Natürliche Polymere | ||
Zu den natürlichen Polymeren zählen
die Vielfachzucker, die Proteine,
Lignin, Naturkautschuk und Asphalt.
Die Rohstoffe aus Pflanzen und Tieren unterscheiden sich grundsätzlich
in ihrem chemischen Aufbau. Die pflanzlichen Rohstoffe liefern Polymere
aus Vielfachzuckern, den Polysacchariden. Die Zucker-Moleküle sind zu langen,
kettenförmigen Verbindungen verknüpft. Zu ihnen zählen die
Stärke und die Cellulose. Die tierischen Rohstoffe liefern Eiweiße. Bei ihnen schließen sich Aminosäuren zu spiralförmig aufgerollten
Ketten zusammen. Seide und Wolle
unterscheiden sich daher grundlegend im chemischen Aufbau von Baumwolle
und Leinen.
Cellulose Cellulose ist das in der Natur am häufigsten
vorkommende, natürliche Polymer und auch die am häufigsten vorkommende
organische Verbindung. Cellulose bilden zusammen
mit Lignin und Pektinen die Gerüstsubstanz für pflanzliche Zellwände.
Bei den Tieren ist die Cellulose mit Ausnahme von einigen Manteltieren
nicht zu finden. Das Makromolekül der Cellulose ist aus dem Zweifachzucker
Cellobiose aufgebaut. Ein Cellobiose-Molekül enthält zwei Grundeinheiten
der Glucose, die durch eine β-(1,4)-Verknüpfung
miteinander verbunden sind. Cellulose-Polymere enthalten
bis zu 5000 Glucose-Einheiten. Die zwischen den Makromolekülen befindlichen
Wasserstoffbrückenbindungen verhindern eine spiralartige Drehung des
Moleküls. Im Gegensatz zur Stärke
ist das Makromolekül der Cellulose daher linear angeordnet.
Cellulose-Struktur mit β-(1,4)-Verknüpfungen (grün) und Wasserstoffbrückenbindung (rot) zwischen den Polymeren Die Cellulose kann von den Enzymen vieler
Organismen nicht verdaut werden. Die Ausnahme bilden holzzerstörende
Pilze und die Pflanzenfresser. Im Magen der Rinder leben Mikroorganismen,
die das Cellulose-Molekül in einzelne Glucose-Einheiten aufspalten
können. Durch das Kochen von Cellulose in starken Säuren
lässt sich das Polymer fast vollständig in einer sauren Hydrolyse in Glucose
umwandeln, wobei auch Nebenprodukte auftreten können. Daher machen Säuretropfen Baumwollgewebe brüchig. Cellulose ist ein universeller Rohstoff für
die Papier- und Textilindustrie. Darüber hinaus ist sie Ausgangsmaterial
zur Herstellung zahlreicher Kunststoffe und Cellulose-Verbindungen. Cellulose
ist in Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich
und lässt sich daher leicht von den anderen Bestandteilen der Pflanze
abtrennen.
Holz Holz ist der wichtigste Rohstoff für Papier. Er enthält einen Anteil von bis zu 50 Prozent an Cellulosefasern. Die Fasern sind mit mit dem Aromat Lignin fest verbunden, wodurch eine hohe Stabilität erreicht wird. Lignin ist ebenfalls ein natürliches Polymer. Es macht im Holz einen Anteil von 25 Prozent aus, während die restlichen Bestandteile aus aromatischen Ölen, Harzen und Hemicellulosen zusammengesetzt sind. Holz ist ein wichtiger Rohstoff für Cellulose-Produkte wie Papier und bestimmte Kunststoffe. Durch das Erhitzen unter Luftabschluss erhält man in einer Verkokung Holzkohle, die zum Heizen verwendet werden kann. Holz wird auch zur Herstellung von Synthesegas verwendet, die sekundären Inhaltsstoffe wie der Kautschuk, die Harze oder die Öle dienen zur Herstellung von Folgeprodukten wie Gummi, Lacken, Klebstoffen oder Duftstoffen. Zellstoff und
Holzstoff Papier
Aus Holz und dem Stroh von cellulosehaltigen Pflanzen lässt sich Zellstoff gewinnen. Bei der Zellstoffgewinnung werden in einem chemischen Verfahren alle anderen Bestandteile der Pflanze wie Lignin von der Cellulose abgetrennt. Im Kraft-Verfahren erfolgt die Abtrennung durch das Kochen der Holzschnitzel in einer alkalischen Schwefelsalzlösung. Man erhält einen braunen Zellstoff, der sich zur Herstellung von Packpapier eignet. Zur Entfernung der braunen Farbe ist ein nachfolgendes Bleichen mit Chlor oder Sauerstoff notwendig. Beim Sulfit-Verfahren wird das Lignin in einer sauren Schwefelsalz-Lösung gekocht und abgetrennt. Der gewonnene Zellstoff des Sulfit-Verfahrens ist heller und weicher, dafür aber nicht so fest. Bei diesen beiden Verfahren wird nur die Hälfte des Holzes verarbeitet. Die andere Hälfte wird verbrannt und zur Energiegewinnung genutzt. Früher stellte man den Faserstoff zur Herstellung von Papier auf mechanischem Weg her. Holzprügel wurden unter Zusatz von Wasser von einem großen, rotierenden Schleifstein zerfasert, um die Holzfasern aus dem Holz herauszureißen. Dieses Verfahren nennt man Holzschliff. Bei modernen mechanischen Verfahren, zum Beispiel beim CTMP-Verfahren, wird das Holz mit Wasserdampf und Chemikalien vorbehandelt. Allerdings ist mit diesem Verfahren ein erheblicher Energieverbrauch verbunden und der erhaltene Holzstoff ist zu grob für feine Papiersorten. Er eignet sich für billige Papiersorten wie Zeitungspapier. Alle drei Verfahren führen zu einer erheblichen Umweltbelastung. Beim Kraft- und beim Sulfit-Verfahren werden giftige Gase wie Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff frei, weshalb eine Abluftanlage notwendig ist. Werden die ausgewaschenen Holzreste in die Gewässer gegeben, verbrauchen die Fasern dort Sauerstoff und führen zu einem Umkippen der Gewässer. Neuere Verfahren zur Zellstoffgewinnung wie das Allcell-Verfahren oder das Organocell-Verfahren lösen die begleitenden Holzstoffe mit Hilfe von organischen Lösungsmitteln bei erhöhter Temperatur und Druck aus dem Holz. Die Entwicklung und der Einsatz dieser Technologien tragen erheblich zur Reduzierung der Umweltbelastung bei. Nach der Isolierung der Faserstoffe aus
dem Holz werden sie zu einem festen Gebilde verfilzt. Zunächst wird
der angelieferte Zellstoff mit Wasser zu einer Suspension aufbereitet.
Der Suspension werden natürliche Mineralien als Füllstoffe
zugegeben. Diese sparen Zellstoff und verleihen dem Papier bessere Eigenschaften,
es wird dadurch weißer und undurchsichtiger. Die Zugabe von Leimstoffen
wie Harze oder Alaun machen das Papier wasserabstoßend und verhindern
das Zerfließen von Tinte. Farbstoffe geben dem Papier den gewünschten
Farbton. Danach gelangt die Faserstoffmischung, die Pulpe, auf ein glattes
Sieb, wird dort gleichmäßig verteilt, gewalzt oder gepresst
und getrocknet.
Baumwolle Baumwolle ist eine pflanzliche Naturfaser, die aus den Samenhaaren des zu den Malvengewächsen gehörenden Baumwollstrauches Gossypium gewonnen wird. Nach der Blüte des Strauches entwickelt sich eine Fruchtkapsel, aus der ein Bausch weißer Samenhaare herausragt. Die Länge der Haare variiert von einem bis zu sechs Zentimeter. Die größten Baumwollfelder finden sich im Südwesten der USA. Nach dem Sammeln und Reinigen der Samenhaare lässt sich durch Spinnen ein Garn erzeugen, das zur Herstellung von zahlreichen Produkten der Textilindustrie verwendet wird. Baumwolle lässt sich bleichen und färben (z.B. mit dem Küpenfarbstoff Indigo) und eignet sich auch zur Herstellung von Watte. Flachs, Leinen Flachs ist eine natürliche Textilfaser,
die aus dem blau blühenden Faserlein gewonnen wird. Der etwas kleinwüchsigere
und mehr verzweigte Öl-Lein dient zur Herstellung von Leinöl.
Die Leinpflanze ist eine der ältesten bekannten Kulturpflanzen, schon
die alten Ägypter webten Leintücher aus Flachs, die heute teilweise
noch an den Mumien erhalten geblieben sind. Beim Ernten wird die ganze
Leinpflanze ausgerissen und zum Trocknen aufgeschichtet. Nach längerem
Auslegen auf dem Boden, dem "Rösten", werden die Stängel getrocknet
und gebrochen. Danach zieht man die Fasern über ein mit Nägeln
besetztes Brett, um sie parallel auszurichten. Aus den erhaltenen Langfasern
lassen sich Garne spinnen, aus denen Leinen gewebt wird. Sie eignen sich
auch zur Herstellung von Zwirn oder von Schnürbändern.
Hanf Hanf ist eine einjährige, bis zu drei Meter hohe Pflanze Cannabis sativa , aus der starke und elastische Fasern
gewonnen werden können. Die Stängel des Hanfs sind innen hohl
und mit einer faserigen Rinde ausgekleidet. Die aus Cellulose bestehende
Hanffaser kann bis zu 55 Zentimeter lang werden und ist damit die längste pflanzliche
Nutzfaser. Die Faser wird zur Herstellung von besonders stabilem Material
verwendet, zum Beispiel für Segeltücher, Seile und Verpackungsschnüre.
Neuerdings werden auch Öko-Textilien aus Hanf gefertigt. Das aus den
weiblichen Blütenständen abgesonderte Harz und auch die Hanfsamen
werden als Haschisch geraucht.
Marihuana bezeichnet eine Mischung
der Blätter, Triebe und Blütenstände des oberen Teils der
weiblichen Pflanze.
b) Produkte aus pflanzlichen Rohstoffen auf Cellulose-Basis Viskosefasern Genau genommen ist die Viskosefaser keine
natürliche Faser. Sie wird zwar aus dem natürlichen Rohstoff Holzzellstoff gewonnen, aber die Herstellung der Faser erfolgt auf chemischem
Weg. Der von den Zellstofffabriken angelieferte Zellstoff
wird zunächst mit konzentrierter Natronlauge
versetzt. Dies bewirkt ein Aufquellen der Cellulose. Die Polymere werden
dabei in kürzere Ketten zerlegt. Durch die Zugabe von Schwefelkohlenstoff
bildet sich als Zwischenprodukt Cellulose-Xanthogenat, eine orangegelbe,
zähflüssige Masse, die auch als Viskose
bezeichnet wird. Nach der Zugabe von verdünnter Natronlauge erhält
man eine Lösung, die durch Spinndüsen in ein Säurebad gepresst
wird. Dabei zerfällt die Viskose und man erhält regenerierte
Cellulose in Form von feinen Fäden.
Bei diesem Vorgang entstehen äußerst giftige Zersetzungsprodukte
wie Schwefelwasserstoff und Schwefelkohlenstoff,
die leicht brennbar sind und mit der Luft explosionsfähige Gemische
bilden. Viskosefasern besitzen einen seidenähnlichen Glanz. Sie werden
zu Garnen verarbeitet und in der Textil- und Möbelindustrie vielfältig
eingesetzt. Aus der Viskoselösung lässt sich auch eine regenerierte
Cellulose in Folienform gewinnen. Diese ist im Handel unter dem Namen Cellophan
bekannt.
Celluloseacetat (CA) Celluloseacetat ist ein Ester
der Cellulose, der schon im Jahre 1865 entdeckt
wurde. Aber erst 1904 entwickelte man ein Produkt, aus dem sich Folien
und Filme fertigen ließen. Bei der Herstellung werden die OH-Gruppen
der Cellulose mit Essigsäureanhydrid unter Zugabe von Schwefelsäure
zu Cellulosetriacetat verestert. Durch Erwärmen und die Zugabe von
Wasser wird ein geringer Anteil des Acetat-Gruppen wieder abgespalten und
man erhält die Acetylcellulose, die im Molekülbau kürzere
Ketten aufweist. Acetylcellulose ist in Aceton
löslich, aus ihr lassen sich Acetat-Fasern
spinnen. Diese Fasern wurden früher als Kunstseide
bezeichnet. Der Begriff ist jedoch heute nicht mehr üblich, da er
mit Seide eigentlich nichts zu tun hat. In Kombination mit Weichmachern
erhält man einen thermoplastischen Kunststoff, der zur Herstellung
von Griffen bei Werkzeugen, Tastaturen, Lenkrädern oder Kugelschreibern
eingesetzt wird.
Celluloid, Zellhorn Um 1900 wurden jährlich noch 12000
Elefanten zur Gewinnung von Elfenbein aus ihren Stoßzähnen getötet.
Elfenbein wurde vor allem für Billardkugeln und Klaviertastaturen
benötigt. Kleine Unebenheiten der Billardkugeln verärgerten um
1870 einen amerikanischen Billardspieler dermaßen, dass er eine Belohnung
von 10000 Dollar für die Herstellung eines besseren Materials bot.
Etwa zur gleichen Zeit gelang es den Brüdern Hyatt aus Baumwolle ein
neues Material herzustellen. Durch die Behandlung von Baumwolle mit konzentrierter
Salpetersäure und konzentrierter
Schwefelsäure (Nitriersäure)
erhält man Schießbaumwolle (ein >Ester
der Cellulose). Diese eignet sich als Sprengstoff
und in abgeschwächter Form als Schießpulver. Durch das Lösen
der Schießbaumwolle in einem Gemisch aus Alkohol und Campher erhielten
die Brüder Hyatt einen Stoff, der durchsichtig wie Glas und zäher
als Leder war.
Das erhaltene Celluloid konnte man färben,
und es schmolz bereits bei niedrigen Temperaturen ohne zu zerfließen.
Damit war Celluloid der erste industriell hergestellte, thermoplastische
Kunststoff. Die Eigenschaften des Celluloids ermöglichte den Brüdern
Hyatt auch die Konstruktion der ersten Spritzgießmaschine. Die hohe
Zähigkeit und Transparenz des Celluloids ermöglichte einen Einsatz
als Trägermaterial für Filme in der Fotografie und im Kino. Aufgrund
seiner leichten Entflammbarkeit wurde es später durch andere Kunststoffe
ersetzt. Heute wird das Celluloid noch zur Herstellung von Tischtennisbällen,
Knöpfen, Kämmen oder von Brillengestellen verwendet.
c) Tierische Rohstoffe auf Protein-Basis Einige tierische Rohstoffen werden als
Polymere selbst oder zur Herstellung von Polymeren verwendet. Casein-Formaldehyd entsteht durch die Härtung von natürlichen Eiweißen aus Milch oder Eiern mit Formaldehyd.
Auch die Naturfasern Wolle und Seide enthalten Polymere auf Eiweiß-Basis.
Wolle Aus den Tierhaaren des Hausschafes lässt
sich Schafwolle gewinnen. Zur Wollgewinnung werden die Schafe einmal jährlich
geschoren. Im erweiterten Sinne versteht man unter Wolle auch andere tierische
Textilfasern, beispielsweise die Unterhaare des südamerikanischen Lamas (Lamawolle,
Alpakawolle), der Kaninchen (Angorawolle) oder der Ziegen (Kaschmirwolle,
Mohairwolle). Wolle besteht im wesentlichen aus den zu den Faserproteinen
zählenden Keratinen. Bei der Wolle sind die Protein-Moleküle spiralförmig
aufgerollt, was die Elastizität
der Faser erklärt.
Pro Schaf lassen sich drei bis fünf Kilogramm Wolle gewinnen. Bei der Schur wird dem Schaf das Fellkleid in einem Stück abgeschoren und man erhält das Vlies. Nach der Schur wird die Wolle durch Waschen zunächst vom Wollschweiß, der aus Wollfett und getrocknetem Schweiß besteht, gereinigt. Das Wollfett sondern die Schafe aus ihren Talgdrüsen ab, es dient ihnen zum Schutz des Felles. Wollfett wird zu Lanolin verarbeitet und dann in der Kosmetikindustrie als Salbengrundlage verwendet. Nach dem Trocknen wird die Schafwolle aufgezupft und zu einem Wollfaden versponnen. Beim starken Bewegen in kochendem Wasser
verfilzen die Wollfasern. Durch Walken im Wasser lässt sich Wolle
zu Filz verarbeiten. Filz ist ein relativ
festes Material, das zur Herstellung von Kleidungsstücken, Schuhen
oder Teppichunterlagen verarbeitet wird. Wolle ist säurebeständig,
von verdünnten Laugen wird sie aber angegriffen,
da die Polypetidbindungen gespalten werden. Wollfasern lassen sich gut
mit Beizenfarbstoffen färben.
Seide Das Herstellungsverfahren für Seide
wurde schon vor mehr als 5000 Jahren in China entdeckt. Die Römer
brachten den wertvollen Stoff über die berühmte und 10000 Kilometer
lange Seidenstraße nach Europa. Die Seidenfaser wird aus den Kokons
des Seidenspinners Bombyx mori gewonnen. Die Raupen des
Schmetterlings
erzeugen den Kokon mit Hilfe ihrer Spinndrüsen, um sich darin zu
einem
fertigen Schmetterling zu verpuppen. Die Seidenfäden der Raupen
enthalten
das Faserprotein Fibroin, das von einer wasserlöslichen
Bastsubstanz Sericin als Stütze umgeben ist. Der chemische Aufbau
des langkettigen
Eiweißmoleküls mit seinen Peptidbindungen ist den
künstlichen
Polyamiden sehr ähnlich. Ein einzelner
Seidenfaden einer Raupe kann bis zu vier Kilometer lang werden!
Die Kokons werden mit der Raupe zusammen
abgeerntet und in einen Behälter mit heißem Seifenwasser gegeben.
Die Raupen sterben dabei ab und die Bastsubstanz löst sich im Wasser.
Aus 50000 Raupen erhält man etwa 120 Kilogramm Seide, pro Raupe etwa zwei Gramm.
Durch Abhaspeln der Kokons erhält man Fäden, die durch Verdrehen
zu einem seidenen Zwirnfaden verarbeitet werden. Seide fühlt sich
weich und geschmeidig an, sie besitzt einen hohen Glanz, eine gute Wärmeisolierung
bei geringem Gewicht und knittert nicht. Sie wird zu Krawatten, Schals,
Kleidern, Kissen oder Bettwäsche verarbeitet.
Leder Als Leder bezeichnet
man die von Haaren
oder Federn befreite Tierhaut, zum Beispiel von Rindern, Kälbern,
Schweinen oder Ziegen. Sind die Haare noch vorhanden, handelt es sich um
einen Pelz.
Die Häute sind aus Kollagenen, die zu den Faserproteinen gehören,
aufgebaut. Durch das Gerben werden
die Häute gebrauchsfähig und haltbar gemacht. Die Gerberei ist
eines der ältesten Gewerbe der Menschheit. Heute existieren eine Vielzahl
an Verfahren für die verschiedenen Tierhäute, der Prozess ist
äußerst kompliziert und langwierig.
Die Haut der
Säuger gliedert sich
in Oberhaut, Lederhaut und Unterhaut. Zur Lederherstellung wird meist
nur
die Lederhaut benötigt, in ihr befindet sich das stabile
Bindegewebe
und die Muskeln. Vor dem Gerben wird die Lederhaut durch chemische
Verfahren
von der Oberhaut und den Haaren befreit. Ein Gemisch aus Natriumsulfid
und Kalkmilch weicht die Oberhaut auf, so dass sie sich leicht abziehen
lässt. Das eigentliche Gerben erfolgt entweder mit pflanzlichen
Stoffen
oder mit Mineralsalzen. Das Gerben mit Alaun- oder Chromsalzen
lässt
das Leder schrumpfen und liefert ein haltbares und dehnbares Leder
für
Bekleidung, Schuhe und Taschen. Beim Gerben mit pflanzlichen Stoffen
wird Gerbsäure eingesetzt, das man aus Hölzern oder
Pflanzengallen
gewinnt. Mit Tannin gegerbte Leder sind besonders wasserfest und eignen
sich für Schuhsohlen oder Polster.
Gelatine Gelatine ist ein Polypetid, das vorwiegend
aus Schlachtabfällen wie Haut und Knochen gewonnen wird. Sie enthält
einen hohen Anteil an Kollagen, einem Faserprotein, das in den Bindegeweben
vorkommt. Bis auf Tryptophan enthält sie alle essentiellen Aminosäuren
und eignet sich daher als gut verdauliche Nahrungskomponente. Sie ist
als
Pulver oder in dünnen Platten im Handel erhältlich. In warmem
Wasser quillt Gelatine auf und erstarrt zu einer gallertartigen
Lösung.
Gelatine wird zur Herstellung von Geleespeisen wie Götterspeise
oder von Puddings, Sülzen, Speiseeis und Joghurt verwendet. In der
Pharmazie
dient sie als Bindemittel für Tabletten und zur Herstellung von
Kapseln.
In der Kosmetik ist sie ein weit verbreiteter Salben- und
Cremebestandteil.
Seit dem Auftreten der Rinderseuche BSE hat sich bei den Verbrauchern Unsicherheit breit gemacht. Nach Angaben der Hersteller werden die zur Krankheits-Übertragung notwendigen, aktiven Eiweiße bei der Gelatine-Verarbeitung zerstört, selbst wenn ein krankes Rind aufgrund einer fehlenden Kontrolle verarbeitet wird. Solange die Übertragungswege bei Krankheiten wie Kreutzfeld-Jakob noch nicht eindeutig geklärt sind, bleibt jedoch ein Unsicherheitsfaktor bestehen. |