EPDM-rubber

EPDM-rubber is een synthetische rubbersoort, die veel wordt gebruikt in de auto-industrie voor bijvoorbeeld afdichtingsstrips en raamrubbers. Bij de productie van EPDM-rubber wordt eerst thermoplastisch EPDM (t-EPDM) gemaakt. Hierbij ondergaat een mengsel van etheen, propeen en een zogeheten dieen een additie-polymerisatie. Een veelgebruikt dieen hierbij is ethylideen-norborneen (ENB). De structuurformule van ENB is hiernaast weergegeven. Bij de vorming van t-EPDM reageert alleen de C=C-binding die zich in de ring bevindt.

Teken de structuurformule van een gedeelte van een molecuul t-EPDM. Dit gedeelte moet komen uit het midden van een molecuul en moet bestaan uit één eenheid van etheen, propeen en ENB.

De polymerisatie tot t-EPDM verloopt onder invloed van een katalysator. Er zijn twee types katalysator beschikbaar:

• Type 1: hiermee wordt de vorming van een willekeurig (random) copolymeer bevorderd;
• Type 2: hiermee wordt de vorming van een blok-copolymeer bevorderd.

Het blijkt dat de keuze van het type katalysator een sterke invloed heeft op de vorming van kristallijne gebieden in het t-EPDM. In een kristallijn gebied vertonen de polymeerketens een grote mate van ordening. In t-EPDM zijn geen crosslinks aanwezig tussen de polymeerketens.

Leg uit of toepassing van een katalysator type 2 bij de polymerisatie leidt tot een groter of kleiner percentage kristallijne gebieden. Gebruik hierbij Binas-tabel 66F of ScienceData-tabel 11.1.3.

De vervormbaarheid van t-EPDM wordt minder naarmate het materiaal meer kristallijne gebieden bevat.

Leg uit dat t-EPDM met een groot percentage kristallijne gebieden een kleinere vervormbaarheid heeft dan t-EPDM met een klein percentage kristallijne gebieden. Gebruik hierbij begrippen op microniveau.

Het t-EPDM wordt vervolgens omgezet tot het eindproduct EPDM-rubber. Tot voor kort werd EPDM-rubber geproduceerd op basis van fossiele grondstoffen. In Brazilië gebruikt men nu bio-ethanol uit suikerriet in plaats van aardolie als grondstof voor het benodigde etheen. De omzetting van ethanol tot etheen is hieronder weergegeven.

$\text{C}_{2}\text{H}_{6}\text{O (l)} \rightarrow \text{C}_{2}\text{H}_{4}\text{ (g)} + \text{H}_{2}\text{O (l)}$ (reactie 1)

Het etheen afkomstig uit reactie 1 wordt vervolgens gebruikt om EPDM-rubber te produceren onder de merknaam Keltan®-Eco. Biogebaseerde producten worden gecontroleerd om misbruik van belastingvoordelen te voorkomen. Hiertoe wordt het gehalte ${}^{14}\text{C}$-atomen in het product bepaald. ${}^{14}\text{C}$-atomen worden in de atmosfeer door kosmische straling gevormd uit ${}^{14}\text{N}$-atomen. Uit de ${}^{14}\text{C}$-atomen wordt in de atmosfeer snel ${}^{14}\text{CO}_{2}$ gevormd. Het gehalte ${}^{14}\text{C}$ in de atmosfeer is constant. Het gehalte ${}^{14}\text{C}$ in biomassa bedraagt hierdoor gemiddeld $1,5 \cdot 10^{-6}$ ppm van alle C-atomen. De ${}^{14}\text{C}$-atomen worden in de loop van de tijd door radioactief verval omgezet tot ${}^{14}\text{N}$ atomen.

Leg uit of het gehalte ${}^{14}\text{C}$ in Keltan®-Eco hoger of lager is dan in EPDM-rubber dat is geproduceerd op basis van fossiele grondstoffen.

Reactie 1 is endotherm. De benodigde warmte wordt in het proces geleverd door verbranding van de resten van het suikerriet.

Bereken de massa in kilogram suikerriet-resten die nodig is om de energie te leveren voor de omzetting van 1,0 ton ethanol tot etheen. Gebruik Binas-tabel 28B en 57 of ScienceData-tabel 8.7b en 9.2. Neem aan dat de suikerriet-resten volledig bestaan uit hout. Een ton is $10^{3}$ kg.

De omzetting van ethanol tot etheen vindt plaats aan het oppervlak van een aluminiumoxide-katalysator. Op de uitwerkbijlage is een deel van het oppervlak weergegeven. Uit onderzoek is gebleken dat de OH-groepen en de O-groepen aan het oppervlak een belangrijke rol spelen in de katalytische werking. Men vermoedt dat hierbij waterstofbruggen worden gevormd tussen moleculen ethanol en de aanwezige groepen op het oppervlak.

Teken op de uitwerkbijlage hoe een molecuul ethanol met twee waterstofbruggen gebonden is aan het oppervlak. Geef elke waterstofbrug weer met een stippellijn.

Per mol monomeereenheden van Keltan®-Eco is gemiddeld 0,55 mol etheen, 0,40 mol propeen ($\text{C}_{3}\text{H}_{6}$) en 0,050 mol ENB aanwezig.

Bereken het volume in liter propeen dat minimaal nodig is om 1,0 kg Keltan®-Eco te produceren. Gebruik hierbij onder andere de volgende gegevens:

• De dichtheid van propeen is $1,75 \text{ kg m}^{-3}$.
• De gemiddelde molaire massa van een monomeereenheid van Keltan®-Eco is $38,3 \text{ g mol}^{-1}$