Polymeren in de industrie
Definities en basisconcepten
Een polymeer is een keten van herhalingseenheden. Het bestaat dus uit monomeren die met elkaar
kunnen reageren, doordat ze een functionaliteit groter dan of gelijk aan 2 bezitten. Deze functionaliteit
zorgt voor de polymerisatie. Polymerisatie graad is het aantal monomeren per macromolecule.
Doordat de molaire massa van macromoleculen zo hoog zijn, wordt dit weergegeven in een verdeling.
Polymeren zijn in sommige gevallen semi-kristallijn en in andere (meeste) gevallen amorf. Volledig
kristallijne polymeren bestaan niet, aangezien het vormen van kristallen kinetisch heel moeilijk is.
Amorfe polymeren worden vloeibaar, dat is de glastransitie, maar ze kunnen niet smelten. Vervorming
(reologie) is vast en vloeibaar (visco-elastisch).
Macromoleculaire architectuur
Polymeren hebben verschillende chemische samenstellingen, ze bezitten dus ook verschillende
structuren. Deze verschillende structuren worden opgedeeld in verschillende klassen. Lineair en
vertakte polymeren behoren tot de thermoplasten. Hierbij kunnen aparte moleculen naast elkaar
bewegen. Bij bepaalde temperatuur kunnen we deze hervormen (recycleerbaar).
Het aantal zijketen is afhankelijk van de temperatuur, druk, … LDPE is gerelateerd met de dichtheid.
Hoe meer defecten aanwezig, hoe minder kristalvorming, waardoor de densiteit laag is. HDPE bezitten
dus meer kristallen, waardoor smeltpunt hoger komt te liggen.
Macromoleculaire netwerken behoren tot de elastomeren (rubbers) en thermosets.
Monomeren met een functionaliteit groter dan 2 reageren met elkaar en vormen één groot netwerk.
Hierbij is dat 1 groot molecule (geen aparte moleculen dat naast elkaar bewegen). Deze kunnen dus
niet meer vloeien, ze zijn niet recycleerbaar, maar vormvast. Xcl is laag, wat wijst op een netwerk met
lage crosslinks densiteit, dit vertoont rubber gedrag. Deze vertoont nog wat mobiliteit. Voorbeeld:
rubberen band wordt in verhakkel machine gestoken, er worden kleine stukjes rubber verkregen en
worden weer terug aan elkaar gelijmd. Er is geen andere mogelijkheid om te recycleren. Deze rubberen
moleculen zijn toxisch.
Polymeren kunnen ook geclassificeerd worden in functie van hun oorsprong.
Pagina 1 van 21
, Natuurlijke oorsprong: cellulose (celwand van de meeste planten, zijn niet verteerbaar),
eiwitten zoals wol en zijde (textiel), natuurlijke rubber (wordt gekanaliseerd om een rubberen
blok te verkrijgen)
Synthetische oorsprong:
➢ Commodity thermoplasten, deze worden in grote hoeveelheden aangemaakt.
➢ Engineering thermoplast, deze zijn duurder en moeilijker te maken. Dat wordt gedaan
voor bepaalde eigenschappen te verkrijgen.
➢ Thermosets, bijvoorbeeld bakeliet, wordt tegenwoordig meer en meer vervangen.
Oude zwarte telefoon, isolator, bestaat uit 1 molecule dat een volledig netwerk is.
➢ Elastomeren
Cellulose is een polymeer van glucose dat niet verteerbaar is voor de mens door de 1,4-β-glycoside
binding. Terwijl zetmeel een 1,4-α-glycoside binding bevat dat wel verteerbaar is voor mensen. Uit
natuurlijke polymeren kunnen synthetische polymeren aangemaakt worden → half-synthetische
polymeren. Bijvoorbeeld: na modificatie van de hydroxygroepen van cellulose met een mengsel van
salpeterzuur en zwavelzuur wordt “guncotton” (nitrocellulose) gevormd. Dit polymeer is oplosbaar in
gewone organische oplosmiddelen en is ook verwerkbaar als polymeeroplossing. Dit was het begin van
viscose/rayonproductie voor grootschalige toepassing in kleding en andere textiel.
Bakeliet is een thermosets, zoals oude zwarte telefoon. Kleurstof kan daarbij worden toegevoegd. Heel
die telefoon is 1 molecule, geen recyclage mogelijk. Kan gemaakt worden door phenol (functionaliteit
van 3) en formaldehyde (functionaliteit van 2). Bij de synthese treden er veel zijreacties op, maar dat
is geen probleem voor het finaal materiaal.
Polymeren materialen: technologische classificatie
Classificatie betreft eigenschappen en productie, vormgeving (verwering). Thermosets: in reactor
gevormd door toevoegen van monomeren. Coatings: deklagen maken (solvent: lakken, verven).
Vezels: recyclage van PET flessen. Meest commerciële materialen zijn nooit zuiver, ze zijn versterkt
met vezels.
Technologische classificatie wordt gedaan op basis van de kost om het materiaal te maken
(economisch).
Bulk of commodity materialen zijn de goedkoopste om aan te maken. Commodity plus voor meer
specifieke doeleinden (LDPE). Engineering is duurder, maar betere eigenschappen zoals hardheid,
resistentie, solvent, … Specialisatie wordt gedaan om polymeren te verkrijgen met zeer goede
eigenschappen zoals thermische stabiliteit, … Wordt in kleine hoeveelheden gemaakt en zijn heel duur.
Trend: hoe betere eigenschappen, hoe meer dat de prijs stijgt.
Pagina 2 van 21
, Verpakkingsmateriaal: extreem goedkoop,
recyclage is het niet waard, want het is
goedkoper om nieuw aan te maken.
Household, bijvoorbeeld snijplank.
Bouw: materiaal van langere levensduur,
daarom wat duurder in prijs.
Materialen voor energie: geleidende
polymeren, stroomconductie mogelijk maken.
Self-healing polymeren. Netwerk polymeren: niet recycleerbaar en wordt weggegooid. Momenteel
wordt deze gerecycleerd door mechanische recyclage of verbranding. Maar door self-healing, naar
originele toestand laten gaan zodat levensduur van het materiaal lang blijft.
“Succes” eigenschappen van polymeren
Lage densiteit (0,9 – 1,5). 1: materiaal dat dicht gelucht is, voordeel voor in de bouw.
Elektrische isolatie. Isolatoren, polymeer mantel rond elektrische kabels.
Internering (corrosie, resistentie): polymeren zijn vrij inert, ze roesten niet want geen oxide
laag. Dus geen degradatie van het materiaal, ze zijn zeer stabiel.
Uiterlijk: kleur, glans, transparantie. Esthetische eigenschappen (pigmenten toevoegen, glans
kan gebracht worden door titaniumoxide toe te voegen. Polymeren zijn amorf → weinig
kristallen en dus weinig licht disfractie → transparant)
Polymerisatie tools: moleculaire engineering.
Verwerking flexibiliteit: via processen en automatisch.
Gefavoriseerde ruwe materiaal en energiebalans: meer chemische recyclage dan mechanische
recyclage. Vernieuwbare materialen gebruiken (biobased) in plaats van fossiele materialen.
Bijvoorbeeld polymelkzuur dat onafhankelijk is van aardolie. Petrobased polymeren zijn verantwoorden
voor veel wegwerp en gebruikt aardolie.
Markt
Polyethylene en polypropyleen zijn samen meer dan 60 % van de gebruikte plastieken wereldwijd. De
productie van polymeren is evenredig met de groei van de bevolking. Recyclage van plastieken is
belangrijk, zo lang mogelijk circulair houden. In België zijn er 300 bedrijven in de polymeerchemie. In
België wordt vooral de tweede stap productie gedaan. Ook ligt België centraal in Europa met veel
havens. Veel pijpleidingen aanwezig voor het vervoer van chemische producten.
Polymerisatie: algemene beschouwingen
Polymerisatie proces bestaat uit exotherme reacties. (ΔH < 0, ΔS < 0, nodig voor spontaan). Exotherme
reactie is dus nodig, er wordt warmte geproduceerd. N aantal monomeren zorgt voor n aantal
polymeerketens met x de polymerisatie graad. Functionaliteit van de monomeren is afhankelijk van
het aantal reactieve groepen in het polymeer. Functionaliteit gelijk aan 2 zorgt voor lineaire of vertakte
ketens, functionaliteit groter dan 2 zorgt voor netwerken.
Doordat er veel stappen plaatsvinden bij polymerisatie is zuiverheid van de monomeren belangrijk,
minstens 99,5 % zuiverheid nodig. Bronnen: fossiele brandstoffen in petrochemie en hernieuwbare
biobased in ‘groene chemie’.
Pagina 3 van 21
