppen benachbarter Kettenstücke bilden dabei Wasserstoffbrücken.
Tertiärstruktur: Die Faltblätter lagern sich zu dichten, geordneten Bereichen zusammen. Diese Bereiche liegen eingebettet zwischen ungeordneten Bereichen. Wie das genau aussieht, erfährst du am Ende der Lernstraße.
Seidenspinner und Kokon.
Primär-, Sekundär, und Tertiärstrukturen von Polypeptiden.
Carothers‘ Team hat nun ein Zwischenziel: Es muss genau festlegen, was die neue Faser können soll. Dazu gehört auch, wie ihre Moleküle aufgebaut sein müssen, damit sie diese Eigenschaften hat. Diese Liste heißt Anforderungsprofil.
Formuliere das Anforderungsprofil für die Kunstfaser: Welche Eigenschaften soll sie haben und welcher Aufbau der Makromoleküle muss dafür vorliegen?
Eigenschaften: reißfest, dehnbar, knotenfest, formbar, nicht wasserlöslich. Aufbau: lange, unverzweigte Ketten (Thermoplast), die sich beim Schmelzen zu Fäden formen lassen. Zwischen den Ketten sollen starke Wechselwirkungen möglich sein, damit die Faser fest ist. Die Kettenglieder sollten über stabile Bindungen wie die Amidbindung verknüpft sein.
Im Planungsbüro soll ein Syntheseplan entstehen. In der Seide verknüpft die Natur Aminosäuren durch eine Kondensation: Eine Carboxygruppe reagiert mit einer Aminogruppe, dabei wird Wasser abgespalten.
Um die Tür zu öffnen, musst du die Bindung benennen, die dabei entsteht.
Im Planungsbüro entsteht der Syntheseplan.2
Tür zum Planungsbüro
Fehler: Diese Frage steht nicht in einem Quiz-Element.
Wie heißt die Bindung –CO–NH–, die bei der Kondensation von Carboxy- und Aminogruppe entsteht?
Die Bindung –CO–NH– heißt allgemein Amidbindung, in Proteinen Peptidbindung.
Die Chemiker stellen vier Monomere zur Auswahl: Adipinsäuredichlorid ClOC–(CH₂)₄–COCl, Hexan-1,6-diamin H₂N–(CH₂)₆–NH₂, Ethan-1,2-diol HO–CH₂–CH₂–OH und Glycerin (Propan-1,2,3-triol). Adipinsäuredichlorid ist ein Säurechlorid: Es ist viel reaktionsfreudiger als die Adipinsäure selbst und wird deshalb im Schullabor verwendet.
Kennzeichne zuerst die funktionellen Gruppen und wähle dann die zwei Monomere aus, die zu unverzweigten Ketten mit Amidbindungen führen.
n ClOC–(CH₂)₄–COCl + n H₂N–(CH₂)₆–NH₂ → [–OC–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH–]n + 2n HCl. Das Produkt ist das Polyamid 6,6 (Nylon 6,6).
Adipinsäuredichlorid und Hexan-1,6-diamin reagieren sehr schnell, schon bei Raumtemperatur. Die Reaktion ist praktisch nicht umkehrbar, weil das entstehende HCl neutralisiert wird.
n ClOC–(CH₂)₄–COCl + n H₂N–(CH₂)₆–NH₂ → [–OC–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH–]n + 2n HCl
Weil beide Stoffe so schnell reagieren, nutzt man zwei Phasen: Das Diamin liegt in wässriger Lösung vor, das Säurechlorid in einem organischen Lösungsmittel. Die Phasen vermischen sich nicht. Die Kette bildet sich nur an der Grenzfläche (Grenzflächenpolykondensation). Dort entsteht ein Polymerfilm, den man als Faden abziehen kann; neues Monomer diffundiert nach.
Schema der Grenzflächenpolykondensation: wässrige Phase unten, organische Phase oben, Polymerfilm an der Grenzfläche.2
Das Syntheselabor darf nur mit Schutzkleidung betreten werden. Hexan-1,6-diamin und Adipinsäuredichlorid wirken ätzend, die organische Phase ist brennbar.
Im Syntheselabor gilt: Schutzbrille, Kittel, Handschuhe.2
Schutzbrille aufsetzen
Laborkittel anziehen
Handschuhe anziehen
Führe den Versuch nach deinem Protokoll durch und beschreibe deine Beobachtungen.
Vermutung: Was entsteht an der Grenzfläche?
Fehler: Diese Frage steht nicht in einem Quiz-Element.
Fehler: Keine Antwort ist als richtig angehakt.
Was siehst du, wenn die Säurechloridlösung auf die Diaminlösung trifft?
Beobachtung: Deutung:
An der Grenzfläche bildet sich sofort ein weißlicher Film. Mit der Pinzette lässt sich ein langer, dünner Faden herausziehen, solange neues Monomer nachdiffundiert. Der Faden ist zunächst feucht und weich, nach dem Waschen und Trocknen fest, aber nicht sehr reißfest.
Nylonprobe in die Analyse mitnehmen
Im Analyselabor wird die frisch gezogene Probe am Prüfstand untersucht. Wähle eine Prüfung (oder ziehe sie auf die Probe) und beobachte, wie sich die Probe verhält. Die Ergebnisse erscheinen in der Tabelle.
Teste die Probe mit mindestens vier Prüfungen und notiere ihre Eigenschaften im Produktentwicklungsbuch.
Hilfe
Vergleiche mit deinem Anforderungsprofil: Ist die Probe fest, formbar, knotenfest? Achte besonders auf den Zugversuch.
Beobachtung: Vermutung:
Die Probe ist weich, dehnbar, reißt leicht und lässt sich nicht verknoten. Sie ist nicht so fest wie eine Faser aus Nylon, obwohl sie dieselben Moleküle enthält.
Die Probe ist chemisch ein Polyamid, aber als Faser enttäuschend. Dafür gibt es mehrere mögliche Erklärungen.
Hypothese: Warum ist die Probe so schwach?
Fehler: Diese Frage steht nicht in einem Quiz-Element.
Fehler: Keine Antwort ist als richtig angehakt.
Welche Erklärung hältst du für am wahrscheinlichsten?
Wenn die Ketten ungeordnet vorliegen, sollten sich Ketten und Anordnung sichtbar machen lassen. Um das zu überprüfen, braucht man ein Modell der Struktur (chemische Struktur). Bei anderer Verknüpfung müsste die Probe nicht schmelzen, sondern sich zersetzen; sie wird aber beim Erhitzen weich und schmilzt (Thermoplast).
Im Reiter „Chemische Struktur“ siehst du in drei Vergrößerungen, was in der Probe steckt: die Probe, die Ketten und die Moleküle.
Betrachte die Probe in allen drei Vergrößerungen und überprüfe damit deine Hypothese.
Die Ketten liegen wie ein Knäuel durcheinander. Dieser ungeordnete Zustand heißt amorph. Nur wenige Amidgruppen benachbarter Ketten liegen so dicht beieinander, dass sich Wasserstoffbrücken bilden. Wenige intermolekulare Wechselwirkungen bedeuten: Die Ketten gleiten leicht aneinander ab, das Material ist wenig stabil.
Die Hypothese „Ketten liegen ungeordnet vor“ ist bestätigt: Die Ketten bilden ein Knäuel (amorph). Es gibt wenige Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten, deshalb gleiten sie bei Belastung aneinander ab und die Probe ist wenig fest.
Entwickle eine Idee: Wie könnte man Ordnung in die Ketten bringen, damit viele Wasserstoffbrücken entstehen?
Die Ketten müssen parallel ausgerichtet werden, zum Beispiel indem man den Faden in Längsrichtung zieht (verstreckt). Dann liegen die Kettenstücke nebeneinander und können viele Wasserstoffbrücken ausbilden.
In der Produktion stellt Du Pont Fasern im großen Maßstab her. Beim Schmelzspinnen wird die Polymerschmelze durch Düsen gepresst. Die Fäden werden gekühlt und über Walzen gezogen. Dabei werden sie verstreckt.
Produktion.2
Tür zur Produktion
Fehler: Diese Frage steht nicht in einem Quiz-Element.
Wie kann man die Ketten in eine Vorzugsrichtung bringen?
Beim Verstrecken richten sich die Kettenmoleküle in Zugrichtung aus. So können sich Wasserstoffbrücken zwischen parallel liegenden Ketten ausbilden.
Bediene die Anlage in der richtigen Reihenfolge, nimm die fertige Spule aus dem Aufwickler mit und beschreibe danach den Vorgang.
Hilfe
Die Masse wird geschmolzen und durch die Spinndüse gepresst. Kaltluft lässt die Fäden erstarren. Der Faden läuft über Walzen, die immer schneller drehen, und wird dadurch gestreckt. Dabei richten sich die Ketten in Zugrichtung aus, es bilden sich geordnete (kristalline) Bereiche mit Wasserstoffbrücken.
Du hast die Spule aus der Produktion mitgebracht. Sie wurde leicht gestreckt (1 : 2). Du kannst jetzt die neue Struktur ansehen und die Eigenschaften erneut testen.
Vergleiche die leicht gestreckte Faser mit der ungestreckten Probe: Prüfe sie wie zuvor und betrachte die chemische Struktur.
Die leicht gestreckte Faser ist etwas fester als die ungestreckte Probe, aber noch nicht gut genug: Nur ein kleiner Teil der Ketten liegt geordnet (kristallin), der größere Teil ist noch ein Knäuel (amorph). Es gibt noch wenige Wasserstoffbrücken. Man muss weiter strecken, aber wie weit, ist noch offen.
Zurück in der Produktion: Für den Verkauf nimmst du nur eine Spule mit, die deinen Anforderungen entspricht. Zu schwach gestreckte Spulen sind nicht freigegeben. Du kannst die Faser noch einmal strecken und jede Stufe in der Produktanalyse untersuchen. Wenn du zu weit gegangen bist, kannst du zur vorherigen Spule zurückgehen.
Strecke die Faser Stufe für Stufe weiter, bis sie überstreckt ist, und untersuche jede Stufe in der Produktanalyse. Gehe dann zur besten Spule zurück und nimm sie mit.
Hilfe
Strecke so lange weiter, bis die Faser überstreckt ist, und teste sie. Vergleiche Festigkeit, Dehnung und Zähigkeit im Zugversuch aller Stufen. Dann geh zur vorherigen Spule zurück.
Ich nehme die gestreckte Spule (1 : 4). Die leicht gestreckte Faser ist noch zu schwach, weil erst wenige Ketten geordnet sind. Die überstreckte Faser (1 : 6) ist zwar steif, dehnt sich aber kaum und reißt plötzlich: Fast alle Ketten sind ausgerichtet, einzelne sind gerissen, und es bleiben kaum amorphe Bereiche, die Spannungen ausgleichen. Zäh ist die Faser, wenn geordnete und ungeordnete Bereiche zusammenspielen.
Die Natur hat die Seide über Jahrmillionen optimiert. Ihre Tertiärstruktur zeigt geordnete, kristalline Bereiche und dazwischen ungeordnete, amorphe Bereiche. Genau das hast du bei deiner verstreckten Faser gesehen.
Tertiärstruktur der Seide: kristalline Bereiche wechseln mit amorphen Bereichen.2
Tür zum Verkaufsraum
Fehler: Diese Frage steht nicht in einem Quiz-Element.
Warum ist die Seidenfaser nicht vollständig gestreckt, sondern besteht aus wechselnden Bereichen?
Eine zähe Faser braucht Festigkeit und Verformbarkeit. Das gelingt durch den Wechsel beider Bereiche.
Im Verkaufsraum von Du Pont liegt eine Angelschnur aus Nylon. Sie muss reißfest, knotenfest und etwas dehnbar sein, damit ein Fisch sie nicht sofort zerreißt. Aus deiner Spule (1 : 4) kann so eine Schnur entstehen.
Angelschnur aus Nylon.2
Warum passt deine Spule?
Fehler: Diese Frage steht nicht in einem Quiz-Element.
Warum eignet sich deine Spule (1 : 4) für die Angelschnur?
Eine Angelschnur muss einen plötzlichen Ruck aushalten. Dafür braucht sie neben Festigkeit auch Zähigkeit. Die überstreckte Faser bricht am Knoten, die leicht gestreckte reißt zu früh.
Beantworte die Leitfrage: Wie kommt man vom Wunsch nach Seide zum Nylon?
Ausgangsfrage: Unsere Lösung: Begründung:
Seide besteht aus unverzweigten Polypeptidketten. Daraus folgt: Eine künstliche Faser muss ein Thermoplast aus unverzweigten Ketten sein. Mit Adipinsäure (oder Säurechlorid) und Hexan-1,6-diamin entstehen durch Polykondensation Polyamidketten. Die frisch gezogene Probe ist amorph und schwach. Beim Verstrecken richten sich die Ketten parallel aus und bilden Wasserstoffbrücken. Am besten ist ein Wechsel aus kristallinen und amorphen Bereichen, wie ihn die Natur in der Seide nutzt.
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