Bildung + Gesellschaft

Prof.Dr.Dr.-Ing.E.h.

Noch bevor die theoretische Grundlage der makromolekularen Chemie gelegt wurde, läuteten Praktiker – Erfinder und Industriechemiker – das Kunststoffzeitalter ein. Zu diesen gehörte Hippolyt Köhler, der dafür sorgte, dass die weltweit erste Kunststofffabrik in Deutschland entstand.
Hippolyt Köhler wurde am 22. November 1855 im französischen Le Havre geboren. Sein Vater war der Hotelier Hippolyt Köhler senior, dessen Ehefrau Margarete, geb. Wiss, stammte aus der Pfalz. Schon wenige Monate nach der Geburt des Sohns starb der Vater, und Köhlers Mutter kehrte mit dem Kleinkind in die pfälzische Heimat zurück, nach Hainfeld an der Weinstraße.Der als intelligent, fleißig und strebsam beschriebene Junge besuchte die königliche Gewerbeschule in Landau und bestand mit 17 Jahren das Abitur. Zum Chemiestudium ging er an die Polytechnische Schule Karlsruhe. Dort wirkten akademische Lehrer wie der Wöhler-Schüler Karl Birnbaum, der technische Chemiker Carl Engler oder August Michaelis (bekannt durch die Michaelis-Arbuzov-Reaktion). Mit diesem veröffentlichte Köhler ab 1876 mehrere Publikationen über Phosphenylverbindungen.Promoviert wurde Köhler im Jahr 1877 bei Lothar Meyer – einem der Begründer des Periodensystems der Elemente.<h2>Wechsel in die chemische Industrie</h2>Nach seiner Promotion war Hippolyt Köhler Assistent bei Antoine Corneille Oudemans an der Polytechnischen Schule in Delft und bei Adolf Eduard Mayer, einem Agrikulturchemiker, der nach Stationen in Karlsruhe und Heidelberg als Professor für Agrikulturchemie und Agrikulturtechnologie an die landwirtschaftliche Hochschule im niederländischen Wageningen gegangen war. Aus der Delfter Zeit stammen zahlreiche Publikationen Köhlers zur technischen und speziell zur phosphororganischen Chemie.Nach seiner akademischen Laufbahn ging Köhler in die Industrie, wobei er oft den Arbeitgeber wechselte. Er war unter anderem bei den Farbwerken Meister Lucius &amp; Brüning Hoechst, der Anilinfarbenfabrik Dr. A. Dittler Hoechst, der Firma K. Oehler Anilin- und Anilinfarbenfabrik Offenbach, der Papier- &amp; Pappenfabrik F. M. Weber, Wehlitz bei Schkeuditz. Außerdem errichtete und leitete er mehrere Teerdestillationen, so in Warschau für die Continental Gas-Gesellschaft Dessau oder die Chemischen Fabriken &amp; Asphaltwerke Worms A.G. Dr. Paul Remy.Als versierter Praktiker wurde Köhler ein anerkannter und gefragter Fachmann für die Chemie der Steinkohle und verfasste einige Fachbücher,1) darunter im Jahr 1912 zusammen mit Georg Lunge das früher viel zitierte Standardwerk „Die Industrie des Steinkohlenteers und des Ammoniaks“.<h2>Kontakt mit Baekeland</h2>Von besonderer industriegeschichtlicher Bedeutung ist, dass sich die Wege von Hippolyt Köhler und dem aus Gent stammenden US-amerikanischen Chemiker Leo Hendrik Baekeland kreuzten. Baekeland war 1907 zum „Vater der Kunststoffe“ geworden. In einem von ihm konzipierten und gebauten Temperaturdruckreaktor hatte er aus Phenol und Formaldehyd eine bernsteinfarbene viskose Masse hergestellt: Bakelit, den ersten technischen Kunststoff [Nachr. Chem. 2020, 68(6), 10].Die Rohstoffe für seine Versuche erhielt Baekeland von der amerikanischen Tochtergesellschaft der Deutschen Gold- und Silberscheideanstalt, der Roessler &amp; Hasslacher Chemical Company aus Perth Amboy/New Jersey, Formaldehyd aus der lokalen Produktion in Perth Amboy und Phenol durch Import aus Deutschland. Köhler war in den Jahren 1900 bis 1904 Betriebsleiter der Natriumcyanid-Anlage von Roessler &amp; Hasslacher. In dieser Zeit hatte er Baekeland im Chemists‘ Club in Manhattan kennengelernt.Im Jahr 1905 wurde Köhler einer der Direktoren der Rütgerswerke in Berlin-Charlottenburg. Er traf Baekeland 1909 im Auftrag der Konzernspitze bei einem Chemikerkongress in London wieder und brachte ihn anschließend nach Berlin. Nach schwierigen Verhandlungen erwarben die Rütgerswerke die Patentrechte für Europa; die Verträge wurden am 17. Juli 1909 unterschrieben.Im Rütgers-Werk in Erkner wiederholten Chemiker und Ingenieure unter der Leitung von Max Weger2) Baekelands Versuche und übertrugen die Bakelitproduktion in den technischen Maßstab.In einem alten Schuppen der Teerraffinerie entstanden der erste Phenol-Harzkocher und die ersten Chargen des Kunststoffs.Am 25. Mai 1910 wurde die „Bakelite Gesellschaft mbH Berlin Erkner“ gegründet, und die erste Kunststofffabrik der Welt nahm die Produktion auf. Deutschland kann so in Anspruch nehmen, Wiege des ersten synthetischen Kunststoffs der Welt zu sein, denn Baekelands eigene Firma in den USA, die „General Bakelite Company“, ging erst am 24. September 1910 in New York an den Start.<h2>Gedenken nach 100 Jahren</h2>Hippolyt Köhler starb am 17. September 1919 in Berlin im Alter von 63 Jahren.3) Sein Beitrag zum Kunststoffstandort Deutschland ist heute weitgehend vergessen. In chemiehistorischen Standardwerken, etwa dem „Lexikon bedeutender Chemiker“ oder in Neufeldts „Chronologie Chemie“, sucht man den Namen Hippolyt Köhler vergeblich. Erst anlässlich des 100. Todesjahres erinnerten die Chemiefreunde Erkner an Köhler und würdigten dessen Verdienste als vielseitiger Chemiker.4)Heribert Offermanns verfasst für die Nachrichten aus der Chemie regelmäßig chemiehistorische Beiträge, zuletzt etwa die Serie zu Holz- und Teerchemie sowie zur Bakelitsynthese [Nachr. Chem. 2020, 68(3), 12; 68(4), 20; 68(6), 10]. Frank Retzlaff, Historiker und Leiter des Historischen Stadtarchivs Erkner, arbeitete für seinen Vortrag „Hippolyt Köhler – er holte Baekeland nach Erkner“ Tagebücher von Leo Hendrik Baekeland und weitere Handschriften und zeitgenössische Dokumente auf.<figure><img src="https://media.graphcms.com/UBTm3VQ6SQmIx9XITvXi"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Lehrbuch von Hippolyt Köhler (1855 – 1919) aus dem Jahr 1904 über Asphalte mit dem Vermerk zu Köhler in den USA. Baekelands Tagebucheintrag zur Begegnung mit Köhler 1909 in: Leo Baekeland Diary Volume 4, 1909 (7. April – 20. August 1909) „May. 29. at 10 AM. came Dr. Köhler chemist from Rutgers Werke in my rooms, showed him …“ („29. Mai: Um 10 Uhr kam Dr. Köhler, Chemiker von den Rütgerswerken, in meine Räume, zeigte ihm …“)</figcaption></figure>

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1 Bücher von Hippolyt Köhler, alle erschienen bei: Braunschweig, Friedr. Vieweg &amp; Sohn, Verlag; Braunschweig (Auswahl): H. Köhler, Die Chemie und Technologie der natürlichen und künstlichen Asphalte, Ein Handbuch der gesamten Asphalt-Industrie für Fabrikanten, Chemiker, Techniker, Architekten und Ingenieure, 1904 G. Lunge, H. Köhler, Die Industrie des Steinkohlenteers und des Ammoniaks. Band 1: Steinkohlenteer, 1912 G. Lunge, H. Köhler, C. Engler, Die Industrie des Steinkohlenteers und des Ammoniaks. Band 2: Ammoniak, 1912 H. Köhler, Die Fabrikation des Russes und der Schwärze. Aus Abfällen und Nebenprodukten. Mit Besonderer Berücksichtigung der Entfärbungskohle, 1912 H. Köhler, Die Industrie der Cyanverbindungen. Ihre Entwicklung und ihr gegenwärtiger Stand, 1912</li><li>
2 F. Retzlaff, Max Weger (1869–1944) „Vater der Bakelite Gesellschaft”, Erkneraner Hefte Nr. 21, Erkner 2015</li><li>
3 Nachruf in der Chemiker-Zeitung Nr. 43(142), 821 vom 25.11.1919</li><li>
4 F. Retzlaff, 48. Vortrag der Reihe Forum Chemie Erkner (3. April 2019) „Hippolyt Köhler – er holte Baekeland nach Erkner“</li></ul>

Artikel

Der vergessene Polymerpionier

Noch bevor die theoretische Grundlage der makromolekularen Chemie gelegt wurde, läuteten Praktiker – Erfinder und Industriechemiker – das Kunststoffzeitalter ein. Zu diesen gehörte Hippolyt Köhler, der dafür sorgte, dass die weltweit erste Kunststofffabrik in Deutschland entstand. Hippolyt Köhler...

Prof.Dr.

Nanoadditive machen Polymerprodukte kratz- und bruchfest oder keimhemmend. Solche Komposite lassen sich auch in der Schule herstellen und untersuchen – Materialien dafür gibt es im Bau- oder im Supermarkt.
Die Mehrheit unserer Gesellschaft betrachtet Kunststoffe zunehmend skeptisch – dennoch nutzen wir sie täglich in einer Fülle von Anwendungen. Aus materialwissenschaftlicher Sicht verfügen polymere Materialien über wertvolle Eigenschaften. Dazu trägt die Möglichkeit bei, ihre Eigenschaften durch Art und Vernetzung der Monomere sowie über Reaktionsparameter wie Temperatur oder Reaktionszeit zu beeinflussen.Damit Werkstoffe Anforderungen erfüllen, die nicht oder nur zum Teil durch Variation der Reaktionsparameter erreichbar sind, werden ihnen Additive zugefügt. Das können Farbpigmente wie Ruß oder Titandioxid sein, Weichmacher oder Stabilisatoren wie Benzophenon gegen UV-Licht oder wie Calcium und Zink gegen Wärme.Die Aufmerksamkeit der Forschung richtet sich derzeit auf Additive in nanoskaliger Größe – und das vornehmlich aus drei Gründen:<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>Es ist einfacher, Additive aus kleinen Partikeln homogen im Polymer zu verteilen.<list-item>Je kleiner die Partikel sind, desto höher ist das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis. Der gewünschte Effekt stellt sich somit oft mit geringerer Additivmenge ein.</list-item><list-item>Schließlich verleihen Nanomaterialien dem Komposit Eigenschaften, die mit den makroskopischen Analoga nicht oder kaum erreichbar sind.</list-item>Dies lässt sich am Beispiel bruchfester sowie antimikrobieller Nanokomposite veranschaulichen.<h2>Synthese mit Alltagsmaterialien</h2>In der Schule lassen sich Nanokomposite kaum so herstellen wie in Produktionsbetrieben oder Forschungslaboren mit ihren speziellen Apparaturen und präzisen Abläufen. Es ist aber möglich, Produktion und Charakterisierung der Materialien anzupassen und didaktisch zu rekonstruieren. Notwendig sind Nanomaterialien, die entweder kostengünstig zu kaufen sind oder sich unter schulischen Gegebenheiten herstellen und nachweisen lassen.Als Polymer dient ein Harz-Härter-Gemisch aus dem Baumarkt. Um es zu verarbeiten, reichen einfache Laborausrüstung und Alltagsmaterialien. Die Experimente laufen nach einem ähnlichen Prinzip ab: Zunächst verteilt der Experimentator – Schüler oder Lehrer – Nanomaterialien in Harz, das in einem Becherglas vorgelegt ist. In dieses Gemisch wird der Härter eingerührt, und das Gemisch wird dann zum Aushärten in Formen gegossen, etwa in Teelicht-Aluhülsen (Abbildung 1).<figure><img src="https://media.graphcms.com/Rrdb9mQJSMQK6vY1fZxw"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Von links: Vorlegen von Harz im Becherglas, Zugabe von Nanoadditiv und Härter, Guss und Aushärtung des Nanokomposits in der Teelichthülse.</figcaption></figure>
Beispiele für diese Methode sind hier die Synthese von zwei Nanokompositen mit unterschiedlichen Anwendungsfeldern: mit Aluminiumoxid-Nanopartikeln, die Bruch- und Kratzfestigkeit des Komposits steigern,1) sowie mit Silbernanopartikeln, die antimikrobielle Eigenschaften aufweisen.Bruch- und Kratzfestigkeit machen Nanokomposite mit Aluminiumoxid (Abbildung 2a) zu Kandidaten für den Leichtbau, beispielsweise in PKW-Karosserien.<figure><img src="https://media.graphcms.com/9Mp1kTiSC2Is32mTIo6Q"><figcaption><label>Abb. 2: </label>a) Reine Polymere und Aluminiumoxid-Nanokomposite, b) Synthese von Silbernanopartikeln aus Silbernitrat, c), Silbernanopartikel nach der Trocknung, d) fertiges Silbernanokomposit.</figcaption></figure>
Silbernanopartikel sind zwar teurer als Aluminiumoxid, lassen sich aber mit Schulchemikalien und -geräten einfach herstellen. Erforderlich sind heizbare Magnetrührer, Silbernitrat und Natriumcitrat; etwas besser funktioniert eine Vorschrift mit Glucose und Polyvinylpyrrolidon anstelle von Natriumcitrat.2,3) Die Partikel werden nach der Synthese getrocknet und können dann in ein Polymersystem eingearbeitet werden.Um die Ag-Nanopartikel zu identifizieren, genügt die charakteristische gelbe Farbe der Dispersion (Abbildung 2b). Wird sie mit mit einem Laserpointer durchstrahlt, wird durch die Lichtstreuung an den Partikeln der Strahl sichtbar (Tyndall-Effekt). Zudem setzen Silbernanopartikel Ionen frei, die antimikrobiell wirken. Daher sind Kompositmaterialien mit Silbernanopartikeln für die Medizintechnik interessant.4)<h2>Methoden entwickeln, Eigenschaften charakterisieren</h2>Die im Experiment hergestellten Nanokomposite sind Modellmaterialien, deren Eigenschaften die Schüler untersuchen sollen. Hierzu können Lehrkräfte (Low-Cost-) Prüfgeräte erwerben oder Equipment an wissenschaftlichen Einrichtung erfragen. Allerdings eröffnet sich mehr kreativer Gestaltungsfreiraum, wenn die Lerngruppe Methoden selbst entwickelt. Je nach Lerngruppe und verfügbarer Lernzeit kommen qualitative oder quantitative Methoden in Betracht oder auch beide.Das Verfahren sollte möglichst objektiv und zuverlässig sein. Um eine solche experimentelle Methode zu entwickeln, kann die Lehrkraft (insbesondere in Projektarbeiten oder Seminarfacharbeiten) gemeinsam mit den Lernenden das normierte Originalverfahren betrachten und auf dessen Basis ein nachempfundenes Verfahren entwickeln. Im Regelunterricht, in dem die Zeit knapper ist, führt eine Vorstrukturierung durch die Lehrkraft schneller zum Ziel.<h2>Bruchfestigkeit</h2>Um die Bruchfestigkeit von Aluminiumoxid-Nanokompositen zu untersuchen, machen Materialprüfer Kerbschlagbiegeversuche.5) Dabei trifft ein Pendelhammer aus definierter Höhe auf die Probe und zerschlägt sie. Aus der Differenz zwischen Pendelauslenkung vor und nach dem Schlag lässt sich die Kerbschlagarbeit in Joule berechnen.Für die Schule eignet sich ein einfacheres Verfahren, das ein handelsübliches Plastikrohr, eine hineinpassende Metallkugel sowie einen Nagel benötigt (Abbildung 3, links). Das Plastikrohr fungiert als Fallrohr. Dazu werden in gleichmäßigen Abständen Löcher hineingebohrt. Mit einer etwa 370 g schweren Kugel haben sich Abstände von 5 cm bewährt. Der Nagel wird durch die Löcher horizontal in das Rohr gesteckt und fixiert so die Eisenkugel.<figure><img src="https://media.graphcms.com/ycZWAsRITNmLUqwaX8yJ"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Vereinfachte Untersuchungsmethode zur Bruchfestigkeit von Nanokompositen; links: Pappröhre und Kugel; die Kugel fällt in der Pappröhre aus definierter Höhe auf einen Prüfkörper; rechts: gemittelte Bruchhöhen.</figcaption></figure>
Wenn nun die Kugel aus einer bestimmten Höhe auf den Probenkörper fällt, entsteht ein definierter Impuls. Erhöhen sie nach und nach den Impuls, können die Schüler in einer Versuchsreihe herausfinden, wann die Probe bricht; im Vergleich mit Proben ohne Aluminiumoxid-Nanopartikel zeigt sich die gesteigerte Bruchfestigkeit (Abbildung 3, rechts).<h2>Keimhemmung</h2>Die antimikrobiellen Eigenschaften von Silbernanokompositen lassen sich ebenfalls anschaulich und einfach mit schulüblichen Materialien untersuchen. Hierzu werden die Silbernanokomposite in ein Becherglas mit Wasser gegeben und für etwa 30 Sekunden geschwenkt – hierbei nimmt die Flüssigkeit sofort wieder die charakteristische gelbe Farbe an, die bereits bei der Synthese von Silbernanopartikeln zu beobachten war (Abbildung 4).Die antimikrobiellen Eigenschaften dieser Dispersion aus Silbernanopartikeln in Wasser zeigen sich an ihrer Wirkung auf Mikroorganismen, etwa in Joghurt (Milchsäurebakterien)6) oder Trockenhefe (Hefepilze). Die verminderte Aktivität der Hefe lässt sich anhand der sinkenden CO2-Produktion mit einem Kolbenprober quantitativ verfolgen.7)Ein Anschlussversuch zeigt die Depotwirkung des Komposits. Das Kompositmaterial wird hierfür erneut in Wasser geschwenkt und setzt Silbernanopartikel frei; im Schnitt ist auch nach sieben Waschgängen noch eine gelbe Färbung zu erkennen (Abbildung 4). Mit einem Photometer lassen sich die Konzentrationen vergleichen.Anhand der Ergebnisse kann der Unterricht die Langzeitwirkung des Funktionsmaterials thematisieren und Einsatzszenarien diskutieren, zum Beispiel im Krankenhaus, auf Türklinken oder Wundverbänden.<h2>Chancen für den Unterricht</h2>Das Themenfeld Polymere ist ein klassischer Bestandteil des Chemieunterrichts. Insbesondere die dort behandelten Verbundwerkstoffe greifen oft Additive auf – der Transfer zu Nanoadditiven ist naheliegend, ebenso die Vernetzung des Forschungsthemas mit der Lebenswelt. Die Lernenden können somit am Themenfeld Nanokomposite zuvor gelernte Inhalte wiederholen und in einem attraktiven Kontext vertiefen. Allein die beiden vorgestellten Nanokomposite bieten viele unterschiedliche Lerngelegenheiten und stellen nur einen Bruchteil der Möglichkeiten dar.Nanokomposite bieten zudem Gelegenheiten für Diskussionen, in denen Lernende ihre Bewertungskompetenz ausbauen können. So können sie sich mit der Anwendung von Nanomaterialien und Nanokompositen aus ökologischer oder ökonomischer Sicht befassen. Die aufgeführten Experimente bieten hierfür eine Grundlage, eine Vertiefung ist mit weiteren Materialien möglich, etwa Titandioxid,6) Gold,8) Magnetit9) und Kupfer,8) oder auch im NanoBiNE-Projekt,10) in dem es um Nachhaltigkeitsthemen im Unterricht geht.<figure><img src="https://media.graphcms.com/AswvV3zTrS6A6fbCs2ov"><figcaption><label>Abb. 4: </label>Silbernanopartikeldispersionen nach dem Waschen des Nanokomposits mit Wasser; gezeigt sind die ersten sieben Waschgänge (von links).</figcaption></figure>
<h2>Die Autoren</h2>Diesen Beitrag haben Björn Bartram (Foto oben), Reza Saadat (Foto unten) und Timm Wilke verfasst. Bartram ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Jena und promoviert seit 2017 darüber, wie sich Forschungsthemen in den Chemieunterricht übersetzen lassen. An der TU Braunschweig hat er Mathematik und Chemie für das Lehramt studiert. Saadat ist Laborleiter bei Heraeus und Spezialist für Polymerchemie und Nanotechnologie. Wilke ist seit 2020 Professor für Didaktik der Chemie an der Universität Jena. Bis dahin war er Juniorprofessor an die TU Braunschweig und im Jahr 2019 zusätzlich Gastprofessor an der Universität Graz.<div><img src="https://media.graphcms.com/dTEe1gZqTd6GjeZSLWz4">

</div><div><img src="https://media.graphcms.com/Tx2fZSIUTyOxwM4Gi35Z">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Im Chemieunterricht lassen sich unkompliziert Nanokomposite herstellen, indem Nanomaterialien in Kunstharz aus dem Baumarkt eingerührt werden.Ihre besonderen Eigenschaften, etwa Bruchfestigkeit oder antimikrobielle Wirkung, können Schüler mit einfachen Verfahren charakterisieren.Nanokomposite erweitern das klassische Themenfeld Kunststoffe in der Sekundarstoffe II und liefern Diskussionsstoff.
<ul><li>
1 A. Kockmann, J. C. Porsiel, R. Saadat, G. Garnweitner, RSC Adv 2018, 8/20, 11109</li><li>
2 H. Wang, X. Qiao, J. Chen, S. Ding, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2005, 256/2–3, 111</li><li>
3 S. Kittler, C. Greulich, J. S. Gebauer et al. J. Mater. Chem. 2010, 20/3, 512</li><li>
4 M. Abbas, N. Naeem, H. Iftikhar, U. Latif, IntechOpen 2018, 4, 71</li><li>
5 <a href="https://zeros-berlin.de/kerbschlagbiegeversuch/" target="_blank">zeros-berlin.de/kerbschlagbiegeversuch/</a> (Stand: 25.6.2020).</li><li>
6 J. Dege, T. Waitz, S. Haffer, V. Pietzner, R. Abu-Much, M. Hugerat, T. Wilke, J. Nano Educ. 2016 8/1, 1</li><li>
7 J. Dege, S. Haffer, T. Waitz, Naturwiss. Unterr. Chem. 2016, 27/152, 28</li><li>
8 T. Wilke, R. Abdelaziz, M. Elbahri, S. Schwarzer, CHEMKON 2017 24/4, 178</li><li>
9 B. Bartram, T. Wilke, In: New Perspectives in Science Education. Conference Proceedings. Pixel (Hrsg.). Filodiritto Publisher, Bologna, 2020, 64</li><li>
10 J. Dege, J. Menthe, I. Parchmann, V. Pietzner, T. Waitz, Nanotechnologie im Kontext einer Bildung für nachhaltige Entwicklung (NanoBiNE), 2018, <a href="https://tinyurl.com/nanobinegoettingen" target="_blank">tinyurl.com/nanobinegoettingen</a> (Stand: 05.08.2020)</li></ul>

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