Hur kan man göra kläder av plast?

Kemisk bakgrund

Polymerer

Polymerer är kedjor av sammankopplade monomerer

Ordet "mer" betyder "del". "Mono" betyder en och "poly" betyder flera. Ordet "polymer" betyder alltså "flera delar" och används för att beteckna en stor molekyl som är uppbyggda av många likadana mindre molekyler (monomer).

Polymerer är samlingsnamn för många olika material, både naturliga och syntetiska, med olika egenskaper. Gemensamt för gruppen är deras struktur av långa molekylkedjor uppbyggda av mindre delar. Cellulosa är ett exempel på en naturlig organisk polymer. Den är uppbyggd av glukosmonomerer och finns i växters cellväggar. Gummi, bärnsten och läder är andra välbekanta naturliga polymera material. Det vi kallar plaster är syntetiska polymerer som utvinns ur råolja och naturgas.

Plaster

Användbarhet

Plast är billigt att producera och återvinningsbara både som material och energi. De kan tillverkas med olika egenskaper och för olika användningsområden och därför så användbara för oss. Plaster används inom industri, sport, fritid, inredning, hushåll, ja i stort sett överallt. Plaster är lätta att forma. Det grekiska ordet "plastikos" som gett namn åt plasten, betyder ungefär "formbar".

Den första syntetiska polymeren var materialet bakelit, som bla. användes till telefoner och i kastrullhantag. Den har följts av en mängd moderna plast material.

Struktur

Egenskaperna hos plasterna bestäms av molekylkedjornas struktur. De kan vara långa och ogrenade vilket gör att de kan packas tätt och regelbundet i en regelbunden kristallin struktur, vilket gör materialet starkt. Längden på sidogrenarna och hur tätt de sitter avgör också plastens egenskaper. Graden av kristallinnitet i plasten avgör hur styv och också hur ogenomskinlig plasten blir. Motsatsen till kristallin struktur är amorf struktur. Molekylerna är då oordnade i förhållande till varandra.

Strukturer hos plaster

Molekylstorlek

Plaster kan indelas i termoplaster och härdplaster. Lättast skiljer man dem åt genom att termoplaster smälter vid uppvärmning, medan härdplaster ej ändrar form utan förkolnas vid tillräckligt höga temperaturer. Härdplaster har grenade molekylkedjor och som binds samman av kovalenta bindningar mellan kedjorna. På grund av detta kan ett föremål av härdplast sägas bestå av en enda jättemolekyl. Termoplaster saknar tvärbindningar mellan molekylkedjorna. Vid uppvärmning "glider" kedjorna i förhållande till varandra och därför är termoplaster så formbara och också lämpliga att återvinna. Samma egenskaper gör att termoplaster men inte härdplaster är lösliga i vissa vätskor.

Återvinning av plaster

Av tillgängliga 370 000 ton använda plaster insamlas 200 000 ton (53 %). Av det insamlade materialet går 80 % till förbränning, resterande 20 % till återvinning som material (Gäller siffrorna Sverige?/ Svante). En hel del de plastförpackningar som materialåtervinns går till textilindustrin. PET- flaskor (polyetylentereftalat), som inte återanvänds som flaskor, mals ned till granulat och blir fleecetyg, täckjacksstoppning och bilklädslar.

En vanlig plast

Ett exempel på en idag vanlig syntetisk polymer är plasten polyeten. (läs: många eten) Vi använder den till schampoflaskor, avloppsrör, leksaker, plastkassar och fibrer. Den tillverkas ur monomeren eten genom att etenmolekylerna kopplas samman genom att bilda kovalenta bindningar mellan varandra. En mycket lång molekylkedja bildas då. Det kallas att etenmolekylerna polymeriseras. Enkelt beskriven är polyeten en lång kedja kolatomer med två väteatomer bundna till varje kolatom.

Polymerisation av polyeten ur monomererna

Den kan förekomma i grenad form vilket gör materialet svagare men också billigare - tex. plastkassar - då binder molekylgrenar till platser där det annars skulle binda väteatomer. I ogrenad form blir materialet starkare och kan användas till fibrer. Om sidogrenarna är glesa och korta kan molekylerna packas tätt och materialet blir styvt - som i avloppsrör.

Polymerer i textilmaterial

Alla textilier består av polymera material. Det finns naturmaterial som bomull, ull, lin, men också syntetiska material som polyester och nylon.

Man kan känna igen textilmaterial på olika sätt: Själva känslan kan ge en vägledning, är tyget blankt?, hur brinner det?, osv. Till exempel brinner bomull med flamma och fortsätter glöda sedan låga slocknat, men den smälter inte. Silke brinner sakta samtidigt som tyger krullar sig och lågan slocknar av sig själv. Nylon brinner sakta samtidigt som den smälter och ibland droppar det.

Nylon (Nylon 6,6 och Nylon 6) är en plast som är mycket vanlig som fiber i textilier. Den är en polyamid precis som natursilke som den utvecklades för att ersätta. I början av 40-talet dök nylonen upp och användes då framför allt i damstumpor. Under 2:a världskriget blev nylonstrumpor mycket svåra att få tag i då detta lätta och starka material behövdes användas till fallskärmar. Nylon har en regelbunden struktur som gör materialet starkt och elastiskt och mycket lämpligt till fibrer i textilier.

Att dra fibrer av plasten

Plaster kan tillverkas på labb, men tyvärr är de kemikalier som behövs ofta hälsofarliga . De kan vara allergi- eller cancerframkallande. Om man däremot vill tillverka syntetfibrer kan man utgå från en färdig termoplast. Genom försiktig uppvärmning kan man få molekylkedjorna att bli rörliga gentemot varandra och bli flytande. Genom att doppa ett tunt föremål i den flytande, amorfa plasten och dra upp den i luften kyls materialet och bildar en kristallin struktur. När plasten tänjs ut orienterar sig de långa molekylerna parallellt. Mellan molekylkedjorna verkar svaga vätebindningar, vilket ger draghållfasthet, men viss elasticitet.

Här ser vi hur vätebindningar verkar mellan molekylkedjorna i en nylonfiber.

Nylon har vätebindningar mellan polymerkedjorna

Fördjupning

Vätebindning

Vätebindningar finns i vatten och i många organiska ämnen i kroppen. Vätebindningar ger ämnena polära egenskaper, såsom löslighet i vatten. Vätebindningarna är också viktiga för strukturen hos till exempel DNA.

I strukturformler brukar vätebindningen markeras med streckad linje.

Bindningskrafter inom och mellan molekyler

Kemiska ämnen hålls samman av starka bindningar såsom kovalenta bindningar i molekylföreningar och jonbindningar i salter. Bindningar inom föreningen är intramolekylära krafter.

Men det finns också bindningar mellan föreningarna, intermolekylära krafter.

intramolekylär = inom molekylen
intermolekylär = mellan molekyler

Intermolekylära krafter är svagare än de intramolekylära.

Vätebindning kan ske när vätet sitter på N, O eller F

Den så kallade vätebindningen hör dock till de starkare intermolekylära krafterna. Den kan beskrivas som en extra stark dipol-dipolbindning.

Vätebindning kan uppstå mellan ett väte som sitter på atomslaget N, O eller F i en molekyl och atomslaget N, O eller F i en annan molekyl.

Här är några exempel på kemiska föreningar som kan bilda vätebindningar:

Vatten: H2O kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätesulfid H2S vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.
Vätefluorid: HF kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätebromid HBr vätebinda eftersom brom inte är tillräckligt elektronegativ.
Ammoniak: NH3 kan vätebinda.
Karboxylsyror: exempelvis ättiksyra, CH3COOH kan vätebinda.
Alkoholer: exempelvis etanol, CH3CH2OH kan vätebinda. Däremot kan inte analogen etantiol CH3CH2SH vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ. Isomeren CH3-O-CH3 till etanol har samma summaformel, men föreningen är en eter och sådana har inget väte som sitter direkt på syreatomen. Därför kan etrar inte vätebinda.
Aminer: exempelvis ettylamin, CH3CH2NH2 kan vätebinda. Undantag är tertiära aminer som trimetylamin N(CH3)3 eftersom det inte sitter någon väteatom direkt på kvävet. Inte heller kan analogen etanitiol CH3CH2SH inte vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.


Vätebindning kan även ske till kloridjoner

Kloratomen är inte tillräckligt elektronegativ för att skapa ett elektronmoln med så hög täthet att vätebindningar kan skapas. En enskild kloratom kan däremot få tillräckligt tätt elektronmoln genom att ta upp en extra elektron så att en kloridjon skapas.

En lite udda variant av vätebindningar kan därför fås mellan den negativt laddade kloridjonen och vattenmolekyler i lösningen, exempelvis en koksaltlösning.

Bilden till höger är en ögonblicksbild av en simulering. Vätebindningarna är markerade med röda streck. Väteatomer är vita, syreatomer röda och kloridjonen är rosa.

Man kan se vätebindningar mellan vätet i vatten och kloridjonen, liksom vätebindning mellan vätet i en vattenmolekyl och syret i en annan vattenmolekyl.

N, O och F är starkt elektronegativa atomslag


Elektronmolnet kring en vattenmolekyl är starkt förskjutet från väteatomerna mot syreatomen.
"Water charge distribution" av Martin Chaplin

Atomslagen N, O och F är de mest elektronegativa atomslagen i hela periodiska systemet. Elektronegativa atomer har förmågan att dra till sig elektroner.

I vatten sitter vätet på en syreatom. Vätet har en kärna med laddningen +1 och en elektron med laddningen –1. En fri väteatom har därför nettoladdningen 0. Syret drar till sig elektronmolnet mycket effektivt, vilket leder till att det blir ett positivt laddningsöverskott δ+ på väteatomen. Vatten har två väteatomer, som sitter på syret. Även den andra väteatomen får ett positivt laddningsöverskott δ+. På motsvarande sätt får syreatomen ett dubbelt negativt laddningsöverskott 2δ–.

Det positiva vätet i en vattenmolekyl kan binda till det negativa syret i en annan vattenmolekyl med så kallad vätebindning. Bindningen är ovanligt stark för att vara en intermolekylär bindning. Det beror på att vätet är nästan ”naket” när elektronmolnet dragit sig undan så effektivt från vätet. Därmed kan vätet komma mycket nära syreatomen i den angränsande vattenmolekylen, vilket gör att den elektrostatiska attraktionen blir extra stark.

Vätebindningarna ger vattnet dess egenskaper

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vatten är det viktigaste lösningsmedlet, inte bara inom kemin, men också för livet på jorden. Vattnet har nämligen speciella egenskaper som beror på vätebindningarna mellan molekylerna.

På grund av polariteten hos vätebindningarna är vatten ett utmärkt lösningsmedel för polära ämnen såsom salter och organiska ämnen med polära grupper. Den vinklade formen hos vattenmolekylen ger en hexagonal struktur hos iskristallerna när vattnet fryser, vilket återspeglas i snöflingornas sexkantiga form. Iskristallerna hålls samman av vätebindningar. Vätebindningarnas styrka gör också att vattnets kokpunkt är mycket högre än den annars skulle vara.


Vätebindningarna ger struktur åt DNA

Vårt genetiska arv är kodat i DNA. Där finns basparen AT (Adenin och Tymin) och GC (Guanin och Cytosin). Det är viktigt att A verkligen parar med T och att G verkligen parar med C, annars skulle det bli oordning i den genetiska koden.


Basparning av Adenin och Tymin.

Basparning av Guanin och Cytosin.
"Base pair Adenine Tyhmine" av Yikrazuul" Public Domain Mark "Base pair Guanine Cytosine" av Yikrazuul" Public Domain Mark

Parningen blir rätt tack vare att A och T parar med två vätebindningar, men G och C parar med tre vätebindningar.