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Silikone – Pro und Contra für ganz besondere Kunststoffe

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Silikone - Pro und Kontra - Nützlich oder gefährlich?

Der letzte Teil der Kunststoff-Serie in Keinsteins-Kiste ist einer ganz besonderen Familie von Kunststoffen gewidmet: Es geht um Silikone. Vor vielen Jahren ist mir diese Stoff-Gruppe im Studium zum ersten Mal begegnet, als ich vor den versammelten Kommilitonen und Dozenten einen Vortrag darüber halten durfte.

So war ich nun besonders neugierig, wie sich der Wissensstand rund um Silikone in den letzten eineinhalb Jahrzehnten verändert hat. Das ist nämlich eine wesentliche Eigenschaft von „Wissen“ im Sinne der Wissenschaft: Es ist nicht unverrückbar festgelegt, sondern kann durch neue Forschungsergebnisse ständig verändert – z.B. verbessert oder überholt – werden.

Deshalb konnte ich nicht einfach mein altes Vortrags-Skript als Grundlage für diesen Artikel hernehmen. Stattdessen habe ich dessen Kernaussagen neu recherchiert, um sie dem heutigen Stand entsprechen anzupassen. Und wie sich dabei zeigte, hat sich bezüglich der Eigenschaften der Silikone gar nicht so viel getan. Einzig in Punkto Abbaubarkeit ist man heute spürbar weniger optimistisch als vor 15 Jahren.

Die anderen Beiträge rund um Kunststoffe findet ihr übrigens hier:

Was sind Silikone?

Silikone sind ganz besondere Kunststoffe. Wie die anderen Materialien, die wir landläufig gern als „Plastik“ bezeichnen, bestehen auch sie aus Polymeren – also langen Molekülketten.  Doch die Molekülketten der Silikon-Ketten bestehen nicht wie die des üblichen „Plastiks“ aus Kohlenstoffatomen. Die sind nämlich nicht die einzigen Atome, die bis zu vier kovalente Bindungen eingehen und damit vielfältige Möglichkeiten zur Vernetzung und Verkettung bieten können.

Der Kohlenstoff hat nämlich einen nahen chemischen Verwandten: Das Element Silizium (Si). Ihr findet es im Periodensystem der Elemente direkt unter dem Kohlenstoff in der vierten Hauptgruppe (wer sich mit Chemie auskennt, weiss, dass verwandte Elemente in dieser Weise untereinander stehen). In Reinform glänzt Silizium wie ein Metall und findet als Rohstoff für Halbleiter und Solarzellen Verwendung. Daneben kann es jedoch wie Kohlenstoff vier kovalente Bindungen eingehen. Oder sogar etwas mehr.

Zum Beispiel in Silikonen (der Name verrät das enthaltene Element). So haben die Ketten der Silikone ein Rückgrat aus Silizium- und Sauerstoff-Atomen, die sich immer abwechseln. Das erinnert Mineralienfans nicht von ungefähr an Quarz (SiO2) und die verschiedenen Silikat-Minerale, die meistens ziemlich harte Steine sind.

Silizium-Sauerstoff-Bindungen sind nämlich ausserordentlich stabil. In ihnen ist nämlich mehr Elektronendichte versammelt, als für eine normale kovalente Bindung üblich ist. Damit hat eine Si-O-Bindung, die der Einfachheit und der Edelgasregel wegen als Einfachbindung dargestellt wird, tatsächlich etwas von einer Doppelbindung! Anders als die Doppelbindungen zwischen Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen sind diese Bindungen in natürlicher Umgebung aber kaum reaktiv.

Brustimplantate aus Silikon
So sind Silikone legendär geworden: Als Brustimplantate! Die Aussenhülle besteht aus Silikonkautschuk, gefüllt sind sie mit Silikonöl. Moderne Implantate haben sogar zwei Hüllen, zwischen denen sich Kochsalzlösung befindet. So soll bestmöglich verhindert werden, dass Silikonöl durch einen Riss in den Körper laufen kann.

Sind Silikone organisch oder anorganisch?

Während jedes Siliziumatom im Silikon also zwei Bindungen zu den benachbarten Sauerstoffatomen hat, bleiben zwei weitere Bindungsstellen frei, um daran Kohlenwasserstoffgruppen zu binden, wie wir sie aus organischen Verbindungen kennen. Chemiker nennen die Silikone deshalb auch Poly(organo)siloxane. Der einfachste Vertreter dieser Gattung ist Poly(dimethyl)siloxan, in welchem jedes Siliziumatom zwei Methyl-, also CH3-Gruppen trägt.

Strukturformel für Polydimethylsiloxan
Poly(dimethyl)siloxan : Zwischen den beiden Enden befinden sich n gleichartige Glieder.

Damit sind Silikone sowohl anorganischer als auch organischer Natur – oder weder noch. Ihr Rückgrat enthält schliesslich keinen Kohlenstoff (und organische Verbindungen sind als alle Kohlenstoffverbindungen abzüglich einiger Ausnahmen definiert). Stattdessen ist es an (Halb-)Metalloxide angelehnt, die klassische anorganische Verbindungen sind. Die Seitenketten sind wiederum organisch, sodass Silikone auch nicht einfach als anorganisch bzw. mineralisch gelten können.

Silikone sind ein Kunstprodukt

So etwas gibt es in der Natur (meineswissens) nicht. Silikone sind denn auch vollkommen künstliche Produkte – und tragen die Bezeichnung „Kunststoff“ damit völlig zu Recht. Diese Künstlichkeit verleiht ihnen jedoch einzigartige und nützliche Eigenschaften, die dazu führen, dass Silikone in unserem Alltag heute nicht mehr wegzudenken sind.

Silikone haben Vor- und Nachteile

Wie jeder Stoff bzw. jede Stoffgruppe, den/die wir für irgendetwas verwenden, bringen auch die Eigenschaften von Silikonen sowohl Vor- als auch Nachteile mit sich. In meinen Augen wiegen die vorteilhaften Eigenschaften der Silikone gegenüber ihren Nachteilen jedoch viel schwerer als bei anderen Kunststoffen.

Vorteile von Silikonen

  • Sie sind chemisch und physiologisch inert, d.h. sehr reaktionsträge. Für etwas, das es in der Natur nicht gibt, kennt die (belebte) Natur auch keine Prozesse zur Verstoffwechselung oder Abwehr. Deshalb sind Silikone nach heutigem Stand ungiftig für Lebewesen!
  • Sie sind schwer entflammbar: Auch gegenüber Reaktionen in der unbelebten Umwelt sind Silikone widerstandsfähig – selbst bei Einfluss grosser Mengen Energie, die zum Entstehen von Feuer nötig sind.
  • Temperaturbeständigkeit: Silikone sind von etwa -40 bis 250°C stabil. Das sind wesentlich höhere Temperaturen, als praktisch alle anderen Alltagskunststoffe vertragen!
  • Silikone sind hydrophob: Sie bilden wasserabweisende Beschichtungen.

Nachteile

  • Silikone sind nur schwerlich biologisch abbaubar: Was die Natur nicht kennt, kann auch nicht von Lebewesen abgebaut werden. So bleiben Silikone, die in die Umwelt gelangen, dort lange Zeit erhalten. Auch die gute Witterungsbeständigkeit trägt zu diesem Umstand bei.
  • Silikone lassen sich nur schwerlich in Flüssigkeiten lösen: Sie sind weder wasser- noch fettliebend. Das heisst, sie lösen sich weder in Wasser noch in unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Benzin wirklich gut. So lassen sie sich ohne besondere Hilfsmittel (Tenside mit auf sie abgestimmter Superwaschkraft) kaum abwaschen oder mit anderen Stoffen mischen und reichern sich dementsprechend leicht an.

Erscheinungsformen und Verwendung der Silikone

Silikonöle

Silikonöle bestehen in der Regel aus Ketten von Poly(dimethyl)siloxan, dem einfachsten Vertreter der Silikone. Sie sind bei Temperaturen von -60 / -35°C bis 250°C flüssig. Zum Vergleich: Wasser erstarrt bei 0°C und verdampft bei 100°C, Pflanzenöle verdampfen oft schon zwischen 100 und 150°C, wenn sie sich nicht zuvor zersetzen, und werden oft noch über dem Gefrierpunkt von Wasser zunehmend fest. Nicht so Silikonöle: Die sind immer gleich flüssig, ob bei Frost oder auf über 200°C erhitzt. Dazu kommen eine niedrige Oberflächenspannung und gute Durchlässigkeit für Gase.

Anwendungen für Silikonöle

  • Wärmeüberträger (Heizbad im Labor)
  • Gleit- und Schmiermittel
  • Hydraulikflüssigkeit, z.B. im frostkalten Sibirien
  • Antihaftbeschichtungen (Sektkorken, Aufkleberuntergrund, Garne,…)
  • Füllstoff für Implantate
  • Bestandteil von Kosmetik und Pflegeprodukten wie Haar-Conditionern

Silikone in Pflegeprodukten? Sind die nicht furchtbar böse?

In letzterem Bereich, Kosmetik und Haarpflegeprodukte, sind Silikone in den Medien sehr umstritten. Das rührt letztlich von ihrer Funktionsweise her. In Pflegeprodukten werden die unlöslichen Silikone durch aufwändige und genau abgestimmte ‚Formulierungen‘ mit den anderen Bestandteilen mischbar gemacht. So können wir sie z.B. mit einer Pflegespülung in die Haare einmassieren.

Beim Auswaschen mit Wasser geht diese Feinabstimmung allerdings verloren. Die Silikone verlassen folglich das Gemisch (Chemiker sagen „sie fallen aus“) und bleiben auf den Oberflächen, die sie gerade antreffen: Unseren Haaren. Und genau das ist ihr Sinn und Zweck: Die glatte, andere Stoffe abweisende Silikonschicht lässt die Haare glatt und glänzend wirkend. Da Silikone aber schlecht löslich sind, besteht die Gefahr, dass sie sich in immer dickeren Schichten ansammeln (Haarpflege-Experten nennen das „Build-up“). Den Haaren schadet das nicht direkt, aber sie werden dadurch immer dicker und schwerer.

Gleiches gilt auch für die Hautoberfläche: Ein sich dort bildender Silikonfilm kann allerdings auch den Stoffaustausch über die Haut und ihre Poren beeinträchtigen. So kann er die Entstehung bzw. Verschlimmerung von Hautunreinheiten fördern. Überdies gelangen ab- und ausgewaschene Silikonöle mit dem Abwasser in die Klärwerke, wo sie mangels Abbaubarkeit im unlöslichen Klärschlamm landen.

„Böse“ ist sehr relativ

ABER: Bei all dem sind Silikone nicht giftig. Anders als viele andere Stoffe stellen sie somit keine direkte Gefahr für uns und die Lebewesen in unserer Umwelt dar. Überdies sind sie laut meiner Kollegin Mai die am besten wirkenden Haar-Conditioner, die wir kennen. Hier ist das spannende Mailab-Video, in dem es auch um Silikone geht:

Deshalb haben sich die Hersteller von Haarpflegemitteln auch darum gekümmert, uns das Abwaschen von Silikonölen leichter zu machen.  Mit Hilfe von passenden Tensiden können Silikone nämlich durchaus mit Wasser gemischt werden (wenn auch nicht wirklich gelöst: „wasserlösliche Silikone“ sind Werbesprech für ebendiese Kombination von Silikonen mit „ihrem“ Tensid!). Es macht also durchaus Sinn, Conditioner (mit dem Silikonöl) und Shampoo (mit dem passenden Tensid) der gleichen Produktreihe zu verwenden, sodass etwaige Silikonreste von der letzten Behandlung vor dem Eintreffen der nächsten Ladung beseitigt werden können.

Polyquaternium: (K)Eine Alternative

Eine verbreitete Alternative zu Silikonen in Kosmetik sind Polyquaterniumverbindungen. Das sind Polymere, die z.B. Zellulose ähneln, aber zusätzlich Stickstoffatome mit vier Bindungen enthalten. Da Stickstoffatome aber auf nur drei Bindungen ausgelegt sind, sind solche „quartären Amine“ positiv geladen. Die funktionieren als Conditioner nicht ganz so gut wie Silikone, machen aber die gleichen Schwierigkeiten.

Zudem können Polyquaterniumverbindungen (wie z.B. Polyquaternium-7) Pigmentpartikel binden und so zu hartnäckigen Flecken auf Textilien (Handtüchern!), mit denen sie in Berührung kommen, führen. Und das lässt sich, nachdem sich die Verbindungen beim Duschen auf Haut und Haaren abgelagert haben, beim Abtrocknen kaum vermeiden.

Dahingegen ist die Angst vor Verunreingigungen von Polyquaternium-Verbindungen mit Acrylamid, unbegründet: Heute weiss man, dass wir mit der Nahrung wesentlich mehr (und immer noch zu wenig, um uns zu schaden) davon aufnehmen, als dass Spuren in Pflegeprodukten eine Rolle spielen würden.

Verwenden oder nicht?

Wie oft ist eine pauschale Aussage dazu schwierig, da Menschen so verschieden sind. Ich halte es da mit Mai: Sie hat lange, asiatisch-dicke Haare, bei denen ein Conditioner viel bewirken kann. Deshalb zieht Mai die wirksamen Silikone den Alternativen vor. Um eine Belagerung der Kopfhaut zu vermeiden, trägt sie den Conditioner allerdings nicht auf die Kopfhaut, sondern nur auf die unteren Enden der Haarsträhnen auf.

Menschen wie ich mit feinen Haaren, die zum Fetten neigen, haben allerdings weniger von der Wirkung eines Conditioners und mehr von seinen unerwünschten Eigenheiten. Deshalb benutze ich in der Regel auch keinen. Nichts desto trotz hat ein professioneller Conditioner vom Coiffeur (Friseur) mit Silikonöl (den habe ich für „Notfälle“) auch bei mir neulich Wunder in Sachen Kämmbarkeit gewirkt, nachdem sich meine Mähne nach einem Ausflug vollkommen verzottelt hatte.

Auch meine Sonnencreme enthält übrigens Silikonöl – das würde erklären, warum ich das Gefühl habe, dass der Wärmeaustausch über die beschmierte Haut beeinträchtigt ist. Aber ich vertrage das Produkt sonst sehr gut und sein Nutzen ist unumstritten, sodass ich es weiter verwenden werde.

Wer allerdings zu Hautunreinheiten neigt, sollte von Silikonen (und Polyquaternium) auf der Haut besonders Abstand nehmen.

Woran ihr Silikone in Produkten erkennt

Auf der Verpackung jedes Kosmetik- und Pflegeprodukts findet ihr eine Liste mit seinen Inhaltsstoffen gemäss der Internationalen Nomenklatur für Kosmetik-Inhaltsstoffe (INCI). Auch wenn diese Bandwurmnamen Nicht-Chemikern oft kryptisch erscheinen, sind Silikone doch leicht zu erkennen, da sie auf -cone oder -xane enden. Ein verbreitetes Beispiel ist Dimethicone – eine INCI-Bezeichnung für Poly(dimethyl)siloxan.

Polyquaternium-Verbindungen erscheinen in der Liste übrigens als „Polyquaternium“ in Verbindung mit einer Zahl, z.B. „Polyquaternium-7“.

Silikonkautschuk

Flexible Backform aus Silikonkautschuk im Vergleich mit klassischer Backform aus Metall
Links: Flexible Kuchenform aus Silikonkautschuk: Dieser Kunststoff hält locker eine Stunde im Backofen aus! (EvaK / CC BY-SA)

Silikonkautschuk hat mit echtem Kautschuk, einem Naturprodukt, nichts gemein ausser der gummiartigen Konsistenz. Die bewahrt Silikonkautschuk dafür in dem grossen Temperaturbereich von -75 bis 250°C. Und das ganz ohne Weichmacher! Diese Konsistenz, die ihn zu einem praktischen Ersatz für echten Kautschuk macht, hat dem Silikonkautschuk seinen Namen gegeben. Er besteht aus miteinander vernetzten Silikonketten. Die sind allerdings auch unvernetzt als Paste oder Gussmasse lagerbar, sodass die Vernetzung zum „Gummi“ an der Luft binnen Stunden oder Minuten herbeigeführt werden kann. Zudem ist Silikonkautschuk nicht nur wie alle Silikone sehr reaktionsträge, sondern man kann – anders als bei Naturprodukten – leicht nachvollziehen, was genau darin ist.

Silikonkautschuk...aber was ist das?
Was ist das wohl? (Tatsuo Yamashita / CC BY)

Anwendungen für Silikonkautschuk

  • Elastische Back- und Eiswürfelformen
  • Nuggis (Schnuller) und Sauger für Babyflaschen
  • Dichtungsmasse für Fugen (zum Aushärten an der Luft)
  • Implantate
  • Technische Bauteile, Kabelummantelungen, elektrisches Isoliermaterial
Faltbarer Becher aus Silikonkautschuk
Ein faltbarer Becher aus Silikonkautschuk! Platzsparend für die Handtasche… Den Symbolen auf der Packung nach nehmen Japaner mit dessen Hilfe wohl ihre Tabletten. (Tatsuo Yamashita / CC BY)

Silikonharze

Noch stärker vernetzt als im Silikonkautschuk sind die Ketten in Silikonharzen. Dementsprechend sind diese Stoffe hart oder thermoplastisch (d.h.. nur bei höheren Temperaturen formbar). Sie können in flüssiger bzw. plastischer, also wenig vernetzter Form vertrieben und nach dem Auftragen durch Hitzeeinwirkung zum Aushärten gebracht werden. Die gehärteten Silikonharze sind dann sehr beständig gegenüber Wettereinflüssen.

Strukturformel für ein Silikonharz
Dicht vernetzt: Struktur eines Silikonharzes

Anwendungen für Silikonharze

  • Temperatur- und witterungsbeständige Lacke und Beschichtungen
  • Gebäude-Schutzüberzüge (wasserabweisend)
  • Isolierlacke
  • Giessharz für Isoliermaterial

Zusammenfassung

Silikone sind reine Kunstprodukte, die einzigartige Vorteile für viele Anwendungen bieten. Vor allem in Bereichen, in welchen sie mit dem Körper in Kontakt kommen oder hohe Temperaturen herrschen, denen andere Kunststoffe nicht standhalten, sind sie sehr beliebt. Nachteilig ist die schwierige Abbaubarkeit in der Umwelt – die aber dadurch relativiert wird, dass Silikone für Organismen nicht giftig sind!

Wie rund um alle Kunststoffe wird auch zu Silikonen laufend geforscht und Materialien weiterentwickelt, sodass von früher bekannte Nachteile heute immer weniger von Bedeutung sind. So ordne ich die Silikone heute mehr denn je als „sauberste“, also ungiftigste und risikoärmste Vertreter der grossen Familie die Kunststoffe ein.

Und wie steht ihr zu Silikonen? Achtet ihr darauf, wo ihr ihnen begegnet? Verwendet ihr gezielt silikonfreie Pflegeprodukte? Wenn ja, zu welchen Alternativen greift ihr? Oder seht ihr den Silikonen ähnlich gelassen entgegen wie Mai und ich?

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DIY zum Valentinstag : Herzen aus selbstgemachter Stärkefolie

Stärkefolien : Valentinsherzen aus DIY-Bioplastik

‚Plastik‘ ist „böse Chemie“, die aus Erdöl hergestellt wird und in der Natur nicht verrottet? Mitnichten! Wie ihr schon im Kunststoff-1×1 hier in Keinsteins Kiste nachlesen könnt, ist die Sorte Moleküle, aus denen ‚Plastik‘ besteht, eigentlich eine Erfindung der Natur! Und was die Natur erfindet, kann sie auf kurz oder lang auch wieder abbauen. Das gilt auch für ihre hauseigenen Polymeren – der Stoffgruppe, zu welchen auch die Kunststoffe gehören.

Und diese sogenannten Biopolymere könnt ihr nutzen, um euer eigenes Bioplastik herzustellen – zum Beispiel für ein echt herziges Valentinsgeschenk aus dem eigenen Forscherlabor. Hier erfahrt ihr, wie es geht!

Ihr braucht dazu

Meine Valentins-Herzen bestehen aus Stärkefolie. Wie der Name vermuten lässt, braucht ihr dafür Stärke – und zwar natürliche Stärke, nicht die lösliche Stärke aus dem Laborbedarf oder der Chemiesammlung in der Schule. Natürliche Stärke bekommt ihr auch viel einfacher, nämlich im Supermarkt. In der Schweiz ist „Maizena“ praktisch ein Synonym für Maisstärke, in Deutschland kennt man selbige unter dem Markennamen „Mondamin“. Kartoffelstärke soll aber ebenso funktionieren.

Nun aber zur Inhaltsliste für zwei bis fünf untertassengrosse Folienstücke

  • Etwa 5g trockene Stärke (hier in der Schweiz habe ich natürlich Maizena zur Hand)
  • Wasser
  • Glycerin (85%, aus der Drogerie oder Apotheke)
  • Optional: Lebensmittelfarbe
  • 1 Becherglas oder ähnliches Glasgefäss
  • Topf mit Wasserbad, Herd, Topfhandschuh oder/und Grillzange
  • Löffel oder Stab zum Umrühren, Buttermesser
  • Frischhaltedosen aus PE oder PP (Polyethylen bzw. Polypropylen, das übliche Material für „Tupper“-Dosen)
  • Optional: Backblech, Backofen

So geht’s

  • Verdünnt einige Milliliter Glycerin mit der gleichen Menge Wasser und rührt das Gemisch um, bis es klar ist. Diese Glyzerinlösung könnt ihr auch problemlos in einer geschlossenen Flasche für spätere Experimente aufbewahren.
  • Gebt zu 5g Stärke im Glasgefäss etwa 40 ml Wasser und etwa 5 ml der zuvor angefertigten Glycerinlösung und rührt gründlich um. Es entsteht ein milchiges Gemisch, aus dem sich Stärke als weisser Schlamm am Boden absetzt, sobald ihr zu Rühren aufhört. Für farbige Herzen könnt ihr zudem einige Tropfen Lebensmittelfarbe einrühren.
Mischung mit roter Lebensmittelfarbe: Die Stärke setzt sich sichtbar unten ab.
  • Stellt die Frischhaltedosen mit dem Boden nach oben auf das Backblech oder eine andere Unterlage.
  • Stellt den Topf mit dem Wasserbad auf den Herd und erhitzt das Glasgefäss mit dem Gemisch darin, während ihr immer wieder umrührt. Topfhandschuh oder/und Grillzange werden euch beim Festhalten des heissen Glases gute Dienste leisten!
  • Sobald die Flüssigkeit zu einer trüben, gelartigen Masse „bindet“ (wie eine Sauce), giesst sie auf die umgekehrten Frischhaltedosen und verstreicht sie mit dem Buttermesser gleichmässig mindestens 2 Millimeter dick. Bei dieser Dicke dauert das Trocknen länger, aber die Gefahr, dass dabei Risse entstehen, ist geringer.
  • Lasst die verstrichene Masse über Nacht an der Luft trocknen. Wenn ihr ungeduldig seid, könnt ihr sie zunächst auch bei 50-80°C (wenn ihr Lebensmittelfarbe verwendet NICHT wärmer, da die Farbstoffe sich sonst zersetzen!) eine Stunde oder länger im Backofen trocknen. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass Risse in den Folien entstehen.
Die dünne Folie links ist stärker gerissen als jene aus gut 2 Millimeter Stärkemasse rechts. Die hellen Stellen sind noch sehr feucht, sodass ich die Folien über Nacht habe trocknen lassen.
  • Wenn die Stärkemasse ausgehärtet ist, könnt ihr die Folie (ggfs. mit Hilfe eines flachen Messers) von den Dosen lösen und nach Wunsch zuschneiden.
Dank des vorne überhängenden Auswuchses lässt sich die Folie einfach von der Dose abziehen.

Achtung: Die Stärkefolien sind nicht wasserfest! Sorgt also dafür, dass eure Valentinsherzen stets im Trockenen bleiben. Für die Beschriftung habe ich dementsprechend einen Permanentschreiber mit organischem Lösungsmittel verwendet.

Die Stärkefolie lässt sich problemlos mit der Küchenschere schneiden. Da besonders die dicke Folie noch Restfeuchte enthielt, wurde sie an der Luft mit der Zeit krumm. Ein paar Stunden unter einem schweren Buch auf dem flachen Tisch und sie war wieder schön flach.

Was passiert da?

Was ist Stärkemehl?

Stärke besteht aus grossen Kettenmolekülen, sogenannten Polymeren, die aus Tausenden miteinander verknüpften Glucose- also Traubenzucker-Ringen besteht. Pflanzen stellen diese Polymere her, um ihren Traubenzucker, der ihnen als Energieträger dient, ordentlich „aufgefädelt“ zu lagern.

Es gibt zwei verschiedene Sorten Stärkepolymere:

  • Amylose, die aus einfachen Ketten aus wenigen Tausend aneinandergereihten Glucose-Einheiten besteht.
  • Amylopektin, dessen Ketten sich etwa alle 30 Glucose-Ringe verzweigen. So entstehen regelrechte Molekül-Büschel, die gut und gerne Zehntausende oder gar Hunderttausende Glucose-Ringe umfassen können.

Trotzdem sind „Maizena“ und andere Stärkemehle weit von den Eigenschaften entfernt, die wir von Kunststoffen, also „Plastik“ kennen. Im Stärkemehl sind diese Molekülketten nämlich sorgfältig zu kleinen Körnern zusammengepackt. Dabei besteht jedes Korn aus etlichen Schichten, die säuberlich um seinen Mittelpunkt herum gelagert sind – in etwa wie die Schichten einer Zwiebel. Damit ähnelt ein Stärkekorn sehr einem Kristall, also der am regelmässigsten aufgebauten Sorte Festkörper, die es gibt. Und Kristalle, ob nun die von Salz und Zucker oder von Mineralien wie Bergkristall, haben freilich wenig mit nachgiebigen Kunststoffen gemein.

Stärkekörner bei 800-facher Vergrösserung in polarisiertem Licht unter dem Mikroskop: Das x-förmige Muster auf den Körnern zeugt von einer Wechselwirkung mit polarisiertem Licht, wie sie eine kristallartige Substanz zeigt (die Stärke ist optisch aktiv).

Stärke und Wasser: Eine besondere Beziehung

In einem unterscheiden sich Stärkekörner aber völlig von den üblichen Kristallen: Die Stärkepolymere können zwischen ihren Ketten kleine Moleküle festhalten! Aus der Schule bekannt ist der Stärkenachweis durch darin eingelagerte Jod-Moleküle, die die Ketten dunkel färben (wie ihr den Nachweis mit jodhaltigen Desinfektionsmitteln aus der Hausapotheke daheim durchführen könnt, erfahrt ihr hier).

Doch besonders Amylopektin ist in der Lage, sich auch grosse Mengen Wassermoleküle „einzuverleiben“. Die Wassermoleküle dringend zwischen die Verästelungen der Amylopektinbüschel und beanspruchen reichlich Platz. Die Folge: Die Büschel und damit auch die ganzen Stärkekörner quellen auf. Die vormals fest einsortierten Molekülketten werden so beweglich und können zunehmend aus ihren Positionen verrutschen.

Wenn nun Wärme hinzukommt – die nichts anderes ist als Bewegung von Molekülen und ihren Gliedern – rutschen und wirbeln die Stärkeketten und -zweige durcheinander, bis ein furchtbares Gewirr entsteht, das keine (mir bekannte) Macht der Welt wieder auflösen kann. Aus den vormals festen Stärkekörnern in Wasser ist ein mit Wasser vollgesogenes Molekülwirrwarr geworden, das wir als gelartige Masse wahrnehmen und „Stärkekleister“ nennen. Tatsächlich besteht Tapetenkleister aus quellender Stärke oder Zellulose-Varianten!

Lassen wir simplen Stärkekleister ausgestrichen an der Luft liegen, verdunsten die aufgesogenen Wassermoleküle mit der Zeit und das Molekülwirrwarr fällt in sich zusammen. Dabei bleibt es jedoch unverändert verworren, sodass es nun einen einzigen Festkörper bildet – allerdings hart und spröde. Und hier kommt das Glycerin ins Spiel.

Von der Platte zur Folie dank Weichmacher

Glycerin ist ein Alkohol mit mehren OH-Gruppen an einem Kohlenstoff-Grundgerüst. Dank der OH-Gruppen kann es ähnlich mit der Stärke wechselwirken wie Wasser – und dementsprechend zwischen den Ketten Platz finden – verdunstet von dort aber weniger leicht. Ausserdem kann Glycerin selbst Wassermoleküle besser bei sich behalten als die Stärke. So sorgt das zu unserem Stärkekleister gegebene Glycerin dafür, dass die Stärkefolien nicht ganz und gar austrocknen, sondern flexibel bleiben.

Das Glycerin übernimmt in unserem Biokunststoff also die Rolle des Weichmachers. Für uns ist es dabei allerdings harmlos, selbst wenn es aus der Stärkefolie freigesetzt wird. Als Bestandteil jedes natürlichen Fettes kommt es naturgemäss in unseren Körpern vor, sobald diese Fettmoleküle zerlegen. So ist es auch als Lebensmittelzusatzstoff E 422 als Feuchthaltemittel ohne Höchstmengenbeschränkung zugelassen. (In Reinform trinken solltet ihr Glycerin dennoch nicht, da es auch dem Körper eine Menge Wasser entziehen und damit in rauen Mengen zur Dehydrierung führen kann!)

Polymergewirr auch bei „richtigen“ Kunststoffen

Auch in den alltäglichen Kunststoffen, die wir überall um uns herum finden, sind lange Polymer-Ketten zu mehr oder minder dichtem Molekül-Filz verstrickt und zuweilen sogar über chemische Bindungen miteinander vernetzt. Die Dichte eines solchen Filzes bzw. die Engmaschigkeit seiner Vernetzung bestimmen die Härte oder Biegsamkeit des Kunststoffs. Eingelagerte Weichmacher können einen entscheidenden Einfluss auf die Flexibilität des Materials haben.

In elastischen Kunststoffen („Gummi“) verhalten sich die Ketten zudem ähnlich wie Spiralfedern: Sie können aus ihrer natürlichen verkrümmten Lage hinaus gerade(r) gezogen werden und kehren anschliessend wieder in ihre Ausgangshaltung zurück.

Ihr molekülfilz-artiger Aufbau gibt unseren Kunststoffen ihre enorme Formbarkeit und Robustheit, die wir sonst nur von Biopolymeren kennen (Holz und Pflanzenteile aus Zellulose sind ebenfalls sehr elastisch – beobachtet einmal Bäume bei starkem Wind! – und bedenkt die gleichzeitige Biegsamkeit und Festigkeit von menschlichem Haar, das aus Faserproteinen besteht!).

Entsorgung

Reste von Stärkekleister, Lebensmittelfarbe und Glycerin könnt ihr in den Ausguss bzw. Hausmüll entsorgen. Übrige Glyzerinlösung könnt ihr aber problemlos für spätere Versuche aufbewahren. Der Stärkekleister lässt sich mit Wasser leicht von Gefässen und Besteck entfernen.

Und wem schenkt ihr euer Herz aus selbstgemachtem Biokunststoff?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!

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