Synthese von Kunststoffen


 Polymerisation
    
radikalisch
    
ionisch
    
sonstige
 
Polykondensation
 
Polyaddition
 
Viskoseverfahren

 

Herstellung von Kunststoffen:

Viskoseverfahren

Hättet Ihr gedacht, dass aus Bäumen schöne Kleidungsstücke entstehen können? Das ist tatsächlich wahr, denn die Cellulose, eine der Gerüstsubstanzen, die die Zellen in Pflanzen und Bäumen so stabil machen, lässt sich weiterverarbeiten zu Viskose, und aus Viskosefasern lässt sich Kleidung herstellen. Und wie das chemisch vor sich geht, soll hier erläutert werden.

Cellulose ist ein Kohlenhydrat, sie besteht aus 500 - 5000 Glucose-Molekülen, die miteinander zu einer langen Kette verknüpft sind (für Fachleute: Es handelt sich um eine β-(1,4)-glucosidische Verknüpfung).

Cellulosemolekül

Cellulose wird von Pflanzen bei der Photosynthese hergestellt, sie ist einer der bedeutendsten nachwachsenden Rohstoffe und wird - unter anderem - zur Herstellung von Viskosefasern verwendet.
Dies geschieht in mehreren Schritten:
Zunächst muss aus dem Baum (oder auch aus Stroh oder Schilf) die -mehr oder weniger reine - Cellulose gewonnen werden, denn Holz besteht nicht nur aus Cellulose, sondern auch aus anderen Substanzen, z.B. aus Lignin, Harzen, Wachsen, Eiweißen, Lipiden usw. Dies kann durch verschiedene Aufschlussverfahren geschehen, heute löst man üblicherweise die Holzbegleitstoffe, also alles, was man nicht haben will, mit organischen Lösungsmitteln wie Methanol oder Ethanol aus dem Holz heraus, und übrig bleibt Zellstoff, eine feinfaserige Masse, die vorwiegend aus Cellulose besteht.

Der erhaltene Zellstoff ist der Ausgangsstoff zur Herstellung von Viskosefasern, er wird zunächst in 18-22%ige Natronlauge (das entspricht ungefähr 6 mol/l) getaucht, woraufhin sich Alkalicellulose bildet, das Natriumsalz der Cellulose, wobei ein Teil der Hydroxylgruppen ein Proton (H+) abgibt.

Alkalicellulose

Die Alkalicellulose wird gepresst, um sie etwas zu trocknen, und zu einer krümeligen Masse zerfasert, die während der sogenannten "Vorreife" 1½ Tage liegenbleibt. Im Laufe dieser Zeit wird die Alkalicellulose in kleinere Stücke gespalten (Depolymerisation).

Im nächsten Arbeitsschritt wird die Alkalicellulose etwa drei Stunden lang bei 25-30°C mit Schwefelkohlenstoff (CS2) umgesetzt, wobei Cellulosexanthogenat entsteht, eine orangegelbe Masse, die wegen ihrer Zähflüssigkeit "Viskose" genannt wird. Hierbei reagieren die Hydroxylgruppen, die im Reaktionsschritt vorher ihr Proton abgegeben haben, also insgesamt nur ein Teil der ursprünglich vorhandenen Hydroxylgruppen (um Viskose zur Herstellung von Fasern zu erhalten, muss im Durchschnitt auf 2 Glucosebausteine ein Molekül Schwefelkohlenstoff kommen, die Strukturformel unten ist also etwas übertrieben, soll aber zeigen, wo überall Schwefelkohlenstoff gebunden sein könnte).

Cellulosexanthogenat

Zur Herstellung der gewünschten Fasern muss jetzt die sogenannte "Spinnlösung" hergestellt werden. Hierfür wird das erhaltene Cellulosexanthogenat in 7%iger Natronlauge (c ≈ 2 mol/l) gelöst, die Lösung wird im Vakuum von Luft befreit und muss vor dem Verspinnen noch 2 - 3 Tage "nachreifen", wobei Polymerisationen ablaufen, die Moleküle also wieder länger werden.

Die gereifte Spinnlösung wird durch feine Düsen in ein "Fällbad" oder "Spinnbad" gepresst, d.h. in eine Lösung von Schwefelsäure (H2SO4) und Sulfaten wie Natriumsulfat (Na2SO4) und Zinksulfat (ZnSO4). Im Fällbad werden die Schwefelkohlenstoffmoleküle, die an die Cellulose gebunden sind, zum größten Teil wieder abgespalten, es enstehen Schwefel, Schwefelwasserstoff (H2S, das Zeug, das nach faulen Eiern riecht), Schwefelkohlenstoff (CS2) und Natriumsulfat (Na2SO4), und endlich auch die gewünschte Viskosefaser, die aus fast reiner Cellulose besteht.

Ein Problem hierbei sind die entstehenden Stoffe, die teilweise ziemlich ungesund und umweltschädlich sind: Schwefelwasserstoff (H2S) und Schwefelkohlenstoff (CS2) sind Nervengifte und in gewissen Mengen tödlich (Schwefelwasserstoff ist fast so giftig wie Blausäure (HCN)), Schwefelkohlenstoff ist darüberhinaus außerordentlich leicht entflammbar.

Der Faden muss nun noch gewaschen werden, um ihn von ebendiesen ungesunden Stoffen zu befreien, danach wird er getrocknet und gebleicht, anschließend kann man ihn zu dickeren Fasern für verschiedene Verwendungszwecke weiterverarbeiten.

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