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Hintergrund: Der lange Weg zum ersten Kunststoff

Bakelit: Nicht nur Baekelands Verdienst

  • Ein Schwarzweiß-Porträt von Leo Hendrik Baekeland. Leo Hendrik Baekeland um 1920; Rechte: AKG

Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) führte die Welt in das Kunststoff-Zeitalter. Am 13. Juli 1907 reichte der belgische Chemiker ein Patent ein, in dem er den ersten vollständig synthetisch hergestellten Kunststoff beschreibt: Bakelit. Der Werkstoff ist stabil, kratzfest, hitzeresistent, chemikalienecht, leicht zu formen, einfach in großen Mengen herstellbar – und ein hervorragender elektrischer Isolator.

Eigentlich war Baekeland nur auf der Suche nach einem künstlichen Isoliermaterial für die Elektroindustrie, da der natürliche, aus einem Ausscheidungsprodukt der Lackschildlaus gewonnene Schellack teuer war und zunehmend rar wurde. Doch Bakelit entpuppte sich als "Stoff der 1000 Möglichkeiten". Sein Erfinder wurde dadruch reich und berühmt.

Dabei ist Bakelit nicht allein Baekelands Verdienst. Viele Chemiker vor ihm entdeckten und entwickelten Kleinigkeiten, die für die Entwicklung von Bakelit bedeutsam waren. Baekeland war es schließlich, der diese Einzelteile zu einem Puzzle zusammenfügte und fehlende Teile ergänzte. "Seine experimentellen Ergebnisse und hervorragenden Fachkenntnisse über die Forschungsarbeiten seiner Kollegen prädestinierten ihn für die Entdeckung eines Materials, das er Bakelit nannte", schrieben Schweizer Forscher in einem Essay anlässlich des 100. Bakelit-Geburtstags in dem Fachmagazin "Angewandte Chemie".

1855: Der Bakelit-Ausgangsstoff Formaldehyd wird entdeckt

  • Das Gemälde zeigt August Friedrich Kekulé. August Friedrich Kekulé um 1890; Rechte: AKG
  • Die Aufnahme zeigt eine Schallplatte. Schallplatten aus Schellack; Rechte: dpa

Beginn des 20. Jahrhunderts: Baekeland erkannte – wie andere Chemiker seinerzeit auch – das Marktpotenzial eines preiswerten Isoliermaterials für die Elektroindustrie. Baekeland erinnerte sich an sein Chemie-Studium in Gent. An der gleichen Universität hatte August Friedrich Kekulé einige Jahre zuvor die Ringstruktur des Benzols entdeckt. Dieser Kohlenwasserstoff wurde ein wichtiger Ausgangsstoff für Baekelands Forschung, denn es lässt sich leicht aus dem reaktionsträgen Benzol das reaktionsfreudige Phenol gewinnen

Ab 1905 beschäftigte sich Baekeland intensiv mit Phenolharzen. Das sind künstliche Harze (zähflüssige bis feste Stoffe), die durch Kondensation von Phenolen mit Aldehyden entstehen. Phenolharze gehören zur Kunststoff-Gruppe Duroplaste. Diese lassen sich einmal in Form bringen, sind nach dem Aushärten aber nicht mehr verformbar. Auch dann nicht, wenn man sie erneut erhitzt. Phenolharze könnten den passenden Schellack-Ersatz liefern, dachte sich Baekeland. Doch welches? Also begann der Chemiker damit, sich die Forschungen seiner Kollegen etwas genauer anzuschauen.

1855 entdeckte der Russe Alexander Michailowitch Butlerow Formaldehyd. Vier Jahre später synthetisierte er einen davon abgeleiteten Stoff. Der Deutsche Hermann Staudinger identifizierte den Stoff 1920 als Polyformaldehyd.

Ende des 19. Jahrhunderts: Die ersten Phenolharze tauchen auf

  • Das Schwarzweiß-Porträt zeigt Adolf von Baeyer. Adolf von Baeyer mixt eine harzige Masse; Rechte: AKG
  • Die Schwarzweiß-Zeichnung zeigt ein Chemielabor. Chemielabors – schon im 19. Jahrhundert gut ausgestattet; Rechte: WDR

1872 entdeckte Adolf von Baeyer bei Experimenten zu Phenolfarbstoffen, dass Phenol mit Aldehyden zu einer farblosen, harzigen Masse reagiert. Außerdem ließ er Bittermandelöl mit dem Phenol Pyrogallol reagieren. Bei dem Versuch erhielt Baeyer eine rotbraune Masse. Doch die Synthese war teuer und das Produkt ließ sich nicht problemlos charakterisieren. Also verfolgte der spätere Chemie-Nobelpreisträger diese Ansätze nicht weiter.

Das taten kurz darauf die Chemiker A. Claus und E. Trainer in Deutschland. Sie ließen Formaldehyd und Phenol im Verhältnis 1 zu 2 in Gegenwart von Chlorwasserstoffsäure miteinander reagieren und erhielten ein lösliches Harz mit einem Schmelzpunkt von 100 Grad Celsius. Allerdings konnten die beiden Chemiker den Stoff nicht kristallisieren und sahen auch keine Anwendungsmöglichkeiten. Enttäuscht wandten sie sich von ihren Forschungen wieder ab.

Dann versuchte es Werner Kleeberg mit einem Überschuss an Formaldehyd und Salzsäure. Bei der heftigen Reaktion entstand ein vernetztes, unlösliches Harz. Doch Kleeberg interessierte dieses Produkt nicht weiter. Der Chemiker Speier probierte etwas Neues: Er ließ Formaldehyd mit Resorcin (einem Phenol mit zwei Hydroxy-Gruppen) reagieren, und zwar mit Ammoniak als Katalysator. Das Ergebnis war ein unlösliches Material. Speier überlegte, ob solch ein hartes Phenolharz auch technisch verwendet werden könnte.

Jahrhundertwende: Die ersten Patente für Phenolharze werden erteilt

  • Die Schwarzweiß-Aufnahme zeigt Glaskolben in einem Chemielabor. Harze aus dem Reagenzglas anstelle von Schellack; Rechte: Schering AG
  • Schwarzweiß-Aufnahme von Chemikern beim Experimenten in einem Labor. Auf dem Weg zu neuen Stoffen; Rechte: WDR

Ein Kollege, der den gleichen Gedanken hatte – der Brite Arthur Smith –, machte auf die wertvollen Eigenschaften des neuen Materials aufmerksam: Es schmolz nicht und war ein guter Isolator. Er schlug vor, Phenolharze als Ersatz für Holz und harten Gummi zu verwenden. Er entwickelte ein entsprechendes Verfahren und ließ es sich patentieren. Das Patent "No. 112685" wurde ihm im Herbst 1899 auch tatsächlich erteilt. Es war weltweit das erste Patent im Zusammenhang mit Phenolharzen.

Der Chemiker Adolf Luft hingegen versuchte, flexible Phenolharze herzustellen. Dazu verwendete er zusätzlich zu den gängigen Ausgangsstoffen auch noch Glyzerin, Lösungsmittel und organische Säuren als Weichmacher. Sein Phenolharz empfahl er für eine wasserfeste Schicht auf Textilwaren, säure- und laugenresistente Gefäße und viele andere Anwendungen. 1902 erhielt auch er ein Patent. Ein weiteres wichtiges Patent ging noch im gleichen Jahr an die "Louis Blumer Company": das Patent über die Produktion synthetischer Harze als Ersatz für Schellack. Trotzdem forschten andere Chemiker weiter.

Zum Beispiel Fritz Henschke: In einem Experiment setzte er der Reaktion von Phenol mit Formaldehyd Natronlauge statt wie bisher Salzsäure zu. Als er die dabei entstehende Flüssigkeit lange erhitzte, ging sie "in ein hartes harzartiges Produkt über, das sowohl in Wasser, Alkohol und anderen Lösungsmitteln, sowie auch in Alkalilauge vollkommen unlöslich ist", wie Henschke in einem Patent von 1903 schrieb. Dieser Versuch war ausschlaggebend für Baekelands Arbeit.

1905 bis 1907: Baekeland sucht den perfekten Kunststoff

  • Die Aufnahme zeigt ein Glas-Fläschchen und ein Bakelit-Fläschchen in einem Chemielabor. Bakelit zur Aufbewahrung von Chemikalien; Rechte: AKG

All diese Patentschriften und wissenschaftlichen Publikationen fügte Baekeland dann zusammen. Grob sortiert ergab sich für ihn folgendes Bild: Phenol und Formaldehyd reagieren unter Zugabe einer Säure oder Base zu einem Harz. Je nach Versuchsbedingungen kann dieses Harz löslich und schmelzbar sein – oder ein unschmelzbarer Kunststoff. Bislang wurden Phenol und Formaldehyd bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius umgesetzt, weswegen die Reaktionen so lange brauchen. Das hat zudem den Nachteil, das Formaldehyd-Gas freigesetzt wird und somit poröse Materialen entstehen, die nicht zur Vermarktung geeignet sind.

Baekeland begann zu experimentieren: Er ahmte die Experimente seiner Vorgänger nach, veränderte das Phenol-Aldehyd-Verhältnis, variierte die Zusatzstoffe. Als er zum Beispiel den besten Katalysator suchte, probierte er eine breite Palette von Säuren und Basen. Die Unterschiede der einzelnen Ergebnisse waren gering, aber eben doch sichtbar: Große Mengen von Basen ergaben schlechte Materialeigenschaften.

Heute: Das Prinzip ist gleich geblieben

  • Die Aufnahme zeigt ein altes Radio aus den 30er Jahren. Rundfunkempfänger von 1938; Rechte: AKG
  • Das Foto zeigt einen silbergrauen Radiorekorder mit CD-Laufwerk. Heute bestehen Radiogeräte aus PVC; Rechte: WDR/MEV

Baekeland schien auch drei Phasen bei der Herstellung von Phenolformaldehyd-Duroplast erkannt zu haben. Zunächst entstand ein Produkt, das in vielen Lösungsmitteln löslich und schmelzbar ist (A). Erhitzt man diesen Stoff, entsteht das Produkt B. Dieser Stoff ist nicht schmelzbar und bei Raumtemperatur ziemlich hart. Beim Erhitzen wird er jedoch langsam weicher. Dabei entsteht Produkt C, das unter Druck in die gewünschte Form gebracht werden kann. Dieser Stoff ist unlöslich, weder schmelz- noch verdampfbar und zersetzt sich oberhalb von 300 Grad Celsius. Baekeland benannte diesen Stoff nach sich selbst "Bakelit".

Auch heute noch unterteilt man die Reaktion von Phenol mit Formaldehyd in drei Stufen. In der ersten bindet sich Formaldehyd an Phenol (Addition). In der zweiten wird ein Prä-Polymer aufgebaut (Synthese). In der dritten Stufe werden die einzelnen Bausteine miteinander zu einem Polymer, also einem Makromolekül, verknüpft (Vernetzung).

Baekeland ist also nicht der Entdecker der Phenolformaldehydharze. Sein herausragende Leistung war die Entwicklung des ersten vollsynthetischen Kunststoffs inklusive des preiswerten Herstellungsverfahrens. So wurde Bakelit zum ersten industriell produzierten Kunststoff und ging bald in die Massenproduktion. Und sein Erfinder Baekeland wurde zum "Vater der Kunststoffe".