Aufgabe 3 – Textilfasern

Schon seit Jahrtausenden werden zur Herstellung von Bekleidung natürlich vorkommende Fasern, wie Baumwoll- oder Seidenfasern, verarbeitet. Um die Materialeigenschaften von Textilien zu verbessern, wurden Naturfasern nach und nach chemisch modifiziert oder ganz durch synthetische Kunststofffasern ersetzt.

Celluloseacetat ist eine chemisch modifizierte Baumwollfaser, die bereits vor über 100 Jahren entwickelt wurde und ähnliche Eigenschaften wie Seide aufweist. Zur Herstellung der Faser wird Cellulose mit einem Reaktionspartner umgesetzt. Dabei entsteht neben dem gewünschten Kunststoff (Abb. 1) noch ein weiteres Produkt.

Abbildung 1: Strukturformelausschnitt eines Celluloseacetat-Macromoleküls

Zeichne die Strukturformel des Reaktionspartners der Cellulose mit allen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren. Gib den systematischen Namen dieses Stoffes an.
Benenne den Reaktionstyp. Bestimme die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Hydroxylgruppen pro umgesetztem Glucose-Baustein.
Beschreibe die Durchführung eines Nachweises für das weitere Produkt und die zu erwartende Beobachtung.

(5 VP)

Nylon $^®$ und Perlon $^®$ sind zwei weit verbreitete Polyamid-Fasern. Nylon $^®$ wird aus den beiden Ausgangsstoffen Hexan-1,6-disäure und 1,6-Diaminohexan hergestellt. Für die Herstellung von Perlon $^®$ ist hingegen nur ein Monomer erforderlich, nämlich das cyclische Amid E-Caprolactam $(C_6H_{11}NO)$ . Zum Start der Polymerisation reagiert E-Caprolactam mit zugesetzem Wasser unter Ringöffnung.

Zeichne einen Strukturformelausschnitt des Nylon $^®$ -Makromoleküls, der mindestens zwei Monomer-Bausteine umfasst.
Zeichne die Strukturformel eines $E$ -Caprolactam-Moleküls mit allen bindenden und nichtbindenden Elektronenpaaren.
Stelle für die Ringöffnung von $E$ -Caprolactam eine Reaktionsgleichung auf und gib den Reaktionstyp an.

(5 VP)

Aramide sind aromatische Polyamide, die zu synthetischen Fasern verarbeitet werden können. Die beiden wichtigsten Vertreter sind $m$ -Aramid und $p$ -Aramid.

3.1

Bei m-Aramid-Makromolekülen sind je zwei Benzolringe über die Kohlenstoff-Atome $C_1$ und $C_3$ miteinander verbunden (Abb. 2), bei p-Aramid-Makromolekülen über die Kohlenstoff-Atome $C_1$ und $C_4.$

Abbildung 2: Strukturformelausschnitt eines m-Aramid-Makromoleküls

Zeichne einen charakteristischen Strukturformelausschnitt eines p-Aramid-Makromoleküls, der drei Benzolringe umfasst.
Beschreibe drei strukturelle Besonderheiten eines Benzolrings.

(4 VP)

3.2

Ein besonderes Anwendungsgebiet für Fasern sind Spezialgewebe für kugelsichere Westen. Um zu entscheiden, wie gut eine Faser für diesen Zweck geeignet ist, muss ihr Dehnungsverhalten untersucht werden (Abb. 3). In einer Prüfapparatur wird dazu die Faser solange gedehnt, bis sie reißt. Dabei wird die Kraft gemessen, die die Faser der Dehnung bis zum Abriss entgegensetzt, die sogenannte Rückstellkraft.

Abbildung 3: Schematische Darstellung: Dehnungsverhalten von Aramid-Fasern

Fasern mit hoher Rückstellkraft nehmen bei der Dehnung mehr Energie auf als solche mit geringer Rückstellkraft. Neben verarbeitungstechnischen Faktoren spielt für das Dehnungsverhalten einer Faser auch die Ausbildung zwischen molekularer Wechselwirkungen zwischen den Makromolekülen eine Rolle.

Erkläre mithilfe des Diagramms (Abb. 3) und der Angaben im Text, ob für die Herstellung eines Gewebes für kugelsichere Westen p-Aramid-Fasern oder m-Aramid-Fasern besser geeignet sind.
Begründe ausgehend von den zwischenmolekularen Wechselwirkungen, weshalb die ausgewählte Faser besser für den Einsatz in kugelsichere Westen geeignet ist als die andere Faser.

(4 VP)

3.3

Werden Aramide stark erhitzt, so zersetzen sie sich unter Bildung eines Gases, das angefeuchtetes Indikatorpapier blau färbt.

Benenne das Gas. Stelle eine Reaktionsgleichung für die Reaktion des Gases mit dem feuchten Indikatorpapier auf.

(2 VP)

(20 VP)

Strukturformel des Reaktionspartners der Cellulose

Der Reaktionspartner von Cellulose für die Synthese von Celluloseacetat ist Essigsäureanhydrid.

Ethansäureanhydrid
(systematischer Name)

Reaktionstyp und Anzahl an Hydroxylgruppen

Bei der Reaktion handelt es sich um eine Veresterung (Acetylierung), wobei die Hydroxygruppen zu Esterbindungen reagieren. Da hierbei ein Essigsäuremolekül abgespalten wird, handelt es sich auch um eine Kondensationsreaktion.

Aus der Abbildung lässt sich ableiten, dass pro Glucose-Baustein drei $OH$ -Gruppen reagieren.

Nachweis für das weitere Produkt

Bei der Reaktion wird Essigsäure freigesetzt. Dieses lässt sich mithilfe einer Säure-Base-Titration festellen, da die Zusammensetzung des Synthesegemisches bekannt ist. Hierbei wird Phenolphthalein als Indikataor eingesetzt, wobei ein Farbumschlag von farblos zu rosa/rotviolett stattfindet.

Strukturformelausschnitt des Nylon $^®$ -Makromoleküls

Strukturformel eines $ε$ -Caprolactam-Moleküls

Reaktionsgleichung und Reaktionstyp der Ringöffnung

Bei der Reaktion handelt es sich um eine Hydrolyse.

3.1

Strukturformelausschnitt eines $p$ -Aramid-Makromoleküls

Strukturelle Besonderheiten eines Benzolrings

planares Ringsystem
alle $C$ - $C$ -Bindungen sind gleich lang; Bindungswinkel $120^\circ$ $\rightarrow$ regelmäßige Sechsecke
cyclisch delokalisiertes $\pi$ -Elektronensystem

3.2

Eignung der Fasern für kugelsichere Westen

Das Diagramm zeigt, dass die $p$ -Aramid-Faser im Vergleich zur $m$ -Aramid-Faser bei gleicher Dehnung eine höhere Rückstellkraft aufweist. Nach dem Text kann die $p$ -Aramid-Faser dadurch mehr Energie aufnehmen. Bei einem Schuss auf das Gewebe aus $p$ -Aramid-Fasern kann dadurch eine große Energiemenge aufgenommen werden.
Außerdem führen schon geringe Kräfte bei der $m$ -Aramid-Faser zu einer deutlichen Verlängerung, was ungünstig für eine kugelsichere Weste ist.
Aus diesen Gründen ist die $p$ -Aramid-Faser für den Einsatz in kugelsicheren Westen besser geeignet.

Zwischenmolekulare Wechselwirkungen der Aramide

Zwischen den $p$ - und $m$ -Aramid-Molekülen können sich Wasserstoffbrücken und VAN-DER-WAALS-Wechselwirkungen ausbilden.
In den $p$ -Aramid-Molekülen sind die Monomere linear angeordnet. Diese günstige Molekülgeometrie bewirkt stärkere Wechselwirkungen, wodurch sich die Molekülketten zu faltblattartigen Strukturen zusammenlagern. Diese ordnen sich wiederrum entlang der Längsachse in Lamellen an, wboei zwischen ihnen starke VAN-DER-WAALS-Kräfte wirken.
Im Gegensatz dazu sind die Monomere der $m$ -Aramid-Moleküle in einer Zickzack-Struktur angeordnet und können dadurch nicht so dicht gepackt sein.

3.3

Benennung des Gases

Bei dem Gas handelt es sich um Ammoniak: $NH_3$

Reaktion des Gases mit dem feuchten Indikatorpapier

$NH_3\,_\text{(g)} + H_2O\,_\text{(l)}$ $\rightleftharpoons$ $NH_4^+ \,_\text{(aq)} + OH^-\,_\text{(aq)}$