Entwicklung einer Methode zur Lösen zweier Finger, die mit Sekundenkleber zusammen geklebt wurden

Inhaltsverzeichnis

Einleitung.

1. Was ist Ethyl-2-cyanacrylat?.
1.1 Cyanacrylate – Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten.
1.2 Die Struktur und Polymerisation.
1.3 Einflüsse auf Cyanacrylat

2. Experimente.
2.1 Entwicklung der Experimente.
2.2 Die Versuchsdurchführung.
2.3 Die Zeit als Parameter der Effektivität
2.4 Beobachtung.

3. Auswertung.
3.1 Vergleich.
3.2 Anwendbarkeit im Alltag.
3.3 Fehlerbetrachtung.

Zusammenfassung.

Literaturverzeichnis.

Anhang.
1. Bilder
2. Versuchsergebnisse.

Einleitung

So ziemlich jeder, der ab und zu bastelt oder handwerkelt hat sich früher oder später vor dem Problem gesehen, etwas leimen zu müssen. Dann stellt sich die Frage, mit welchem Klebemittel und viele greifen an dieser Stelle zum „Superkleber“. Doch eben diese sind nicht nur praktisch, sondern auch tückisch, da sie Oberflächen innerhalb weniger Sekunden fest verbinden. Vor allem auf Haut und Augen soll man bei der Verwendung von „Sekundenklebern“ achten, damit diese keinen Schaden durch eine Verbindung, z.B. der Augenlider, nehmen.

Doch was tun, wenn man sich die Finger doch zusammengeleimt hat?

Diese Frage soll in der vorliegenden Arbeit beantwortet werden.

Dazu soll zunächst auf den Klebstoff – Ethyl-2-cyanacrylat – eingegangen werden, auf seine Wirkungsweise und auf mögliche Einflüsse. Darauf folgt der praktische Teil: die Experimente. Hierzu sollen verschiedene Stoffe in einem eigens für diese Facharbeit erfundenen Versuchsaufbau auf ihr Löseverhalten in Hinsicht auf diesen Kleber getestet werden. Anschließend folgt eine Auswertung, die nicht nur die Versuchsergebnisse gegenüberstellen, sondern auch die Anwendbarkeit für den Alltag bewerten soll.

Denn genau das soll das Ziel sein: die Entwicklung einer alltäglich anwendbaren und effektiven Methode, die man auch zuhause umsetzen kann.

In dieser Versuchsreihe werden Lösemittel wie Aceton, Ethanol und Wasser untersucht, aber auch Nagellackentferner, da diese verschiedene Lösemittel zu ihren Inhaltstoffen zählen und viele Haushalte über diese bereits verfügen. Vermutlich werden Aceton und Ethanol die Klebstoffe lösen da sie schon in geringer Konzentration in effektiven Reinigungsmitteln vorhanden sind.

Allerdings soll nicht nur das Lösen des Klebstoffes eine Rolle spielen, sondern auch mit welchen Vorkehrungen dies schneller geschieht oder ob sogar die Verklebung verhindert werden kann. Zur Unfallsvorbeugung soll der Effekt von Vaseline, die vor dem Verkleben auf die Versuchsstücke aufgetragen wird, näher betrachtet werden.

Für den ersten Teil der Arbeit wurden vor allem Bücher aus dem Bereich der Chemie und der Werkstofftechnik verwendet, sowie einige Universitätsunterlagen aus Seminaren, die dieses Thema behandelten. Die Quellen des zweiten, praktischen, Teiles sind vordergründig Sicherheitsmerkblätter. Die Auswertung beruht zu großen Teilen aus eigenen Rückschlüssen, die auf Wissen aus dem regulären Chemieunterricht und Aussagen aus Seminarmitschriften beruhen.

1. Was ist Ethyl-2-cyanacrylat?

1.1 Cyanacrylate – Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten

Der Klebstoff, der in dieser Facharbeit näher untersucht werden soll, wird Ethyl-2-cyanacrylat genannt.

Ethyl-2-cyanacrylat wird der Gruppe der Cyanacrylate zugeordnet^[1], welche im Volksmund als „Superkleber“ oder „Sekundenleim“ bezeichnet werden. Für den Privatmann sind solche „Superkleber“ überall erhältlich, meist in Tuben abgepackt.

Die Mehrzahl der Cyanacrylate, wie auch Ethyl-2-cyanacrylat, sind farblos, bei Raumtemperatur gering viskos und zeichnen sich durch einen beißenden oder stechenden Geruch aus. Sie eignen sich besonders zum Kleben von kleinen, öl- und fettfreien Flächen. Aber die zu klebenden Materialien dürfen nicht leicht zu entzünden sein, da die Polymerisation^[2] stark exotherm verläuft.

Cyanacrylate sind nicht auf Dauer feuchtigkeits- und temperaturbeständig, weshalb sie, ursprünglich nur für das US-Militär als Wundspray^[3] verwendet wurden. Um eine Wunde ohne Faden zu verschließen, wird sie zunächst gereinigt und dann mit dem Wundspray besprüht. Das Cyanacrylat setzt sich auf der Wunde ab, polymerisiert und verschließt die Wunde, baut sich aber ganz langsam wieder ab.

Derzeit werden ebenso Nanokapseln entwickelt, die bestimmte Medikamente beinhalten. Durch die langsame Zersetzung des Polycyanacrylats werden die in den Kapseln eingeschlossenen Wirkstoffe nur langsam an den Körper abgegeben, so dass eine Überdosierung verhindert werden kann. Zudem werden Nanopartikel für die AIDS- und Tumortherapie entwickelt. Durch ihre Größe sind sie ein mögliches „Vehikel zur Überwindung der Blut-Hirn-Schranke“^[4].

In der Kriminaltechnik finden Cyanacrylate ebenfalls Anwendung^[5]. Die flüssigen Monomere werden leicht erhitzt, so dass sie sich verflüchtigen. Sie setzten sich dann an allen Oberflächen in der Nähe ab und machen dadurch Fingerabdrücke sichtbar, dass sie an den entsprechenden Stellen polymerisieren. Die Fingerabdrücke enthalten nach einiger Zeit noch etwas Schweiß, der genügt, um die Polymerisation auszulösen.

1.2 Die Struktur und Polymerisation

Die Struktur von Cyanacrylaten allgemein besteht aus einem Acrylsäureester und einer Cyanogruppe (Nitrilgruppe). Bei Ethyl-2-cyanacrylat ist es der Ethylester der Acrylsäure mit der Cyanogruppe am C-2-Atom der Säure^[6]. Die Cyanogruppe stellt in diesem Fall die funktionelle Gruppe dar.

Das Ethyl-2-cyanacrylat selbst ist aber nicht der Klebstoff, sondern das, durch anionische Polymerisation ausgebildete, Polymer, welches Polyethyl-2-cyanacrylat genannt wird. Durch die geringe Viskosität dringen die Cyanacrylatmonomere in die raue Oberfläche der zu klebenden Stoffe ein. Polymerisiert das Cyanacrylat aus, sitzt es als Feststoff in den feinsten Unebenheiten beider zusammengeklebter Materialien und hält sie dadurch zusammen.

Bei der Startreaktion der Polymerisation von Ethyl-2-cyanacrylat bindet sich ein Hydroxidion, welches sich z.B. durch Dissoziation im Wasser oder in alkalischen Lösungen befindet, an das C-3-Atom, wodurch die Doppelbindung zum C-2-Atom zur Einfachbindung wird und C-2, infolge der fünf Außenelektronen, einfach negativ geladen. C-2 ist nun ein Carbanion. Im darauffolgenden Wachstum greift das Carbanion des aktivierten Monomers ein anderes Ethyl-2-cyanacrylat-Molekül am C-3-Atom an, wo die gleiche Reaktion abläuft^[7].

Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis das gesamte Ethyl-2-cyanacrylat polymerisiert ist oder die Kettenbildung unterbrochen wird, z.B., wenn sich an das einfach negative Carbanion ein Proton bindet. Die Kette würde mit einem Wasserstoffatom abgeschlossen.

1.3 Einflüsse auf Cyanacrylat

Sollte eine Verklebung der Haut erfolgen, wird zumeist zu Wasser und zu einer „vorsichtige[n] Behandlung mit Aceton (oder Nagellackentferner)“^[8] in manchen Fällen auch zu Spiritus (Ethanol) geraten.

Wasser dissoziiert permanent zu H+ und OH-, wobei die Ionen mit Wasser im Gleichgewicht liegen. Da Wasser überall vorkommt (z.B. in der Luft oder im Schweiß), liefert es damit die optimale Grundlage für die Polymerisation. Jedoch kann es auch negativ auf die Reaktion wirken. Da Wasser ein sehr kleines Molekül ist und es leicht in den winzigen Spalt zwischen Kleber und Klebefläche dringt, kann es diese leicht von einender lösen, indem es die intermolekularen Anziehungskräfte aufhebt.

Wenn eine größere Menge Wasser, als für die Initiation gebraucht wird, während der Polymerisation vorliegt, kann sich ein H+-Ion an das Carbanion einer noch nicht abgeschlossenen Polymerkette binden und das Kettenwachstum vorzeitig abbrechen. Kürzere Ketten führen dazu, dass das Polymer weniger stabil ist.

Aceton und Ethanol sind sehr polare Lösemittel, daher könnten sie die Polymerstruktur durch ihre Polarität zerstören.

Da neben Aceton auch Nagellackentferner empfohlen wird, sollen hier beide Varianten untersucht werden: acetonhaltiger Nagellackentferner und acetonfreier Nagellackentferner.

Der aktive Wirkstoff im acetonfreien Nagellackentferner ist Ethanol. In dem, in dieser Arbeit verwendeten, acetonfreien Nagellackentferner sind neben Ethanol folgende Stoffe enthalten: Essigsäureethylester, Caprylic/Capric Triglycerin (ein hautpflegendes Fett), Parfum, CI 16035 und CI 47000 (zwei in der Kosmetikindustrie verwendete Farbstoffe).

In dem acetonhaltigen Nagellackentferner sind ebenso Caprylic/Capric Triglycerin und Parfum enthalten. Neben Aceton sind Wasser, Limonen (ein biologisches Duft- und Lösemittel), Cumarin (ein pflanzlicher Duftstoff), Alpha-Isomethyl Ionene (ebenso ein Duftstoff) und CI 19140 und CI 42090 (kosmetische Farbstoffe) beinhaltet.

Neben der Lösung soll auch die Unfallverhütung eine Rolle spielen. Da das Polymer die beiden Finger zusammenhält und die Polymerisation aufgrund der Wahrscheinlichkeit der Initiation durch ein Hydroxidion nicht zu vermeiden ist, soll daher untersucht werden, ob man z.B. mit Vaseline (eine fetthaltige Hautcreme und Nebenprodukt bei der Erdölgewinnung) dem vorbeugen kann. Die Vaseline hüllt, nach der Anwendung auf der Haut, diese in eine fettige Schicht, die das Ethyl-2-cyanacrylat davon abhalten sollte, in die Unebenheiten zu gelangen. In dieser Versuchsreihe soll reine weiße Vaseline (Petrolatum) verwendet werden.

2. Experimente

2.1 Entwicklung der Experimente

Der Aufbau

An einem Stativständer wird eine Stange waagerecht befestigt. Daran wird ein Federkraftmesser (in diesem Fall ausgelegt für 10 Newton) angebracht. Am unteren Teil des Federkraftmessers wird ein Stück Schweineschwarte befestigt, dessen Fläche 2x2 cm beträgt. Dieses Fleischstück 1 wird mittels Ethyl-2-cyanacrylat an ein ebenso großes Stück 2 angeklebt. Am unten Fleischstück 2 ist ein Massestück von einem Kilogramm befestigt. Das Massestück und die Fleischstücke 1 und 2 befinden sich in einem mit dem entsprechenden verwendeten Lösemittel gefüllten Behälter.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Grafik 1: Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau wurde auf Grund folgender Thesen entwickelt:

1) Anstelle zweier menschlicher Finger können zwei Stücke Schweineschwarte verwendet werden.

Schweineschwarte wurde für diese Versuchsreihe ausgewählt, da sie von ihrer Oberflächenbeschaffenheit her, der der menschlichen Haut sehr ähnlich ist. Aufgrund der analogen Struktur zum menschlichen Fleisch findet Schweinefleisch unter anderem in der Kriminalistik Anwendung. Um menschliche Hände zu simulieren, werden die Fleischstücke mit Seife gewaschen, um den Fettfilm zu entfernen, da auch die menschliche Haut, infolge des häufigen Händewaschens (nach Toilettengang, Geschirrabwaschen etc.), im Gegensatz zur Schweinehaut vergleichsweise fettfrei ist.

[...]

^[1] Vgl.: Chemie.de: Ethylcyanacrylat [online]. http://www.chemie.de/lexikon/Ethylcyanacrylat.html, 28.12. 2015.

^[2] Siehe: Kapitel 1.2 „Die Struktur und Polymerisation“

^[3] Vgl.: Brahm, Martin: Polymerchemie kompakt. Stuttgart: S. Hirzel Verlag, 2009.

^[4] Wagner, Volker; Wechsler, Dietmar: Nanotechnologie II. Anwendung in der Medizin und Pharmazie. [online]. http://www.vditz.de/fileadmin/media/publications/pdf/50.pdf, 31.1. 2016.

^[5] Vgl. Chemie.de: Cyanoacrylat [online]. http://www.chemie.de/lexikon/Cyanoacrylat.html, 31.1. 2016.

^[6] Siehe: Anhang „Struktur von Ethyl-2-cyanacylat“

^[7] Siehe: Anhang 2.1.2 „Anionische Polymerisation von Ethyl-2-cyanacrylat“

^[8] Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherungen: Ethyl-2-cyanacrylat [online]. http://gestis.itrust.de/nxt/gateway.dll?f=templates$fn=default.htm$vid=gestisdeu:sdbdeu$3.0, 28.11.2015.