Geschiedenis van kunststoffen

Hoe is het materiaal ontstaan en hoe heeft het zich ontwikkeld tot prominent gebruik in onze samenleving

Kunststof in onze samenleving

Kunststoffen zijn niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven. Ze worden ingezet ter vervanging van traditionele materialen omdat ze lichter, sterker of goedkoper zijn. Wanneer je eens stopt om om je heen te kijken dan zie je veel toepassingen van kunststof. Dat is nou ook het mooie aan deze materiaalsoort, die kan worden ingezet voor de meest uiteenlopende toepassingen en die oplossingen biedt die eerder onmogelijk waren. 

We willen op deze pagina daarom meer vertellen over de ontstaansgeschiedenis, toepassingen, eigenschappen en soorten kunststoffen.

1. Het ontstaan van kunststoffen

De Gentenaar Dr. L.H. Baekeland speelde een belangrijke rol in de geschiedenis van de kunststof. In 1909, achttien jaar na de emigratie naar de U.S.A., werd hij wereldberoemd met het bewerken van Fenol Formaldehyde tot bakeliet. Deze kunststof werd o.a. gebruikt voor het vervaardigen van elektrische schakelaars.

Tijdens de eerste wereldoorlog moesten de nog jonge kunststoffen heel wat schaarse materialen vervangen. Vaak werd er ook teveel van ze verwacht. De kunststoffen moesten nog verbeterd worden en daarvoor diende de chemische opbouw van deze nieuwe materialen grondiger onderzocht te worden.

Bij dit onderzoek ontdekte Hermann Staudinger dat alle organische materialen opgebouwd zijn uit enorm lange moleculen. Reeds in 1922 stelde hij voor, deze macromoleculen te noemen. Wegens tegenkanting van sommige andere geleerden zouden zijn opvattingen pas 19 jaar later (in 1953) officieel aanvaard worden.

Kodak camera van Bakeliet

Kodak camera van Bakeliet

Een ander beroemd voorbeeld uit de geschiedenis van de kunststoffen is PVC, je weet wel, het materiaal gebruikt voor plastiek mapjes, douchegordijnen en vloerbekleding. De chemicus noemt het polyvinylchloride en het is uitgegroeid tot een algemeen bekende kunststof met zeer uiteenlopende toepassingen. In 1912 ontdekte Fritz Klatter de basisprincipes voor de industriële productie van PVC.

Deze principes werden voor het eerst toegepast om het milieu te beschermen tegen giftige chloor dat bij de productie van natronloog vrijkomt. Door er PVC mee te produceren werd het chloor chemisch gebonden en kon het zonder gevaar afgevoerd worden. De massaproductie van deze kunststof begint echter pas in 1938, toen duidelijk werd waarvoor men PVC zoal kon gebruiken.

2. Grondstoffen: bronnen en productie

In het begin werden overwegend natuurlijke grondstoffen gebruikt. Het melkeiwit caseïne was de grondstof voor kunsthoorn. Uit afgeroomde melk wordt de caseïne met behulp van het leb enzym, aanwezig in de kalfsmaag, afgescheiden en vervolgens gewassen, gedroogd en vermalen. Om er een voorwerp uit te vervaardigen laat men het in water zwellen, om het daarna te kleuren, te persen en uit te harden.

Cellulose (uit hout of plantenvezels) bevat naast koolstof ook de elementen waterstof en zuurstof.

Ook steenkool bevat verbindingen die uit koolstof, waterstof en zuurstof zijn samengesteld. Geen wonder want die steenkool ontstond uit weelderige wouden die zo’n 250 tot 280 miljoen jaar geleden in moerasgebieden groeiden.

Begin deze eeuw werd uit die steenkool gas (stadsgas) gewonnen, dat voor verlichting gebruikt werd. In de gasfabrieken ontstonden twee vervelende afvalproducten: benzeen en teer. Deze producten bleken echter alleen vervelend in het begin, want al snel ontdekte men in teer de erg waardevolle koolwaterstofverbindingen.

Geleidelijk werd het stadsgas vervangen door de opkomende elektriciteit, zodat de teerproductie achteruit ging. Met elektriciteit kon men echter calciumcarbid produceren. Dit gebeurde door verhitting van kalk en steenkool in een elektrische oven bij een temperatuur van ca. 2.000 °C. Dit carbid reageert heftig met water en vormt dan acetyleen, een koolwaterstof, en calciumhydroxide. Calciumcarbid is de basisstof voor de acetyleenchemie.

De productie van carbid verbruikt echter geweldige hoeveelheden hoogwaardige energie: elektriciteit. Bij de reactie met water, dus bij de ontwikkeling van het acetyleen, wordt ook een grote hoeveelheid onwelriekend carbid-kalkslib gevormd, dat afgevoerd wordt naar stortplaatsen

De aardoliechemie of petrochemie kende een soortgelijke ontwikkeling als de acetyleen. Aardolie is ontstaan doordat plantaardige of dierlijke resten (plankton) miljoenen jaren lang op de bodem van zeeën en meren bezonken. De omzetting in rottingsslib en de ontbinding in koolwaterstoffen gebeurde door de inwerking van bacteriën en katalysatoren.

Toename van kunststoffenproductie

Het was aanvankelijk helemaal niet zo gemakkelijk, een bruikbare kunststof te vinden. De eerste 50 jaar werden er nauwelijks een dozijn gevonden. In alle westerse landen werd naar nieuwe kunststoffen gezocht. Door wederzijdse uitwisseling van ervaringen nam de kennis omtrent deze nieuwe stoffen echter voortdurend toe. Hierdoor volgde na de eerste 50 magere jaren een spectaculaire ontwikkeling.

3. Materiaaleigenschappen op maat

Onderdelen uit kunststof kunnen machinaal en goedkoop in grote hoeveelheden geproduceerd worden. Wie een auto koopt, wil een wagen, die niet alleen gunstig is in prijs, onderhoud, herstellingen en levensduur, maar ook veilig is. Het grote voordeel van kunststoffen is, dat ze materiaaleigenschappen op maat bezitten. De huidige autofabrikanten willen steeds lichtere wagens. In de Verenigde staten is de massa van de gemiddelde personenwagen naar verluidt reeds met 320 kg verminderd. Overigens hebben onze kleinere moderne auto’s nu nog slechts een massa van 700 tot 800 kg, in vergelijking met de 1.000 kg die vroeger gebruikelijk was. Nieuwe modellen zullen zelfs nog zo’n 100 kg uitsparen. Deze massavermindering bevordert het acceleratievermogen en vermindert het verbruik van de wagen.

Dank zij de eigenschappen van de gebruikte kunststof kan de fabrikant aan een brandstoftank elke gewenste vorm geven om ze in de beschikbare ruimte te passen.

Door deze afslankingskuur van de wagens wordt in de Europese Gemeenschap jaarlijks 3,5 ton brandstof bespaard.

De vele chemische en fysische eigenschappen van kunststoffen worden door vier factoren bepaald: de chemische opbouw, de vorm van de macromoleculen, hun rangschikking en hun lengte.

De chemische opbouw, d.w.z. de soort atomen en hun structuur, bepaalt de massa – kunststoffen hebben meestal een dichtheid tussen 900 kg/m3 en 1400 kg/m3. Als ze zware anorganische elementen (zoals fluor) bevatten, kan de dichtheid een waarde van 2200 kg/m3 bereiken. Dit is onder meer het geval voor polytetrafluorethyleen (PTFE)

  • Koper heeft een dichtheid van 8900 kg/m3.
  • Een kubus van 1 m3 koper heeft dus een massa van 8900 kg.
  • Staal heeft een dichtheid van 7600 kg/m3.
  • Een kubus van 1 m3 staal heeft dus een massa van 7600 kg.
  • Aluminium heeft een dichtheid van 2700 kg/m3.
  • Een kubus van 1 m3 aluminium heeft dus een massa van 2700 kg.

Aluminium, dat een licht metaal is, weegt tweemaal zo veel als het bekende polyvinylchloride (PVC) dat slechts een dichtheid van 1380 kg/m3 heeft. En polyethyleen (PE) met een dichtheid van 910 tot 960 kg/m3 bevat nog minder materie. De chemische opbouw bepaalt ook de bestandheid tegen chemicaliën, zuren, basen en oplosmiddelen, evenals het hoge elektronische isolatievermogen dat kunststoffen kenmerkt.

De vorm, lengte en rangschikking van de macromoleculen bepalen het mechanische gedrag van de kunststof. Met kan dus plastische, zacht-elastische, maar ook hard-elastische en zelfs brosse kunststoffen produceren, elk met hun eigen welbepaalde temperatuur.