Iedereen betaald wel eens met plastic en krijgt vervolgens zijn product mee in een plastic zakje, maar wat is dat eigenlijk en waar wordt het nog meer voor gebruikt? De ontwikkeling plastic, of meer in het algemeen kunststoffen, is cruciaal geweest voor onze huidige welvaart en levensstijl. Plastic is namelijk meer dan alleen verpakkingsmateriaal. Kijk om u heen en u ziet plastics verwerkt in uw TV, Dvd’s, auto, mobiel en IPod. U ziet plastics overal in terug, omdat wij in staat zijn het bijna alle eigenschappen en vormen te geven die wij willen. Daarmee zetten wij niet alleen de plastics naar onze hand, maar de hele wereld. Maar wat is plastic nou eigenlijk?
Plastic, of plastiek, is een verzamelnaam voor kunststoffen die door te smelten in de juiste vorm gegoten kunnen worden, maar in de volksmond wordt plastic gebruikt als verzamelnaam voor alle kunststoffen. Plastics zijn polymeren, zeer grote moleculen die zijn opgebouwd uit een aaneenschakeling van kleine moleculen, die ook wel monomeren worden genoemd. Deze monomeren zijn meestal kleine koolwaterstofmoleculen die gemaakt worden uit aardgas of olie, maar in toekomst eventueel uit duurzame bronnen zoals koolzaadolie of zetmeel. Door een juiste reactie te kiezen, worden monomeren vaak op een kop-staart manier aan elkaar verbonden. U kunt zich een polymeer voorstellen als een soort moleculaire kralenketting waarbij de kralen de monomeren zijn en de tussenliggende draad de bindingen tussen de monomeren. Deze kralenketting is wel behoorlijk lang, want een polymeer waar bijvoorbeeld hard plastic van wordt gemaakt bevat toch al snel twintigduizend monomeren. Voor een kralenketting in onze dimensies zou dit betekenen dat deze tweehonderd meter lang is!
Hoewel de bovenstaande beschrijving van polymeren vandaag de dag vanzelfsprekend wordt aangenomen en is bewezen door middel van talloze metingen en experimenten was dat zo’n tachtig jaar geleden wel anders. Toen de Duitse chemicus Hermann Staudinger namelijk in 1922 voor het eerst ontdekte dat polymeren grote moleculen zijn die bestaan uit duizenden covalent met elkaar verbonden kleine moleculen stuitte hij op veel weerstand van zijn collega’s. Zij konden zich simpelweg niet voorstellen dat er zulke lange moleculen konden bestaan. Jarenlang hebben zij hem het leven zuur gemaakt totdat in 1953 alle critici het zwijgen werd opgelegd door de toekenning van de Nobelprijs van de scheikunde aan Staudinger.
Polymeren zijn echter niet alleen curiositeit gevonden door de mens, maar ook al het leven op aarde, inclusief de mens, bestaat voor een zeer groot gedeelte uit polymeren. DNA en eiwitten zijn namelijk ook lange kettingmoleculen waarbij de monomeren respectievelijk de nucleotiden en aminozuren zijn. Indien u nu deze krant in handen heeft voelt u de meest voorkomende polymeer op aarde: cellulose. Cellulose is een polymeer van glucose en is het hoofdbestanddeel van hout, papier en katoen.
Het belang van polymeren in de natuur en in het gebruik door de mens is hoofdzakelijk te danken aan de eigenschappen van de polymere materialen. Deze zijn namelijk totaal anders dan de eigenschappen van de losse monomeren. Zo is zuivere glucose op zich een vaste poederachtige stof terwijl de polymeer hiervan, cellulose in de vorm van katoen, een sterke vezel kan vormen om kleding van te maken. De mens gebruikt al duizenden jaren natuurlijke polymeren zoals hout, papier en zijde vanwege deze eigenschappen.
Recenter is het gebruik en de productie van polymeren die nog niet in de natuur voorkwamen. De doorbraak kwam in 1907, nu precies honderd jaar geleden, toen de Belgisch-Amerikaanse chemicus Leo Baekeland de reactie tussen phenol en formaldehyde zo wist te controleren zodat er een polymeer ontstond: Bakeliet, het eerste kunststof waar ook meteen patent op werd aangevraagd. Dit materiaal was in zijn tijd revolutionair, omdat het eigenschappen had die zeer bijzonder waren voor die tijd. Het was een zeer hard en isolerend materiaal. Bakeliet vond snel toepassingen in telefoons, radio’s en isolatoren, en op iedere rommelmarkt kom je deze producten nog tegen. Vooral de mogelijkheid om goedkoop isolatoren te produceren opende nieuwe mogelijkheden voor elektronische toepassingen waardoor deze uitvinding aan de wieg van ons digitale tijdperk staat. Baekeland was echter niet alleen een briljant chemicus, maar ook een slimme zakenman. Het door hem opgerichte bedrijf dat Bakeliet produceerde heeft hem tot multimiljonair gemaakt.
Het nadeel van Bakeliet was echter naast zijn breekbaarheid dat het een zogenaamde thermoset is. Dit betekent dat bakeliet gemaakt moet worden in de vorm die het ook uiteindelijk moet krijgen en dus volgens de definitie niet eens een plastic is. Modernere plastics zoals polyethyleen kunnen na productie gesmolten worden en dan in iedere gewenste vorm worden gegoten. Pas met deze zogenaamde thermoplastische plastics is het mogelijk om het materiaal echt naar je hand te zetten. Verder blijken de eigenschappen van deze plastics zeer afhankelijk van de polymeerlengte. Polyethyleen met zeer lange polymeerketens is bijvoorbeeld hard en stug en wordt verwerkt in speelgoed en elektraleidingen en zelfs in kogelvrije vesten, terwijl polyethyleen met korte ketens zacht is en wordt gebruikt om plastic zakjes en tasjes te maken. Sinds de tweede helft van de vorige eeuw is men in staat om de polymeerlengte te sturen door gebruik te maken van een katalysator waardoor men meerdere materialen kan produceren uit dezelfde grondstof.
Voor stevigere en meer duurzame materialen worden polymeren ook gebruikt om vezels te maken. De verreweg meest bekende is nylon dat wordt verwerkt tot de gelijknamige kousen, maar ook tot touw en vloerbedekking. Nylon heeft zijn sterkte te danken aan aantrekkende interacties door waterstofbruggen tussen verschillende polymeerketens, een soort van moleculaire crosslinks die de ketens extra stevig bij elkaar houden. Deze waterstofbruggen zijn ook aanwezig in supersterke vezels zoals Kevlar, dat wordt verwerkt in ultrasterke touwen en kogelvrije vesten. Zo heeft menig polymeer al het leven van een militair of politieagent gered.
Vandaag de dag concentreert het onderzoek naar polymeren zich vooral op slimme materialen. Dat betekent dat deze kunnen reageren op invloeden van buitenaf zoals bijvoorbeeld licht of warmte. Zo zijn zogenaamde geconjugeerde polymeren in staat om stroom te geleiden, maar kunnen daarnaast ook licht geven als men een spanningsveld aanbrengt. Van deze lichtgevende polymeren worden displays gemaakt, zogenaamde OLEDs, die waarschijnlijk binnenkort de huidige LCD technologie gaan vervangen. De voordelen van OLEDs zijn dat beeldschermen hierdoor nog platter, lichter en scherper worden.
Dit proces kan je echter ook omkeren. Door licht op het polymeer te schijnen wordt er stroom opgewekt. Met het oog op het opraken van fossiele brandstoffen is dit natuurlijk zeer interessant, omdat je zo zonlicht in stroom kunt omzetten. Dit is vandaag de dag natuurlijk niets nieuws, maar polymeer gebaseerde zonnecellen kunnen in theorie een veel hogere efficiëntie bereiken in het omzetten van licht in elektriciteit. Dit komt onder meer doordat je de chemische structuur van de polymeren gemakkelijk kunt sturen en daardoor nieuwe materialen kan ontwerpen met verbeterde eigenschappen. De uitdaging ligt hem nog in het verlengen van de levensduur van polymeerzonnecellen aangezien deze aanmerkelijk korter is vergeleken bij de huidige technologie.
Zelfherstellende materialen zijn een andere belangrijke ontwikkeling in de polymeertechnologie. Dit houdt in dat een materiaal zichzelf kan herstellen na beschadiging onder invloed van een prikkel van buitenaf zoals licht of warmte. Wat zou u er bijvoorbeeld van vinden als een kras in uw autolak zichzelf repareert als u de auto in de zon parkeert of door het even met de föhn te behandelen? Ook voor deze toepassingen zijn polymeren de sleutel. Door de sterke chemische binding in traditionele polymeren te vervangen door bindingen die gemakkelijk breken en opnieuw vormen net als lego kan het materiaal zich aanpassen aan omstandigheden. Bij lichte verwarming smelt het materiaal waardoor het zich opnieuw kan vormen en krassen dus letterlijk wegsmelten voor de zon.
Het is duidelijk dat plastic een product is dat niet op zichzelf staat. Het is het begin van een reeks steeds geavanceerder wordende materialen. Met voldoende onderzoeksinspanning zijn wij in toekomst in staat om elk materiaal met elke gewenste eigenschap te maken. Een ontwikkeling die zelfs Baekeland nu precies honderd jaar geleden niet eens had durven voorspellen toen hij voor het eerst ‘plastic’ maakte.
Tekst: Jeroen Wassenaar (1983)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zondag 13 mei 2007)
