Materie, energie en leven

5 Van kunststof tot high-techkledij
5.1 Wetenschap en technologie maken sporten comfortabel
Er worden voortdurend nieuwe wereldrecords gebroken in de sportwereld dankzij onder andere het
gebruik van nieuwe materialen, in hoofdzaak kunststoffen. Op volgend adres kan je een brochure
downloaden ‘Chemie verhoogt de sportieve prestaties’:
http://www.fedichem.be/nl/publications/everyday_science
In deze brochure vind je een antwoord op volgende vragen:
1. Waarom kan met de huidige polsstok van synthetische harsen, koolstof- en glasvezel veel
hoger gesprongen worden dan vroeger?
2. Uit welke kunststof is een pingpongballetje gemaakt?
3. Velcro is een merknaam. Van waar komt eigenlijk de naam VELCRO?
4. Waarom is een gelzadel bij het fietsen nuttig?
Kevlar
Kevlar is een type synthetische vezel, vijf maal sterker dan metaaldraad.
Het materiaal wordt toegepast in ski's, kabels voor bruggen, remblokjes,
vislijnen en autobanden.
Het meest bekend is het gebruik als lichtgewicht kogelvrij vest. De werking
berust op het feit dat de vezels zich gedragen als een spinnenweb: als een
kogel het vest treft, worden de vezels in de kogelbaan uitgerekt en dwingen
daartoe de vezels die niet rechtstreeks geraakt worden ook te rekken.
Hierdoor wordt de energie van de kogel verstrooid. Dan nog zijn er tien of
meer lagen vezels nodig in het vest.
De uitvinding van dit polybenzamide (een aramide of aromatisch polyamide)
als vloeikristallijn polymeer staat op naam van Stefanie Louise Kwolek, een
vrouwelijke onderzoeker van de firma Du Pont de Nemours.
Vroeger was wandelen een eenvoudige zaak. Met een paar stevige schoenen, een trui en een
regenjas ging je op pad. Het gebeurde wel eens dat een fikse regenbui je doorweekte en de wind je
flink afkoelde. Later trok je volkomen dichte regenkleding en de bekende rubberen laarzen aan.
Rubber ademt echter niet. Het transpiratievocht kan niet naar buiten ontsnappen, met als gevolg
natte, klamme voeten en na een tijdje blaren. Ook de "gewone" regenkleding van tegenwoordig biedt
enkel bescherming en is niet echt comfortabel. Dan de lederen schoen. De transpiratie kan erdoor, het
regenwater komt er relatief snel doorheen. Gevolg: natte voeten. Sinds wandelen ‘trekking’ heet is er
echter veel veranderd. Ademende vezels houden buitensporters droog en warm.
Nu kan ons lichaam diep ademhalen, want het gebruik van membranen biedt de oplossing. Ze maken
materialen duurzaam, waterdicht en toch zeer goed ademend!
De zoektocht naar beter ademende vezels begon aan het begin van de jaren zeventig. Het onderzoek
ging twee kanten op. Enerzijds richting waterminnende polymeren waar zweet doorheen diffundeert,
anderzijds richting microporeuze materialen met kleine poriën. Beide soorten bestaan als coating en
als membraan. Bekende vezels zijn GORE-TEX® en SYMPA-TEX®, beide gemaakt van polymeren,
respectievelijk met en zonder microporiën.
Stuurgroep NW- VVKSO
1
1
De werking van GORE-TEX®
Het geheim van het flinterdunne membraan zit in de microporeuze structuur. Per vierkante centimeter
(ongeveer zo groot als een duimnagel) heeft het membraan 1.400.000.000 (1,4 miljard!!) poriën.
Omdat een waterdruppel ongeveer 20.000 keer groter is dan de porie, kan er geen vocht door naar
binnen dringen! Transpiratie kan echter moeiteloos ontsnappen, omdat een waterdampmolecuul
ongeveer. 700 maal kleiner is dan een porie.
Het GORE-TEX® membraan wordt met een bovenstof, een fleece en een voeringstof verbonden tot
een laminaat. Het zit als tussenlaagje tussen de voering en het bovenmateriaal. De combinatie van
zeer hoogwaardige bovenmaterialen met de eigenschappen van GORE-TEX® verhinderen dat het
water door de kledij dringt.
2
De werking van SYMPA-TEX®
SYMPA-TEX® membraan bezit geen poriën. Het is een aaneengesloten membraan dat geen water
doorlaat. Het materiaal neemt echte wel gemakkelijk waterdampmoleculen op die door het membraan
diffunderen naar de kant met de laagste temperatuur – meestal de buitenkant van het kledingstuk –
waar ze vervolgens verdampen.
Bekijk aandachtig volgende microscopische opnamen van de besproken membranen.
Membraan 1
Membraan 2
Welk opname is die van GoreTex? Motiveer je antwoord.
……………………………………………………………………………………………………………………….
Stuurgroep NW- VVKSO
2
Bedenk een mogelijk voordeel van SYMPA-TEX® ten opzichte van GORE-TEX®:
……………………………………………………………………………………………………………………….
Bedenk een mogelijk voordeel van GORE-TEX® ten opzichte van SYMPA-TEX®:
……………………………………………………………………………………………………………………….
5.2 Vele kleintjes maken een groot
Polyetheen is een kunststof die zeer veel gebruikt wordt. De elementaire bouwsteen van polyetheen is
het monomeer etheen. Door het openbreken van de dubbele binding in etheen kunnen lange ketens
gevormd worden. Deze lange ketens noemen we macromoleculen of polymeren. De lange ketens
vormen samen een soort spaghetti-structuur.
Oefeningen
1. Duid in onderstaand molecuulmodel de structuureenheid (monomeer) van polyetheen aan:
Stuurgroep NW- VVKSO
3
2. Teken een stukje van de polystyreenketen die opgebouwd is uit vier monomeren. Denk eraan dat
de ketens gevormd worden door het openbreken van de dubbele bindingen.
De structuureenheid van polystyreen is:
H H
C C
H
3. Onderstaande figuur geeft een eenvoudige voorstelling van de polymerisatie van etheen. Kleur in
deze voorstelling één monomeer in de macromolecule.
4. We kunnen de polymerisatie van polyetheen als volgt voorstellen:
…
CH2=CH2 + CH2=CH2 + CH2=CH2 + … → -CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2of n CH2=CH2 → (-CH 2-CH2-)n
Schrijf nu op dezelfde manier de polymerisatie van polyvinylchloride (PVC) als je weet dat het
monomeer vinylchloride de volgende structuur heeft:
H H
C C
H Cl
5. Uit PET-flessen winnen producenten polyestervezels. Naargelang de verwerkingstechnieken
worden gerecycleerde PET-vlokken gebruikt voor 'fleece' kledij zoals mutsen, handschoenen,
truien maar ook vulsel voor winterjassen, kussens en slaapzakken, matrasvullingen, tapijten, … Er
zijn 27 PET-flessen nodig voor 1 trui. De vorming van PET (polyethyleentereftalaat) gebeurt
volgens onderstaande reactie. Waarom noemt men dit een polyconsatiereactie?
Stuurgroep NW- VVKSO
4
6. Er zijn drie methodes om polymeren te maken. Deze drie methodes zijn in onderstaande figuur
schematisch weergegeven nl. A (polymerisatie), B (polyadditie), C (polycondensatie).
Geef bij onderstaande voorbeelden telkens aan welke methode gebruikt werd om de polymeren te
vervaardigen:
a) Polyurethaan (PUR)
b) Polyetheen (PE)
c) Polycarbonaat (PC)
Stuurgroep NW- VVKSO
5
7. Eiwitten noemen we biopolymeren (zie moleculen in levende materie). Hoe noemen we de
monomeren waaruit eiwitten zijn opgebouwd?
8. Zetmeel en cellulose zijn polysachariden (zie moleculen in levende materie), dus ook
biopolymeren. Uit welk monomeer zijn zetmeel en cellulose opgebouwd?
9. Het materiaal waaruit PET-flessen zijn opgebouwd noemen we een polyester. In het woord polyester herkennen we de functionele groepsnaam ester. Duid deze functionele groep aan in de
onderstaande voorstelling van PET (polyethyleentereftalaat):
Stuurgroep NW- VVKSO
6