Plast i bilar: polymerisering och återvinning Teach article

Översatt av Kristoffer Nordekvist. Vilka typer av plast används för att bygga en bil? Hur syntetiseras dessa och hur återvinns de? Marlene Rau och Peter Nentwig resenterar två aktiviteter från "Chemie im Kontext"-projektet.

Bild från Niko Guido /
iStockphoto

Många tonåringar är intresserade av bilar, vilka innehåller mängder av olika plaster; polymerer producerade från råolja eller förnyelsebara material. Ett intresse för bilar kan därför användas för att presentera ämnet plast och polymerer, till exempel på lektioner om organisk kemi.

Ta ut dina elever för att titta på några bilar. Vad vet de sedan tidigare om plasten som används för att bygga bilar? Vad skulle de vilja ta reda på? De kan kategorisera sina idéer utifrån olika delar av bilen (se Tabell 1, nedan)

Tabell 1: Användning av plast i bilar

  • Gör plast en bil mer eko-vänlig? (Lägre bränsleförbrukning, återvinning av plastdelar)
  • Genomskinliga strålkastare fram och bak
  • Sommar- och vinterdäck
  • Starka säkerhetsbälten
  • Värmetålig plast nära motorn
  • Skum i sätena

Poängen är att komponenterna i en bil har specifika krav (t.ex. ett säkerhetsbälte som måste vara starkt men böjligt), vilket innebär att deras uppbyggnad kräver specifika egenskaper (exempelvis att materialet ej rivs sönder), så specifika typer av material (t.ex. polyetylen tereftalat) måste användas. Om inte eleverna själva kommer på dessa kopplingar, fråga dem varför en enda typ av plast skulle räcka för att bygga en bil.

Figur 1: Plast i biltillverkning
Akrylnitril butadien styren terpolymer: 31 %
Polyetylen tereftalat: 1 %
Polykarbonat / Akrylnitril butadien styren polymer: 7 %
Akrylglas: 7 %
Polypropen: 6%
Polybutylen tereftalat: 5 %
Polyacetat: 10 %
Polykarbonat: 4 %
Polyamid: 31 %

Bild från Leibniz Institute for Science and Mathematics Education (Leibniz Institut för Naturvetenskap- och matematikundervisning)

Aktiviteterna i denna artikel riktar sig mot två av ämnena i tabell 1: plasten från baklyktor och hur plast återvinns från bilar. Varje aktivitet består av ett arbetsblad och bakgrundsinformation. Aktiviteterna är en del av en längre lektionsplanering (se ruta) lämplig för elever som är +16 år, vilka bör arbeta i grupper om två eller tre. Räkna med en eller två 45-minuters lektioner för varje aktivitet.

Projektet ”Kemi i kontext”

”Chemie im Kontext” (kemi i kontext) är ett projekt som samordnas av Leibniz Institut för Naturvetenskap- och matematikundervisning vid Kiels universitet, Tyskland. Mellan 2002 och 2008 utvecklade kemilärare, andra naturvetenskapsutbildare och representanter från skolledning undervisningsblock för kemiundervisning – för alla årskurser och typer av skolor, med kopplingar mellan ämneskrav och vardagssituationer. Exempel på resurser och rekommendationer för utveckling av mer material finns tillgängligt på nätetw1. Ett set av resurser producerade av lärare kan beställas gratis, och fyra av lektionsplanerna är tillgänglig gratis online (allt på tyska). En textbok och en lärarhandledning (på tyska) har publicerats av Cornelsen Verlag.

Denna artikel är ett utdrag från en av lektionsplanerna. Hela lektionsplaneringen inkluderar sex olika aktiviteter, en för varje del i rutorna i tabell 1.

Polymerisering: plast för bilarnas lyktor

Baklykta gjord av akrylglas
Bild från BASF 1998

Billyktor har plastöverdrag för att hålla dem rena och torra och – i vissa fall – för att ge en färg (t.ex. rött för bakljusen och orange för riktningsanvisare). Materialet som används måste vara genomskinligt, lätt, färgbart, lätt att forma och förhållandevis starkt. I denna aktivitet syntetiserar vi den plast som används; poly (metyl metakrylat) eller PMMA.

Poly (metyl metakrylat) är allmänt känt som akrylglas eller plexiglas, och är del av en grupp av plaster som kallas polymerisater. Deras gemensamma egenskap är att deras grundläggande monomeriska enheter innehåller en eller flera dubbelbindningar. Under inverkan av radikaler (molekyler med en oparad fri elektron), genomgår dessa enheter radikal-polymerisering för att bilda långa kedjor av makromolekyler.

Karakteristiken för makromolekylen beror på vilka sidokedjor den har, vilket i sin tur beror på vilken monomer som använts. Genom att använda olika monomerer i bildandet av polymeriserade plaster kan vi skapa plaster för olika användningsområden i bilar. Till exempel förebygger de skrymmande sidokedjorna hos PMMA att plasten ska bilda kristallstrukturer när det hårdnar, vilket skulle bryta ljus. Istället är sådana amorfa plaster genomskinliga, vilket för dem till användbara substitut till glas: lättare, mer formbara och mindre känsliga för att splittras.

Vi kan illustrera radikal-polymerisering med en bils bränsletank, vilken är gjord av polyeten. Polyeten bildas från eten (etylen, C2H4) monomerer i en reaktion initierad av dibenzoyl peroxid. När det upphettas till 90°C, splittras dibenzoyl peroxid till två radikaler. Om en av dessa radikaler binder till en etenmolekyl bryts etenmolekylens dubbelbindning och en ny, större radikal bildas. På detta sätt påbörjas en kedjereaktion som endast avslutas när två radikaler reagerar med varandra.

Monomer

Polymer

Tabell 2: Bildandet av plast genom polymerisering
Bilder från Leibniz Institute for Science and Mathematics Education (Leibniz Institut för Naturvetenskap- och matematikundervisning)

Eten

Polyeten

Propen

Polypropylen

Vinylklorid

Polyvinylklorid

Styren

Polystyren

Akrylonitril

Polyacrylonitrile

Metylester av metakrylsyra

Poly (metyl metakrylat)

Tetraflouroetylen

Polytetraflouroetylen

a) Bildande av radikaler
b) Bildande av monomerer
c) Kedjan växer. Klicka på bilden för att förstora
d) Polymeriseringen slutar. Klicka på bilden för att förstora

Figur 2: Stegen som ingår i polymerisering
Bilder från Leibniz Institute for Science and Mathematics Education (Leibniz Institut för Naturvetenskap- och matematikundervisning)

I vårt experiment ska vi använda dibenzoyl peroxid för att initiera en liknande process: istället för att använda eten för att göra polyeten använder vi metyl 2-metylpropenoat för att bilda poly (metyl metylakrylat).

Elevarbetsblad 1: syntetisera en transparent polymer

Material

Den resulterande plasten
Bild från Leibniz Institute for
Science and Mathematics
Education (Leibniz Institut för
Naturvetenskap- och
matematikundervisning)
  • Metyl 2-metylpropenoat (också känd som metyl metakrylat; C5H8O2)
  • Dibenzoyl peroxid (C14H10O4)
  • Sudanrött färgämne
  • Vatten
  • Aceton (propanon, C3H6O)

Materiel per grupp

  • En våg
  • En värmeplatta
  • Ett provrör
  • En bägare
  • Ett urglas
  • En spatel
  • En pipett
  • Aluminiumformen från ett värmeljus

 

Säkerhetsföreskrift

Använd handskar, skyddsglasögon och arbeta i ett dragskåp. Metyl 2-metylpropenoat, dibenzoyl peroxid och aceton är brandfarliga; aceton är också irriterande för huden. Alla tre måste handskas med försiktighet. Kvarvarande sudanrött får ej spolas ned i avloppet.

Se också den generella säkerhetsföreskriften.

Procedur

Figur 3: Experimentets
uppbyggnad

Bild från Leibniz Institute for
Science and Mathematics
Education (Leibniz Institut för
Naturvetenskap- och
matematikundervisning)
  1. Väg 0,2 g dibenzoyl peroxid i provröret.
  2. Tillsätt 10 ml av metyl 2-metylpropenoat.
  3. För att färga den resulterande plasten, tillsätt lite sudanrött (tillräckligt för att täcka spatelns udd).
  4. Placera provröret i en bägare full med vatten vid 90 oC och sätt detta på värmeplattan; se figur 3, nedan.

Reaktionen kommer att ta ungefär 20 minuter varefter lösningen bör vara synligt trögflytande. Under tiden, läs informationen under rubriken ‘Polymerisering: plast för billyktor’ och arbeta fram reaktionsmekanismen för radikal-polymeriseringen av metyl 2-metylpropenoat.

  1. Häll lösningen i aluminiumformen från värmeljuset.

Om plasten börjar stelna i provröret kan ni lösa den igen med aceton. Ni kan sedan fortsätta med experimentet (hälla lösningen i formen), men ge ytterligare tid för acetonet att avdunsta.

  1. Täck aluminiumformen med urglaset för att hålla plasten varm och låta den stelna snabbare.
  2. Låt poly (metyl metakrylat)-en stelna helt under 24 timmar, avlägsna den sedan från aluminiumformen.

Hur skulle du testa egenskaperna hos din plast och jämföra dessa med egenskaperna hos glas?

Återvinning av plast från bilar

Figur 4: Kalorivärdet för olika
bränslet, från vänster till
höger: olja, plastsopor som
olefiner, lignit. Klicka på
bilden för att förstora

Bild från Leibniz Institute for
Science and Mathematics
Education (Leibniz Institut för
Naturvetenskap- och
matematikundervisning)

I denna aktivitet får eleverna först lära sig mer om hur plast från bilar kan återvinnas, därefter själva pröva återvinna genom att omforma en plastflaska till en bit formad plast.

Vad händer när vi har använt klart en bil? Vi kanske tänker på högar med rostiga bilar och gamla däck som ska till deponi men faktum är att många bildelar kan återvinnas för att få tillbaka värdefulla resurser, framförallt metaller.

Plasten i en bil kan också återvinnas på tre sätt: som delar, kemiska komponenter eller bränsle.

  1. Bilar kan repareras med gamla plastdelar exempelvis kofångare. När delarna blir äldre förändras dock deras karakteristika vilket gör dem olämpliga för återanvändning: solstrålning t.ex. gör de flesta plaster sköra. Lyckligtvis kan vissa plastdelar smältas ned och omformas till saker där kvalitetskraven är lägre som staket eller trädgårdsbänkar.
  2. Genom kemiska processer kan vissa polymerer delas upp sina monomeriska byggstenar vilka sedan kan användas för nya synteser. Plast kan också användas för att producera andra resurser för kemisk industri: till exempel kan ett ton plast av en viss typ ge 600 kg metanol, vilket är en viktig resurs för plastindustrin och används även i bränsleceller för att släppa loss energi.
  3. Hackade plastdelar kan används direkt som bränsle och ersätter då olja och kol exempelvis i sopförbränningsstationer. De kan också ersätta koks som används för järnproduktion i masugnar (se figur 4).

Elevarbetsblad 2: återvinna plast i klassrummet

Kakformar
Bild från hippokrat /
iStockphoto

I den här aktiviteten kommer ni att återvinna plast från en flaska till formade bitar av plast. Vad ni gör av dessa begränsas bara av er fantasi: nyckelringar, berlocker, julgransprydnader.

Material per grupp

  • En bunsenbrännare
  • En trefot med nätgaller
  • Kakformar av olika typ
  • Aluminiumfolie
  • En kniv
  • Plastavfall (helst PET-flaskor för mineralvatten)
  • Ett urval av färgämnen

 

Säkerhet

Använd skyddsglasögon och arbeta i dragskåp. Låt inte lågan komma i direkt kontakt med plasten. Var försiktig så du inte skär dig.

Se också de generella säkerhetsråden.

Metod

  1. Använd kniven för att skära plasten i så små bitar som möjligt.
  2. Täck botten och sidorna av kakformarna med folie och fyll dem till ett djup av 0,5 cm ned sönderskuret plastavfall. Om ni vill försök att tillsätta lite färgämne till plastavfallet.
  3. Placera formarna på nätgallret ovanför bunsenbrännaren och upphetta dem sakta till det att plasten smälter.
  4. När det har stelnat, ta ut plasten och ta bort folien.

Jämför egenskaperna hos plasten före och efter återvinningen. Vilken slutsats kan du dra om plaståtervinning?

Diskutera i er grupp de tre återvinningsmetoderna beskrivna under rubriken ‘Återvinning av plast från bilar’ och jämför de möjliga tillämpningarna. Reflektera över experimentet ni utfört, vilka tillämpningar finns för er plast?

Studera plast med röntgen

Vid Europeiska Synkrotron strålningsanläggningen (ESRF)w2, hög-prestationsfiber som plastisk Kevlar® har studerats i mer än tio år. Fem gånger starkare än stål, beräknat på vikt, används Kevlar i cykelhjul och kroppsskydd, racing-segel och förtöjningslinor.

Mycket av ESRF:s arbete på hög-prestationsfiber omfattar dessas “yta-kärna morfologi”; skillnaderna i struktur mellan de yttre lagren hos fibren och dess centrum. Dessa skillnader kan påverka fibrets mekaniska egenskaper så förståelse av “yta-kärna morfologi” kan ge möjlighet att skräddarsy fibrens egenskaper under tillverkningsprocessen.

ESRF:s mikrofokus röntgenstrålar används rutinmässigt vid nya studier av dessa enastående material, både för akademisk och industriell forskning. Detta görs eftersom ingen annan teknik ger samma information utan att ta ett tvärsnitt på fibern och därmed eventuellt förändra dess interna struktur. För mer information, se Capellas Espuny, 2009.

ESRF är medlem av EIROforumw3, utgivaren av Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 – För att få veta mer om projektet (på engelska eller tyska) och ladda ned resurser (på tyska), se Chemie im Kontext webbsidan: www.chik.de
  • w2 – Ett internationellt forskning i Grenoble, Frankrike, ESRF producerar högupplösta röntgenstrålar, vilka används av tusentals forskare över hela jorden varje år. För mer information se : www.esrf.eu
  • w3 – För att få veta mer om EIROforum se : www.eiroforum.org

Resources

  • För att få veta mer om “Chemie im Kontext” projektet se:
    • Parchmann I et al. (2006) Chemie im Kontext: a symbiotic implementation of a context-based teaching and learning approach. International Journal of Science Education 28(9): 1041-1062

    • Nentwig P et al. (2007) Chemie im Kontext: situated learning in relevant contexts while systematically developing basic chemical concepts. Journal of Chemical Education 84: 1439

  • För en drama-aktivitet om radikal-polymerisering av eten till polyetylen i klassrummet, se:
  • För att få veta mer om forskning om biologiskt nedbrytbar plast, se:

Author(s)

Dr Marlene Rau föddes i Tyskland och växte upp i Spanien. Efter att ha erhållit sin doktorsgrad i utvecklingsbiologi vid det Europeiska Molekylärbiologiska Laboratoriet i Heidelberg, Tyskland, studerade hon journalistik och började därefter arbeta med att kommunicera naturvetenskap. Från 2008 har hon varit en av redaktörerna av Science in School.

Peter Nentwig har just pensionerat sig från posten som forskningsansvarig vid Leibniz Institut för Naturvetenskap och matematikundervisning. Hans huvudintressen var lärarutbildning och projekt som Chemie im Kontext, vilkets syfte var att fostra vetenskapligt intresse och vetenskapsallmänbildning bland högstadieelever.


Review

Kemi ses vanligtvis av studenter som avlägset och svårt, men vi är omgivna av det och det spelar en stor roll i förbättringen av vår livskvalitet. Aktiviteter som de i denna artikel, vilka använder vardagsmaterial, kan hjälpa till med att öka allmänhetens uppskattning av kemi och uppmuntra intresset för det bland elever.

Dessa aktiviteter kan användas under lektioner i organisk kemi och även i biologi, för att diskutera vikten av återvinning. Även om författarna föreslår aktiviteterna för elever som är 16 år och uppåt kan de också användas för yngre elever (14+).


Mireia Guell Serra, Spanien




License

CC-BY-NC-SA