Kunststoffen en Bioplastics

• Procestechniek
• MBO
• Studiejaar 1

Wat is Kunststof?

Kunststoffen                                                                                                                          (Plastics in het Engels)

Kunststoffen zijn polymeren:

• Natuurlijke polymeren                                                               (eiwitten, sachariden, zetmeel, cellulose)
• Synthetische polymeren                                                          (PE, PVC, PP, HDPE, LPDE, etc.)
• 
  

Een polymeer is opgebouwd uit kleinere aan elkaar geschakelde eenheden                (monomeren)

Systematische naamgeving:         Naam monomeer + voorvoegsel 'Poly'              ('Poly' = 'veel')

Afkorting	Polymeer	Monomeer
PE	Polyetheen	Etheen
PVC	Polyvinylchloride	Vinylchloride *
PLA	Polylactic Acid	Lactic Acid **

* Niet-systematische naam voor chlooretheen

** Engels voor melkzuur

Geschiedenis & Toepassing van Kunststoffen

• Rond de Middeleeuwen maakten we al gebruik van natuurlijke polymeren
  
  
• Eind 19de eeuw kwam de ontwikkeling van kunststoffen op gang met de ontdekking
  van gevulkaniseerd rubber.  (autobanden / Vredestein)
  
  
• Na WO 1 zorgden ontwikkelingen in de chemie voor heel veel nieuwe type kunststoffen
  
  
• In de jaren 40 en 50 was er een enorme toename in de productie van kunststoffen
  
  
• In de 21ste-eeuw zijn kunststoffen niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven.
  
  
• In de toekomst worden Biobased Plastics steeds meer ingezet.                  

• Rubber (SBR)
• Textiel (Nylon/Polyester)
• Onderdelen machines/leidingen (PVC)
• Verpakkingen(PE/PP/ PS)
• Electronica (PE/PP/PS)
• Teflon (PTFE)

Kunststoffen die zijn gemaakt van natuurlijke grondstoffen (monomeren)

Eigenschappen van Kunststoffen

Voordelige eigenschappen van Kunststoffen:

• Lage dichtheid                                                         (licht gewicht)                
• Bestand tegen chemische invloeden           (agressieve stoffen/omstandigheden)                    
• Redelijke mechanische eigenschappen     (druksterkte, buigsterkte, treksterkte, elasticiteit)
• Goede isolatoren                                                      (warmte en stroom)

Nadelige eigenschappen van Kunststoffen:      

• Bestand tegen chemische invloeden              (ze breken slecht af in het milieu)
• Slecht recyclebaar                                                     (behalve thermoplasten)
• Geen duurzame/hernieuwbare grondstof      (aardolie / aardgas)

Kijk eens om je heen! Kun je een product noemen dat kunststoffen bevat?

Welke eigenschap van kunststof draagt bij aan de 'plastic soup' in onze oceanen?

Productie Synthetische Kunststoffen

• Kunststof is een polymeer dat is opgebouwd uit monomeren 
• Het monomeer voor synthetische kunststoffen zijn onverzadigde koolwaterstoffen (alkenen)
• Aardolie en Aardgas zijn grondstoffen voor de productie van alkenen.

Productie alkenen

• Destillatie               -               scheiding o.b.v. kookpunt                   -       (fysische eenheidsbew.)
• Kraken                      -              veranderen chemische structuur    -       (chemische eenheidsbew.)
• Polymerisatie        -             koppelen van de monomeren            -       (chemische eenheidsbew.)

Blokschema

Productie Synthetische Kunststoffen

• Alkanen (verzadigde koolwaterstoffen) worden d.m.v. kraak-proces omgezet tot Alkenen (onverzadigde koolwaterstoffen)
  

• De alkenen (monomeren) worden doormiddel van polymerisatie aan elkaar geknoopt om polymeren te vormen.
• Polymerisatie is een chemische synthese reactie.                                            (exotherme reactie = reactie waar warmte bij vrij komt)

Alkenen

Alkanen

Polymerisatie

De blauwe golven bij het polymeer geven aan dat het hier gaat om een klein gedeelte van een grote polymeerketting. We kijken bij polymerisatie dus naar een klein gedeelte van een veel grotere reactie.

Productie Synthetische Kunststoffen

Er zijn twee manieren waarop je uit losse monomeren polymeren kunt vormen, namelijk Polycondensatie en Polyadditie

De dubbele bindingen in de monomeren klappen open, waardoor de monomeren zich aan elkaar koppelen. Hierbij ontstaan lange ketens.

Polycondensatie is een polymerisatietechniek waarbij steeds een klein molecuul wordt afgescheiden  (H2O, CH3OH, NH3, etc.)

• Polycondensatie vind je veel bij de vorming van biologische polymeren                                            (eiwitten, cellulose, zetmeel, etc.)
• Productie van PET (polyethyleenterftalaat) voor plastic PET-flessen
• Productie van Nylon 6,6

PET

Nylon 6,6

(CH2)4 en (CH2)6 betekend 4x en 6x de CH2 groep. 

Productie Synthetische Kunststoffen

Polyadditie is een polymerisatietechniek waarbij monomeren aan elkaar worden toegevoegd (additie) totdat er lange keten ontstaat.

• Polyadditie wordt ook wel additiepolymerisatie, ketenpolymerisatie of ketengroeipolymerisatie genoemd.

Polyadditie bestaat uit 3 stappen:

1. Initiatie            (er wordt een radicaal* gevormd die de dubbele binding in het monomeer verbreekt)
2. Propagatie    (door het verbreken van de dubbele binding kunnen de monomeren met elkaar een binden)
3. Terminatie      (twee radicalen reageren met elkaar, waardoor polymerisatie stopt)

Polymerisatiereacties beginnen NIET spontaan, er is altijd een stof nodig om de reactie te starten                       (initiator/starter)

Bij additiepolymerisatie ontstaan GEEN bijproducten, zoals bij poylcondensatie.

Propagatie

Initiatie

Terminatie

*een ion met een extra elektron (vrij elektron)

Voorbeeld Polymerisaties

Polyvinylchloride (PVC)

Polypropeen (PP)

*een ion met een extra elektron (vrij elektron)

Welk polymeer ontstaat hier?

Polystyreen (PS)

Uit welk monomeer bestaat dit polymeer?

Propeen

Veel voorkomende Kunststoffen

Afkorting	Polymeer	Monomeer
PE	Polyetheen	Etheen
HDPE	High Density Polyetheen	Etheen
LDPE	Low Density Polyetheen	Etheen
PVC	Polyvinylchloride	Chlooretheen (vinylchloride)
PP	Polypropeen	Propeen
PA	Polyamide	Amiden
PC	Polycarbonaat	Carbonaat
PS	Polystyreen	Fenyletheen (styreen)
PTFE	Polytetrafluoretheen	Tetrafluoretheen
PUR	Polyurethaan	Urethaan
PLA	Polylactic acid	Lactic acid (melkzuur)
PET	Polyethyleentereftalaat	Ethyleentereftalaat

*een ion met een extra elektron (vrij elektron)

Uit welke monomeren bestaan de onderstaande kunststoffen?

Etheen

Propaan

Chlooretheen

Amiden

Melkzuur

PE

PP

LDPE

HDPE

PA

PLA

PVC

Verschillende Type Kunststoffen

Synthetische kunststoffen kunnen we afhankelijk van de eigenschappen indelen in drie hoofdgroepen:

• Thermoplasten                                  
• Thermoharders                                   
• Elastomeren

Thermoplasten

• Lange lineaire of vertakt polymeerketens
• Boven een bepaalde temperatuur wordt een thermoplast week.   (zacht en vervormbaar)
• Thermoplasten kunnen zelf helemaal smelten.                                       (vloeibaar)
• Na afkoelen wordt een thermoplast weer hard.                                        (vast)
• Door deze eigenschappen zijn goed vervormbaar en te recycleren
• PE, PVC, PP

Structuur thermoplast

Voor het gemak stellen we de lange koolstofketens even voor als lijnen.

Verschillende Type Kunststoffen

Thermoharders

• Lange polymeerketens  die onderling met elkaar zijn verbonden door atoombindingen.
• Thermoharders hebben een netwerkstructuur.
• Thermoharders smelten niet en worden ook niet week.
• Boven een bepaalde temperatuur gaat een thermoharder ontleden.  (roetvorming)
• Door de netwerkstructuur zijn thermoharders erg stevig en hard
• Bakeliet, PUR

Structuur thermoharder

Op de rode punten zijn de koolstofketen m.b.v. sterke atoombindingen aan elkaar verbonden. Deze bindingen zijn lastig om los te krijgen zonder de stof te ontleden.

Verschillende Type Kunststoffen

Elastomeren

• Elastomeren worden ook wel synthetische rubbers genoemd.
• Elastomeren hebben ook een netwerkstructuur, alleen de mazen (gaten) in het netwerk zijn groter.
• De onderlinge bindingen noemen we cross-links. 
• Bij rubber wordt door vulkanisatie zwavelbruggen aangebracht.
• Elastomeren vervormen bij druk- en trekkracht en vallen in hun normale vorm terug  wanneer de kracht weg is.
• SBR, neopreen

Structuur elastomeren

Cross-links

Op de rode punten zijn de koolstofketen m.b.v. sterke atoombindingen aan elkaar verbonden. Deze bindingen zijn lastig om los te krijgen zonder de stof te ontleden.

Welke van de drie hoofdgroepen kunststoffen is goed recyclebaar?

1. Elastomeer
2. Thermoplast
3. Thermoharder
4. Rubber

Wat maakt dat het type kunststof uit de vorige vraag goed recyclebaar is?

Bewerking van Kunststoffen

Naast eenheidsbewerkingen: destillatie, kraken en polymerisatie  wordt in de procesindustrie kunststoffen ook verder verwerkt tot bruikbare producten. 

Twee van de meest gebruikte technieken zijn:

Spuitgieten

• Granulaat/poeder wordt verhit tot het een viskeuze massa.
  
• De viskeuze massa wordt onder hoge druk een matrijs ingespoten.
  
• Na afkoeling neemt het gesmolten kunststof een vaste vorm aan.

Extruderen

• Zelfde principe als spuitgieten.  Een lange filament i.p.v. vaste vorm            (3D printen)
• De vorm van het matrijs en de flow bepaalt de dikte van het filament
• Continue en discontinue

Spuitgieten

Extruderen

Wat zijn belangrijke procesgrootheden bij spuitgieten en extruderen?

De oplossing?

Laat ze zelf eens nadenken over een eventuele oplossing voor het plastic probleem?

Biobased Plastics                                          (I)

Bioplastics zijn kunststoffen gemaakt uit Biobased materialen als;

• Zetmeel / Cellulose / Melkzuur / Eiwitten / Micro-organismen* / etc. 

Biobased materialen zijn afkomstig uit hernieuwbare grondstoffen ** als mais, biet, suikerriet, hout, aardappelen, tapiocawortel, restmaterialen en afvalstromen.

• Biobased plastics kunnen composteerbaar of recyclebaar zijn.
• Niet alle bioplastics zijn biologisch afbreekbaar en niet alle biologisch afbreekbare plastics zijn vervaardigd uit hernieuwbare grondstoffen.

Indeling bioplastics:

• Biobased die wél composteerbaar zijn.                                                         (PLA, PHA, PBS, zetmeel- of cellulose gebaseerde plastics);
  
• Biobased plastics die níet composteerbaar zijn.                                       (bio-PE, bio-PET, bio-PA en bio-PTT)
  
• Plastics die níet biobased (dus op olie gebaseerd) maar wél composteerbaar zijn.                                        (PBAT, PCL)
  

Condensatiereactie PLA

*alginaat en/of melkzuur

** Hernieuwbare grondstoffen zijn (bijna) onuitputtelijke grondstoffen, waarvan de voorraad in een korte periode kan worden hersteld

Biobased Plastics                                          (II)

Compostering van bioplastics:

• Het proces van biologische afbraak m.b.v. micro-organismen                                         (bateriën/schimmels)
• Bioplastics wordt omgezet tot H2O, CO2 en biomassa                                                       
• Het proces is afhankelijk van omgevingsfactoren zoals plaats/temperatuur.           
• Biologische afbreekbaarheid wordt bepaald door de chemische structuur van een stof.
  

Recycling van bioplastics

• Kunststoffen worden apart ingezameld                                                                                                      (PMD container / Oranje Otto)
  
• De kunststofstroom wordt verwerkt bij een afvalverwerker (Twence) of recyclingbedrijf (Veolia)
  
• Gerecycled plastic wordt verzameld en verwerk tot granulaat                                                            (extruderen).
  
• Het granulaat wordt gebruikt voor de productie van nieuwe plastic producten.
  

Compostering Bioplastics

Recycling Bioplastics

*alginaat en/of melkzuur

** Hernieuwbare grondstoffen zijn (bijna) onuitputtelijke grondstoffen, waarvan de voorraad in een korte periode kan worden hersteld

En nu? Kunnen we dit probleem oplossen?

Laat de studenten maar eens voor zichzelf nadenken en brainstromen over de oplossing.

Je kunt als antwoord nog erbij vertellen dat zei als toekomstige operators en analisten een bijdragen kunnen leveren aan het oplossen van dit probleem.

Wat heb je geleerd over kunststoffen en bioplastics?

Laat ze kort reflecteren op wat ze geleerd hebben en in het kort iets vermelden wat ze geleerd hebben tijdens deze les.