CD - Liebfrauenschule Vechta

Konservierung von Daten –
mit Chemie
- Eine Arbeit über optische Datenspeicher 1
0,9
blau
0,8
gelb
grün
pink
E[ ] ]
0,7
0,6
rot
0,5
schwarz
0,4
0,3
0,2
0,1
0
350
-0,1
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Wellenlänge [ nm]
Ein Beitrag des Grundkurses Chemie der Liebfrauenschule Vechta zum
Wettbewerb „Chemie und Schule 2005/2006“
Konservierung – Werte schützen und erhalten mit Chemie
1
Konservierung von Daten – mit Chemie
- Eine Arbeit über optische Datenspeicher -
1. „Hilfe, wir verschwinden – Das digitale Desaster“
2. Vorstellung und Eingrenzung des Themas
3. Grundsätzliches zum Aufbau und zur Funktion von CD-Rs und
DVD-Rs
4. Die Farbstoffe
Ein Lösungsmittel für Farbstoffe in CD-Rs und DVD-Rs
Fotometrische Untersuchnungen der Farbstoffe
Farbstoffsynthesen
Azofarbstoffe
Cyanine
Phthalocyanine
Farbstoffe in schwarzen und bunten CDs
UV-Empfindlichkeit der Farbstoffe
Temperaturempfindlichkeit der Farbstoffe
5. Untersuchung der Spurabstände bei CD-Rs und DVD-Rs
(ein Exkurs in die Physik)
6. Die Metalle
6.1 Allgemeine Informationen zu den in CDs und CD-Rs verwendeten Metallen Nachweis von
Legierungsbestandteilen
6.2 Versuch zur Identifizierung der Metallsorte
7 Der Kunststoff
7.1
7.2
7.3
7.4
Polycarbonat - Makrolon
Dichtebestimmung
Brennprobe
Löslichkeit
8 Recycling von CDs
8.1 Allgemeines
8.2 Versuch zum Rohstofflichen recycling des Polycarbonats
9 Fazit
2
1. „Hilfe, wir verschwinden – Das digitale Desaster“
Ihren Titel teilt diese Einleitung mit einem Film des NDR vom 14.11.2003. Zu klären bleibt lediglich,
was ein angebliches „digitales Desaster“ mit der Konservierung von Werten durch die Chemie zu tun
haben soll.
Ein Brainstorming zum Thema der Konservierung unter der Beteiligung der Chemie führt zunächst
einmal zu materiellen Werten wie Lebensmitteln, Kosmetika, Baustoffen et cetera. Neben diesen kennt
unsere Gesellschaft aber auch noch die in der Philosophie als abgeleitete, künstliche Werte
bezeichneten Begriffe wie z.B. Freiheit und Gerechtigkeit. Die Werte einer Gesellschaft sind vor allem
durch ihre kulturellen Errungenschaften und ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse gegeben, also die
Fülle der ihr zur Verfügung stehenden Informationen unterschiedlichster Art. Darum haben wir
beschlossen uns mit der Konservierung dieser immateriellen aber nicht minder wichtigen Werte zu
beschäftigen. Bei dieser Konservierung von Informationen kommt es vor allem auf die Qualität und
die Quantität der in einem „Speicher“ aufbewahrten Werte an.
Diese Art der Wertsicherung beschäftigt die Menschheit schon seit Jahrtausenden. Im vierten
Jahrtausend vor Christus drückten Sumerer in Mesopotamien Keile in noch weiche Tontafeln und
ließen diese dann aushärten oder meißelten Informationen in Steintafeln. Während sich die Erde
weiterhin Jahr um Jahr um die Sonne drehte, entwickelten die Menschen Papyrus, Pergament und
letztendlich Papier, auf die sie mit farbigen Tinten schrieben. Während die Verwendung von Tontafeln
noch eine hauptsächlich physikalisch bestimmte Methode war, bedeuteten die farbigen Tinten den
beginnenden Einfluss der Chemie auf die Informationskonservierung. Zweierlei unterscheidet jedoch
alle Konservierungsmethoden vor der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts von ihren Nachfolgern.
Auch wenn Informationen vielleicht in Geheimschriften verfasst waren, so waren sie, ob auf einer
Tontafel oder einem Papier, immer für den Menschen selbst erkennbar und letztendlich zu entnehmen.
„Das digitale Desaster“ … heute liegen alle Informationen nur noch verschlüsselt nach ASCII im
dualen Zahlensystem vor und sind ohne eine Gerät zum Auslesen bestenfalls in einem sehr
langwierigen Prozess der Rückübersetzung zu erhalten. Außerdem vermögen wir heute im Gegensatz
zur Welt vor dem Siegeszug des Digitalen dank einer weit entwickelten Elektronik immer mehr
Informationen auf immer kleinerem Raum unterzubringen.
Die Fülle der digitalen Medien zur Speicherung/Konservierung von Information wächst eben so
schnell wie die Informationsmenge der vernetzten Welt an sich, daher werden wir uns bei unseren
Ausführungen auf das Medium der optischen Plattenspeicher (z.B. CD oder DVD), besonders aber auf
die beschreibbaren und wieder beschreibbaren konzentrieren, da bei ihnen u.a. die Chemie der
Farbstoffe eine besondere Rolle spielt. Dabei soll zunächst genauestens untersucht werden, wie die
Konservierung von Informationen auf diesen heutzutage alltäglich benutzten Gegenständen
funktioniert.
Die Tontafeln der Sumerer waren zerbrechlich und anfällig für Verwitterung aller Art. Ein Feuer
vernichtete in Alexandria die größte und bedeutendste Bibliothek ihrer Zeit, die mit Schriftrollen
gefüllt war. Doch solche Katastrophen wie das Feuer waren gar nicht nötig, etwas Essig aus der Küche
vermochte Pergament und Papyrus schwer zu beschädigen oder zu zerstören. Wie sicher sind also
unsere modernen digitalen Datenträger? Welche eher alltäglichen Dinge führen unsere
Konservierungsmaßnahmen ad absurdum, indem sie die Plattenspeicher und auf ihnen abgelegte
Informationen schädigen?
Wenn wir uns also ausreichend mit den von uns selbst entwickelten Fragestellungen auseinander
gesetzt haben, werden wir hoffentlich auch wissen, ob wir, wie es der Titel des NDR Filmes
suggeriert, fürchten müssen, dass unsere digitalen Medien (d.h. in unserem Falle die optischen
Plattenspeicher) uns kaum überleben und eben nicht wie z.B. einige Bücher und Schriftrollen bzw.
Keilschrifttafeln die Jahrtausende überstehen. Sollte dies der Fall sein, dann wäre der Titel tatsächlich
ein Hilferuf und ein Ansporn das Problem schnellst möglich auch unter Zuhilfenahme der Chemie zu
lösen, weil wir auf ein digitales Desaster zusteuerten.
3
2. Vorstellung und Eingrenzung des Themas der Arbeit
Es gibt im digitalen Zeitalter viele Möglichkeiten, Informationen dauerhaft zu speichern. Vermutlich
an allen ist die Chemie maßgeblich beteiligt. Wir haben uns vorgenommen, die Bedeutung der Chemie
an einem der vielen möglichen modernen Beispiele exemplarisch zu untersuchen. Weil wir auch ein
Alltagsphänomen untersuchen wollten und wohl jeder alltäglich mit optischen Datenspeichermedien
umgeht, haben wir uns für die Behandlung von optischen Datenspeichern, speziell von beschreibbaren
CD-Rs und DVD-Rs, entschieden.
Wir haben uns vorgenommen, Aufbau und Funktion der Speichermedien in Grundzügen zu erklären
und jeweils einzelne v.a. chemische Aspekte experimentell zu untersuchen. Dafür haben wir in
unserem Chemie-Grundkurs der Jahrgangsstufe 13 verschiedene Fragestellungen entwickelt, die
jeweils von Schülerinnen des Kurses selbstständig bearbeitet wurden. In der folgenden Arbeit sind
diese Beiträge zusammengefasst.
3. Grundsätzliches zum Aufbau und zur Funktion von CD-Rs und DVD-Rs
Eine CD-R (CD-recordable) ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Die erste Schicht wird aus einem
hochtransparenten Kunststoff, einem Polycarbonat, gebildet. Darauf ist eine sehr dünne Schicht aus
organischen Farbstoffen (Dyes) aufgetragen, an die sich eine metallische Reflektionsschicht
anschließt. Auf der Metallschicht ist eine schützende Schicht aus einem UV-härtenden Kunststoff
aufgebracht, die bei einigen Rohlingen bedruckt ist. Bei einer CD-R ist eine spiralförmige Rille in die
Kunststoffschicht eingelassen. Diese Rille bezeichnet man als Groove oder Pregroove. Die Rille ist 0.7
µm dünn und dient der Führung des Lasers. Der Laser fährt diese Rille von innen nach außen ab.
Bereits vor dem ersten Schreibvorgang sind auf dieser Rille Informationen gespeichert, die z.B. zur
Feinjustierung des Lasers dienen.
Beim Beschreiben ,“Brennen“, der CD-R wird mit einem energiereichen Infrarot-Laser mit Licht der
Wellenlänge 780 nm die Farbstoffschicht lokal erwärmt. Dabei verändert der Farbstoff seine
Absorptionseigenschaften. So entsteht ein Muster aus stark und schwach reflektierenden Bereichen
(Pits und Lands). Dieses Muster enthält die gespeicherte Information. Mit einem Laser mit
schwächerer Energie wird die Reflexion der Metallschicht ausgewertet.
DVD-Rs haben einen prinzipiell gleichen Aufbau. Allerdings ist die Rille, das Groove, sehr viel
kleiner und es wird ein Laser mit einer Wellenlänge von 650 oder 635 nm verwendet. Deshalb müssen
auch andere Farbstoffe als in CD-Rs verwendet werden.
1 Aufbau einer CD-R (Quelle: http://www.gigatain.com/eng/querschnitte_cd-r.php)
Je nach verwendetem Farbstofftyp der CD-Rs ist bereits mit bloßem
Auge zu erkennen, dass sich nach dem Beschreiben zunächst innen
die Reflektionseigenschaften des Rohlings verändert haben.
2 Rohling, etwa zur Hälfte „gebrannt“
4
4 Die Farbstoffe
4.1 Ein Lösungsmittel für Farbstoffe in CD-Rs und DVD-Rs
In einem ersten Experiment sollte ein geeignetes
Lösungsmittel für die auf CD-Rs und DVD-Rs
befindlichen Farbstoffe gefunden werden. Die
Farbstoffe sollten später fotometrisch untersucht
werden. Dafür wurden CD-Rs in kleinere
Stückchen geschnitten und Proben in vier
Reagenzgläser gegeben. Für erste Untersuchungen
zur
Löslichkeit
wählten
wir
typische
Lösungsmittel mit unterschiedlichen Polaritäten.
Durchführung: In Reagenzglas 1 gaben wir
Wasser, in Reagenzglas 2 1-Propanol, in
Reagenzglas 3 Aceton und in Reagenzglas 4
Hexan.
Beobachtung: In Wasser und Hexan lösten sich
die Farbstoffe nicht. In Aceton und 1-Propanol
lösten sich die Farbstoffe sehr gut. Aceton griff
aber auch die Polycarbonatschicht an. Dadurch
trübte sich die Lösung schnell ein. Für die
folgenden Experimente verwendeten wir daher
1-Propanol als Lösungsmittel.
3 CD-R-Stücke in vlnr: Wasser, 1-Propanol,
Aceton, Hexan
4.2 Fotometrische Untersuchung der Farbstoffe
Durchführung: Ausgewählte CD-Rs und DVD-Rs wurden in Schnipsel zerschnitten. Die Farbstoffe
wurden mit 1-Propanol von den Kunststoffstückchen gelöst. Die Lösungen wurden filtriert.
Anschließend wurden die Lösungen fotometrisch untersucht.
4 Lösungen von Farbstoffen aus CD-Rs (die ersten acht Reagenzgläser von links) und DVD-Rs (beide
Reagenzgläser recht)s in 1-Propanol
5
3
CD-Farbstoffe
black
DVD
2,5
Fuji
Imation
PHBG6
2
Sony
TDK
E[]
1,5
1
0,5
0
400
-0,5
500
600
700
800
900
Wellenlänge [nm]
5 Absorptionsspektren von Farbstoffen aus CD-Rs und einer DVD-R
Ergebnisse:
-
-
Die Farbstoffe in CD-Rs absorbieren im Wellenlängenbereich von 650 – 720 nm.
Weitere Recherchen ergeben: Bei den drei Farbstoffen, die nur eine geringe Absorption
oberhalb von 700 nm zeigen, handelt es sich um Phthalocyanine (Fuji, TDK, black). Die
Farbstoffe mit einem intensiven Absorptionsmaximum bei 700 nm sind Cyanine. Der
Farbstoff mit einem intensiven Absorptionsmaximum bei 640 nm ist ein Azofarbstoff.
Die Farbstoffe in DVD-Rs absorbieren geringe Wellenlängen im Bereich von 500 bis
600 nm. Mehrere von uns untersuchte Farbstoffe aus DVD-Rs zeigten ein identisches
Absorptionsverhalten.
Bei der Untersuchung von Double-Layer-DVD-Rs ergab sich, dass diese nur einen
Farbstoff enthalten.
Es erscheint logisch, dass die Farbstoffe in DVD-Rs kürzere Wellenlängenbereiche absorbieren. Das
Absorptionsverhalten der Farbstoffe muss der Wellenlänge des Lasers (bei CD-Rs 780 nm, bei DVDRs 650, nm angepasst sein. Durch die kleinere Wellenlänge des Lasers werden Pits und Lands kleiner
und die Speicherkapazität der DVD wesentlich größer als die einer CD.
4.3 Allgemeines zu den Farbstoffen und Synthese von Modellsubstanzen
Für CD-Rs und DVD-Rs werden Farbstoffe aus unterschiedlichen Farbstoffklassen verwendet:
Phthalocyanine, Cyanine, Azofarbstoffe und Formazane. Diesen Farbstoffen werden in der Literatur
jeweils unterschiedliche Eigenschaften zugesprochen. Einige dieser Eigenschaften haben wir im
Rahmen dieser Arbeit untersucht.
In diesem Kapitel beschreiben wir einige grundlegende Aspekte der einzelnen Farbstoffklassen und
versuchen die Synthese von Modellsubstanzen. Die konkreten Strukturen der von den Firmen
verwendeten Farbstoffe sind Betriebsgeheimnisse und insofern nicht recherchierbar.
6
4.3.1 Azofarbstoffe
Allgemeines
Diese wichtige Gruppe von Farbstoffen umfasst eine größere Zahl von Verbindungen als alle anderen
Farbstoffklassen zusammen. Azofarbstoffe haben die allgemeine Formel R1-N=N-R2, wobei die
beiden Reste R1 und R2 identisch oder verschieden sein können. Beispiel:
6 Alizarengelb R, ein Azofarbstoff
Azoverbindungen sind in der chemischen und pharmazeutischen Industrie als Ausgangsprodukte von
Bedeutung. So lassen sich beispielsweise aus Azobenzol bestimmte Pharmazeutika und Farbstoffe
gewinnen.
Die Herstellung der meisten Azofarbstoffe erfolgt durch Einwirkung einer Diazoniumverbindung auf
ein Amin oder Phenol.
Herstellung und spektroskopische Untersuchung eines Modellfarbstoffes
(Versuchsvorschrift nach Berneth, Dr. Horst: Farbstoffe eine Übersicht, Bayer-AG 2001)
Herstellung der Diazoniumsalzlösung
Eine Spatelspitze (ca. 0.1 g) 4-Nitro-2-aminophenol-6-sulfonsäure wird in einer Petrischale in 10
ml Wasser mit Hilfe von ca. 5 Tropfen Sodalösung gelöst. Nach Zugabe von ca. 10 Tropfen Nitritlösung wird zügig zu einer Mischung aus 2 ml Salzsäure und 3 ml Wasser gegeben. Nitritpapier
muß blau werden. Die Diazotierung ist nach 1-2 min beendet. Mit einigen Tropfen
Amidosulfonsäurelösung wird der Nitritüberschuß zerstört.
Kupplung auf Chicago-Säure SS
Eine Spatelspitze 4-Amino-5-naphthol-1,3-disulfonsäure-Mononatriumsalz (Chicago-Säure SS)
wird in einer Petrischale in 5 ml Wasser unter Zusatz von 20-30 Tropfen Sodalösung gelöst. Man
gibt ca. 2 ml der Diazoniumsalzlösung dazu. Der Kupplungs-pH-Wert ist alkalisch. Es bildet
sich die Lösung eines leicht rotstichig blauen Farbstoffs.
Kupferkomplex des Azofarbstoffs
Die Hälfte der blauen Farbstofflösung wird mit ca. 10 Tropfen Essigsäurelösung schwach
angesäuert und mit ca. 10 Tropfen Kupfersulfatlösung versetzt. Nach kurzem Verrühren ist die
Bildung des leicht rotstichig blauen Kupferkomplexes abgeschlossen.
7
8
Erhaltener Azofarbstoff
Kupferkomplex des Azofarbstoffes
7
Der erhaltene rotstichig blaue Farbstoff ähnelt (sicher nur von der Farbe und her) den Azofarbstoffen,
die für CD-Rs Verwendung finden. Der Kupferkomplex soll als Modellsubstanz für den „Metal-Azo“Farbstoff in einigen CD-Rs gelten.
1,4
Azofarbstoff
1,2
Cu-Komplex des
Azofarbstoffes
E[]
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Wellenlänge [nm]
9 Erhaltener Azofarbstoff
10 Absorptionsspektren des Azofarbstoffes und seines
Kupferkomplexes
4.3.2 Cyanine
Als Polyene mit Azomethin-Gruppierung sind die Cyanin-Farbstoffe eine Untergruppe der
Polymethin-Farbstoffe. In den am längsten bekannten Cyanin-Farbstoffen sind Phenylringe
Bestandteile des Chinolin-Systems, doch sind auch Thiazol-, Pyrrol-, Imidazol-, Oxazol-Systeme (vor
allem kondensiert) zur Herstellung von Cyanin-Farbstoffen herangezogen worden.
Verwendung
In der Textilfärberei sind die Cyanin-Farbstoffe wegen ihrer
Farbunechtheit nur ausnahmsweise (z.B. Bassacryl-Farbstoffe)
verwendbar, gelegentlich auch in der Färbung von Fett,
Knochengewebe sowie als Anthelmintika und anderer
Pharmazeutika. Das Haupteinsatzgebiet der Cyanin-Farbstoffe
liegt in der Photografie, wo sie als Sensibilisatoren unersetzlich
sind und in organischen Farbstoff-Lasern.
11 Ein Cyaninfarbstoff
8
800
Synthese eines Modellcyanins: Diazahemicyanin-Farbstoff durch oxidative Kupplung
(Versuchsvorschrift nach Berneth, Dr. Horst: Farbstoffe eine Übersicht, Bayer-AG 2001)
0.23 g N-Methyl-benzthiazolinon-hydrazon x HCl x H2O und 0.19 g N-(2-Cyanethyl)-N-(2-hydroxyethyl)-anilin werden in einem großen Reagenzglas in 16 ml 1n-Salzsäure unter Umrühren gelöst.
Dann werden einige Körnchen (ca. 5 mg) FeSO4 x 7 H2O zugesetzt und kurz umgerührt. Bei ca. 30°C
(Wasserbad) wird langsam mit 6 Tropfen (0.2 ml) Wasserstoffperoxid (35-proz.) versetzt. Wenn dabei
nicht gerührt wird, führt der erste Tropfen zu gut sichtbarer schlierenförmiger Farbstoffbildung. Nach 10
min Stehen bei Raumtemperatur ist die Reaktion praktisch abgeschlossen. Der Farbstoff scheidet sich dabei
teilweise in leicht kristalliner Form aus dem Reaktionsmedium ab.
12 Struktur und Farbe des Diazahemicyanin-Farbstoffes
4.3.3.Phthalocyanine
Allgemein:
Phthalocyanine ist die Bezeichnung für meist grün-blaue, sehr
beständige Verbindungen, die sich beim Erhitzen von
Phthalosäuredinitril in Chinolin in Gegenwart von NH³ oder
Aminen bilden. Sie finden Anwendung als Farbstoffe (Dye) auf
optischen Datenträgern (CD-R) und für Kunststoffe sowie als
Photoleiter in Laserdruckern und als Elektrodenmaterial in
Brennstoffzellen.
13 Phthalocyanin-Farbstoff
Herstellung:
Phthalocyanin-Farbstoffe entstehen durch die Reaktion von Phthalosäuredinitril mit Alkoholaten,
Metalloxiden, Metallsalzen mit nachfolgender Chlorierung, Sulfonierung usw.. Durch Sulfonierung
erhält man lösliche Phthalocyanin-Farbstoffe, und durch Einführung von Halogenen kann man die
Farbe beeinflussen.
9
Synthese eines Modellphthalocyanins
Die Klassische Methode:
1. Zuerst mischt man 0,5 g Phthalsäureanhydrid, 0, 5 g Harnstoff, 0,1 Kupfer(II)chlorid und etwas
Ammoniummolybdat in dem Porzellantiegel.
2. In einem vorgeheizten Ofen erhitzt man das Gemisch für ca. 10 Minuten auf 200 °C, wobei sich die
bildende Schmelze blau verfärbt.
14 Reaktionssymbol für die Phthalocyaninsynthese
(Quelle: wwww.lambdasyn.com/synfiles/kupferphthalocyanin.com)
3.
Das Reaktionsgemisch löst man nach dem Abkühlen vorsichtig in 5 ml konz. Schwefelsäure
und gießt die entstandene Lösung langsam in 30 ml Wasser. Beim Abkühlen sollte der PhthalocyaninFarbstoff ausfallen.
4.
15 Reaktionsgemisch nach einer Minute und nach 10 Minuten im Wärmeschrank, Suspension des
Farbstoffes in Schwefelsäure
Synthese in eines Mikrowelle
Es wird das oben beschriebene Gemisch hergestellt. Dem
Reaktionsgemisch werden drei Tropfen Wasser zugegeben.
Das Gemisch stellt man für 30 Sekunden in eine
Mikrowelle mit 600 Watt Leistung.
Beobachtung: Bereits nach wenigen Sekunden tritt eine
deutliche Blaufärbung auf, die auf das Entstehen des
Kupferphthalocyanins hindeutet.
16 Kupferphthalocyanin aus der Mikrowelle
10
4.3.4 Formazane
Formazane ist die Bezeichnung für die Atomgruppierung H2N-N=CH-N=NH, von der sich nicht nur
einige Reaktivfarbstoffe (Formazan-Farbstoffe) ableiten, sondern auch durch Dehydrocyclisierung
Tetrazolium-Salze. Einige 1,3,5-trisubstituierte Vertreter bilden tief gefärbte Metallchelate, die zu
photometrischer Bestimmung geeignet sind.
4.4 Farbstoffe in schwarzen und bunten CDs
17 Durchgefärbte Rohlinge
Vereinzelt befinden sich CD-Rohlinge mit durchgefärbten Makrolonschichten auf dem Markt. Für uns
stellte sich die Frage, ob die in der Makrolonschicht enthaltenen Farbstoffe den Brenn- oder
Auslesevorgang der CD-Rs stören könnten. Wir untersuchten also das Absorptionsverhalten der
Farbstoffe. Dazu mussten wir zunächst die Farbstoffe aus dem Kunststoffmatrix herauslösen. Als
Lösungsmittel für Polycarbonat erwies sich Dichlormethan als geeignet (vgl. Kap. 7.2 ) Dazu wurden
kleine Stückchen aus den CD-Rs herausgeschnitten.
Diese wurden zunächst in in kleinen Bechergläsern in Propanol gelegt. Dabei lösten sich die
Farbstoffe der Dye-Schicht und gleichzeitig metallische Bestandteile ab. Zurück blieben die farbigen
Polycarbonatstückchen.
18 Ablösen der Dye-Schicht und der Metallschicht
11
Die Polycarbonatstückchen wurden auf Reagenzgläser verteilt und mit Aceton (1. Serie) bzw.
Dichlormethan (2. Serie) versetzt. Mit Dichlormethan wurden klare Lösungen erhalten, die
fotometrisch untersucht werden konnten.
19 Gefärbte Polycarbonatstückchen in Aceton (linke Serie) und Dichlormethan (rechte Serie)
1
0,9
blau
0,8
gelb
grün
pink
rot
schwarz
E[ ] ]
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
350
-0,1
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Wellenlänge [ nm]
20 Spektren der Farbstoffe aus der Polycarbonatmatrix
Ergebnis: Es fällt auf, dass keiner der Farbstoffe Wellenlängen oberhalb von 700 nm absorbiert.
Dadurch dürfte der Lesevorgang mit dem Laser der Wellenlänge 780 nm erwartungsgemäß nicht
beeinträchtigt werden. Anders als die Farbstoffe der Dye-Schicht sollten sich diese Farbstoffe beim
Schreibvorgang nicht verändern.
12
Wellenlänge des
Lichtes
350 - 400 nm
400 - 435 nm
435 - 480 nm
480 -490 nm
490 - 500 nm
500 - 560 nm
560 - 580 nm
580 - 595 nm
595 - 605 nm
605 - 750 nm
Farbe des
Lichtes
Ultraviolett
violett
blau
grünblau
blaugrün
grün
gelbgrün
gelb
orange
rot
21 Schwarze CD-R im Gegenlicht
Komplementär
farbe
gelbgrün
gelb
orange
rot
purpur
violett
blau
grünblau
blaugrün
Tabelle
1: Wellenlänge und Lichtfarbe
Im Durchlicht ist zu erkennen, dass die schwarze CD-R eigentlich tiefrot ist. Dieses Phänomen lässt
sich erklären: Betrachten man die Tabelle mit den Wellenlängen des Lichtes, erkennt man, dass nach
Absorption aller Wellenlängenbereiche bis 700 nm nur noch sichtbares Licht im Rotbereich übrig
bleibt.
DVD-Laufwerke können derartig gefärbte CD-Rs meistens nicht auslesen, da sie mit einer
Wellenlänge von 650 nm arbeiten.
4.5 UV-Empfindlichkeit der Farbstoffe
22 Diese CD-R lag lange in der Sonne auf einer Fensterbank.
Es ist bekannt, dass CD-Rs abhängig von den verwendeten Farbstoffen unterschiedlich empfindlich
auf Licht bzw. UV-Bestrahlung reagieren. Die in Abb. 22 dargestellte CD wurde durch Sonnenlicht
stark geschädigt. Um Zusammenhänge zwischen Lichteinstrahlung und Lesefehlern auf den CD-Rs zu
untersuchen, legten wir mit der Software „feurio“ ein Image einer (frei kopierbaren) CD auf der
Festplatte unseres PCs an und kopierten dieses Image auf drei verschiedene CD-Rs.
13
23 Untersuchte CD-Rs
Diese CDs setzten wir über Tage eine Bestrahlung mit der im Labor befindlichen UV-Lampe aus. Im
Abstand einiger Tage überprüften wir die Anzahl der Lesefehler mit dem Freeware-Programm CDVergleich. Lesefehler traten auch nach einigen Tagen nicht auf.
Dann setzten wir die CD-Rs auf der Fensterbank über einen Monat einer intensiven Sonnestrahlung
(Sommer 2006) aus und wiederholten unsere Analyse. Ein Rohling (TDK-R Audio) hatte sich bereits
optisch stark verändert und zeigte eine sehr hohe Lesefehlerrate (Abb. 24). Der schwarze Rohling wies
ebenfalls viele Fehler auf , nur der Rohling der Marke Fuji war recht unempfindlich gegen die
Sonneneinstrahlung.
Festgestellte Lesefehler nach vier Wochen Sonnenbestrahlung:
Fuji
TDK-Audio
BestMedia blax
: 148 Bytes
: 155032 Bytes
: 422185 Bytes
Farbstofftyp: Cyanine (Type 0)
Farbstofftyp: Cyanine (Type 4)
Farbstofftyp: Phthalocyanine (Type 6)
Ohne jeden Anspruch auf Repräsentativität bestätigt dieses singuläre Ergebnis nicht die Erwartung,
dass Phthalocyanine grundsätzlich unempfindlicher gegenüber Licht bzw. UV-Licht sind als die in
CD-Rs verwendeten Cyanine oder Azofarbstoffe, wie dies zumeist in der Literatur zu finden ist.
Überraschend ist besonders, dass sich gerade der schwarze Rohling als so lichtempfindlich erweist.
24 Rohling der Marke TDK-Audio nach etwa vierwöchiger intensiver Bestrahlung mit
Sonnenlicht(vorne) und zum Vergleich neuer Rohling der gleichen Marke (hinten).
14
4.6 Temperaturempfindlichkeit der Farbstoffe
Auch die Temperaturempfindlichkeit der Rohlinge ist von Bedeutung. Z.B. können die CD-Rs im
Sommer in Autos sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Drei weitere Rohlinge wurden mit den
gleichen Daten bespielt und in einen etwa 90 °C heißen Trockenschrank gelegt. Im Abstand einiger
Tage wurde wie beschrieben die Fehlerrate bestimmt:
Tag
Fuji (Cyanin)
TDK (Cyanin)
1
80
50645
3
47
42781
4
6607
95493
5
9335
73981
6
30955
2507089
7 (einige Stunden 110°C) 31542
3960205
10
21714
548677
11
48038
1429588
12
96939
5055140
25 Fehlerraten von CD-Rs nach Wärmebehandlung
SK (Phthalocyanin)
49
47
24
0
357
6005
4332
1623
7903
Es fällt auf, dass die CD-Rs sehr unterschiedlich auf die Wärmebehandlung reagieren. Offensichtlich
ist die CD der Marke SK relativ unempfindlich, während sich bei der Fuji und besonders bei der TDK
schnell Lesefehler ergeben. Die könnte daran liegen, dass der Phthalocyaninfarbstoff in den SKRohlingen temperaturunempfindlicher ist.
Als am siebten Tag die Temperatur für einige Stunden auf 110°C stieg, ergaben sich viel höhere
Lesefehlerraten. Die weiteren Messungen zeigen, dass offenbar eine gewisse „Regeneration“ auftrat,
nachdem die Temperatur wieder auf 90°C heruntergeregelt war.
Letztlich sind aufgrund dieses Versuches sicher keine verlässlichen Aussagen möglich. Für eine
weitere Arbeit wäre es interessant, derartige Experimente auf mehr CD-R- und DVD-R-Typen
auszudehnen.
15
5.Untersuchung der Spurabstände bei CD-Rs und DVD-Rs (ein Exkurs in die Physik)
Die folgenden Versuche beruhen auf der Eigenschaft der CD, CD-R, DVD und DVD-R aufgrund
ihres Aufbaus als optisches Reflexionsgitter zu wirken. Die Pits bzw. Spuren wirken dabei als Gitter,
an dem Licht gebeugt wird. Die tatsächliche Reflexion des Lichtes z.B. beim Auslesen einer CD
erfolgt an der hinter der Pitstruktur liegenden metallischen Reflexionsschicht (vgl. Teil der Arbeit zum
Aufbau).
Versuch: Wirkung der CD, CD-R, DVD und DVD-R als
Reflexionsgitter
Geräte:
1 Helium-Neon-Laser ( λ = 632.8nm ), der kohärentes Licht
aussendet; 1 Polarisationsfilter zur ungefährlichen Betrachtung; ein Schirm
mit einem Loch in der Mitte, auf den ein weißes Blatt gespannt wird; eine
handelsübliche CD, CD-R, DVD; DVD-R; Messlatten
1
Aufbau:
Durchführung:
Der Versuch wird der Skizze gemäß zunächst
mit der CD aufgebaut und durch einen
Polarisationsfilter betrachtet. Nach dem
einschalten und dem Ausrichten des Lasers
werden (vgl. Photo1). Der Abstand der
Lichtpunkte zum durchgehenden Strahl wird
gemessen und tabellarisch notiert. Darauf folgt
die Variation des Abstandes zwischen CD und
Schirm. Der Versuch wird für die CD-R, DVD
und DVD-R wiederholt.
1
Diese Abbildung wurde entnommen aus: Eckert u.a.: Low Cost - High Tech, Aulis Verlag Deubner, Köln,
2000, S.48
16
Messdaten:
1.CD
Abstand d des Helligkeitsmaximums 1.
Ordnung vom durchgehenden Strahl in cm
2.45
4.75
7.1
9.1
11.5
Abstand b in cm
5
10
15
20
25
2.CD-R
Abstand d des Helligkeitsmaximums 1.
Ordnung vom durchgehenden Strahl in cm
9.25
12.5
7
Abstand b in cm
18.5
25
13.3
3. DVD und DVD-R
Abstand d des Helligkeitsmaximums 1.
Ordnung vom durchgehenden Strahl in cm
8.7
12.45
9.25
Abstand b in cm
(DVD) 5
(DVD-R) 8
(DVD-R) 4.9
Auswertung:
Die Leuchtpunkte
entstehen durch die
Interferenz des an
der
Gitterstruktur
der Pits gebeugten
Lichtes (vgl. Abb.
2).
Hierbei
entstehen
nach
Huygens
so
genannte
Elementarwellen.
Die
einzelnen
Teilwellen
interferieren
nur
dann
konstruktiv,
wenn
der
Gangunterschied
zwischen
zwei
benachbarten Teilstrahlen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des
Laserlichts ist. Beim Helligkeitsmaximum erster Ordnung entspricht dieser
Gangunterschied ∆s genau einer Wellenlänge. Ist der in Abb.2 mit b
bezeichnete Abstand zwischen CD und Schirm relativ groß, so können die
interferierenden Strahlen als hinreichend parallel angesehen werden.
17
Nun handelt es sich bei dem Polycarbonat der CDs um einen
Feststoff der optisch dichter ist als Luft (Brechungsindex
n=1.584 laut Literatur), d.h. es tritt Lichtbrechung auf. Dieser
Sachverhalt ist in Abb.3 dargestellt. Umfangreichere
rechnerische Überlegungen führten zu dem Ergebnis, dass die
Brechung des Lichtes am Übergang zwischen Polycarbonat
und Luft und die kurzzeitige Ausbreitung des Lichtes durch
ein dichteres Medium vernachlässigt werden kann, da sich ihr
Einfluss auf das Versuchsergebnis erst ab der fünften Stelle
nach dem Komma bemerkbar macht.
Durch physikalische Überlegungen zum Gangunterschied etc.
lassen sich folgende Zusammenhänge ermitteln, wobei α der
Winkel ist, um den das Licht zum kten Helligkeitsmaximum
(k ist eine natürliche Zahl) abgelenkt wird.
d
b
k ⋅λ
k ⋅λ
∧ sin α
⇔g=
g
sin α
tan α =
In unserem Fall treten nur Maxima 1. Ordnung auf.
Tabellarische Auswertung der Messergebnisse:
1.CD
Abstand b in cm
5
10
15
20
25
Abstand d des
Helligkeitsmaximums 1.
Ordnung vom
durchgehenden Strahl
in cm
2.45
4.75
7.1
9.1
11.5
Ablenkungswinkel
α
26.105°
25.408°
25.330°
24.466°
24.702°
Spurabstand g in
µm
1.4381
1.4748
1.4791
1.5279
1.5142
2.CD-R
Abstand b in cm
18.5
25
13.3
Abstand d des
Helligkeitsmaximums 1.
Ordnung vom
durchgehenden Strahl
in cm
9.25
12.5
7
Ablenkungswinkel
26.565°
26.565°
27.759°
18
α
Spurabstand g in
1.415
1.415
1.3587
µm
3.DVD und DVD-R
Abstand b in cm
(DVD) 5
(DVD-R) 8
(DVD-R)
Fazit:
Abstand d des
Helligkeitsmaximums 1.
Ordnung vom
durchgehenden Strahl
in cm
8.7
12.45
9.25
Ablenkungswinkel
60.255°
57.276°
62.089°
α
Spurabstand g in
µm
0.7288
0.7522
0.7161
Der Spurabstand bei CDs sollte 1.6 µm betragen, bei DVDs 0.8 µm , wobei
die DIN Norm in beiden Fällen eine gewisse Varianz zulässt. Somit lässt sich
nach der Betrachtung der experimentell bestimmten Werte sagen, dass die
Spurabstände in Anbetracht der in einer Schule möglichen Messmethoden sehr
genau bestimmt wurden. Bei dieser einfachen Apparatur waren Abweichungen
unvermeidbar.
19
6.
Die Metalle
6.1 Allgemeine Informationen zu den in CDs und CD-Rs verwendeten
Metallen
Einleitung
Das Leichtmetall Aluminium wird üblicherweise als Ausgangsstoff für die Reflexionsschicht bei
herkömmlich gepressten CDs verwendet (auch ersatzweise bei CD-RWs). Dagegen benutzt man
bisher nur die Edelmetalle Gold und Silber für die Reflexionsschicht von CD-Rs.
Im folgenden erkläre ich die Gründe für den unterschiedlichen Gebrauch der Stoffe. Außerdem gebe
ich einen Überblick über das Zusammenspiel von Reflexionsschicht und der organischen Farbschicht
(Dye) beim Schwerpunktthema der einmal beschreibbaren CDs (CD-Rs).
Aluminiumschicht bei CDs und eventuelle Nachteile des Leichtmetalls
Die ,,einfache’’ CD (Compact Disc), auf der Musik oder Daten gespeichert sind, besteht aus drei
Schichten (layers). Unter der bedruckten Oberseite einer CD befindet sich eine Schicht aus Klarlack
(Acryllack→Schutzlackierung), gefolgt von einer dünnen Schicht aus Aluminium. Unterhalb dieses
feinen Metallfilms liegt der farblose Kunststoff Polycarbonat, der mithilfe kleiner Vertiefungen die
Informationen speichert. Der Laserstrahl tastet diese ab und gibt sie wieder. Das Aluminium reflektiert
dabei den Laserstrahl.
Nun kann sich die Reaktionsfreudigkeit des unedlen Metalls bei dem großen Sortiment an
Billigangeboten negativ auf die lange Lesbarkeit von CDs auswirken. Bei der günstigeren Compact
Disc stellt der seitliche Rand eine empfindliche Schwachstelle dar, da hier eine Lackversiegelung fehlt
und somit das Eindringen von Sauerstoff und Wassermolekülen zwischen den Schichten ermöglicht
wird. Die Folge ist, dass das Aluminium über Jahre hinweg zur durchsichtigen Verbindung
Aluminiumhydroxid reagiert.
Zwar bleiben die Vertiefungen in der Polycarbonatschicht erhalten, aber der Laserstrahl wird
nicht mehr reflektiert, sodass der Datenträger unlesbar wird.
Dieser chemischen Reaktion kann man vorbeugen, indem der Käufer sich für geringfügig teurere
Markenartikel entscheidet, die generell eine hochwertige Rundumschutzlackierung besitzen und somit
ein eventuelles Eindringen von Sauerstoff und Wasser an der schmalen Seite verhindern.
Weitere Gründe neben den Reflektionseigenschaften des Metalls für die Auswahl des Aluminiums
sind folgende: Das Leichtmetall ist das dritthäufigste Element und das
häufigste Metall auf der Erde, sodass es noch für einige Jahrzehnte verfügbar ist. Außerdem ist es ein
sehr weiches, zähes Metall, dass man aufgrund seiner hohen Dehnbarkeit und Elastizität gut
verarbeiten kann.
Ein letzter Punkt ist die geringe Dichte dieses Leichtmetalls, es erspart der CD unnötiges Gewicht.
Auch für CD-RWs kann Aluminium als Reflektionsschicht verwendet werden, da es hier nicht zu
chemischen Reaktionen mit den benachbarten Schichten ( Schutzlack und ZnS-SiO2 (Dielektrikum))
kommt wie bei der CD-R mit dem organischen Farbstoff. Allerdings wird eher eine Silber-IndiumAntimonium-Tellurium-Legierung als reflektierende Schicht gewählt, da sie im ursprünglichen
Zustand eine für die CD-RW wichtige polykristalline Struktur aufweist.
Gold und Silber als Reflexionsschicht
Die Qualität eines Rohlings hängt besonders stark von der Güte der Führungsrille und der
gleichmäßigen Verteilung des Farbstoffs (Dye) ab. Außerdem sind auch die unterschiedlichen
Eigenschaften der drei, auf organische Stoffe basierende, Farbstoffe (Cyanin, Phthalocyanin, Azo)
sowie die darüber liegende Reflektionsschicht aus Gold oder Silber von Bedeutung. Bei einem CDRohling ist keine silberfarbene Aluminiumschicht vorhanden, weil das Aluminium zu chemischen
Reaktionen mit anderen Farbstoffen führt.
Bei der Unterscheidung von Gold und Silber als Reflektionsschicht lohnt es, sich die Eigenschaften
der beiden Edelmetalle heranzuziehen.
20
Neben der guten Reflektionseigenschaften von Gold weist dieses Metall eine deutlich höhere
Oxidationsbeständigkeit als die üblichen zum Einsatz kommenden Materialien, wie beispielsweise
Silber, auf. Das heißt, Gold oxidiert nicht; dies ist also der optimale Schutz für die CD-R.
Außer der guten Korrosionsbeständigkeit (Gold wird im Allgemeinen auch nicht von Säuren
angegriffen; Ausnahme: Königswasser) besitzt das Edelmetall ebenfalls die Eigenschaft der guten
Verarbeitbarkeit, weil es weich wie Zinn ist. Ein Nachteil ist der hohe Preis wegen seiner Seltenheit.
Aus Kostengründen ist Gold durch Silber ersetzt worden, gleichzeitig ist das Reflektionsvermögen
von Silber höher (poliertes Silber zeigt die höchsten Licht-Reflexionseigenschaften aller Metalle,
frisch abgeschiedenes Silber reflektiert über 99,5% des sichtbaren Lichts). Die Lebensdauer einer CDR mit einer silbernen Reflektionsschicht ist aber dennoch kürzer als die einer CD-R mit einer goldenen
Reflektionsschicht. Dies liegt daran, dass Silber korrodiert, wenn es nicht luftdicht verschlossen ist.
Deshalb sollte es sicher durch die vorhandene Lackschicht geschützt werden. Die Schutzschicht beugt
einer Beschädigung der CD durch Kratzer zum einen und durch UV-Strahlen und Feuchtigkeit zum
anderen vor, die den Prozess der Oxidation von Silber beschleunigen. Außerdem verhindert sie das
leichte Ablösen der Reflektions- und Speicherschicht. Falls der Acryllack zerkratzt, z.B. durch die
Beschriftung der CD-R mit Bleistift oder Kugelschreiber oder durch Transportschäden preiswerter
Massen-CD-Rs auf der Spindel, dringt über die Kratzer Sauerstoff ein. Die Information geht nicht
verloren, sie kann aber mangels Reflexion nicht mehr gelesen werden. Die Lackschicht kann auch
beschädigt werden, wenn Labels aufgeklebt und wieder entfernt werden.
Farbstoff -/ Reflektionsschicht – Kombination
Für die Farbe der CD-R sind zwei Faktoren verantwortlich: zum einen der Farbstoff der
Reflexionsschicht, zum anderen der Farbstoff der Schreibschicht.
Durch die Kombination von der Reflexionsschicht und dem Farbstoff der Schreibschicht ergeben
sich die folgenden Farben einer CD-R:
Reflexionsschicht Gold
Reflexionsschicht Silber
Phthalocyanin
(farblos)
gold
silber
Advanced
Phthalocyanin
(farblos)
gold
---
Cyanin (blau)
grün
hellblau
Azofarbstoff
(dunkelblau)
---
dunkelblau
Formazan
(hellgrün)
gold-grün
---
Das heißt, die goldfarbene CD-R benutzt als Dye Phthalocyanin oder Advanced Phthalocyanin und als
Reflexionsschicht Gold. Phthalolcyanin garantiert eine extreme Widerstandsfähigkeit, bemerkenswert
gute Reflexionseigenschaften und eine äußerste Zuverlässigkeit sowie höchste Kompatibilität mit allen
Laufwerken und Brennern. Beide Farbstoffe besitzen einen sehr guten Kontrast zwischen Pits und
Lands.
Da der organische Farbstoff Phthalocyanin transparent ist, scheint auch auf der Unterseite die goldene
Reflexionsschicht durch. Verglichen mit andersfarbigen Rohlingen hat dieser goldene Rohling die
besten Reflexionseigenschaften. Die Haltbarkeit solcher CD-Rs wird mit über 100 Jahren angegeben.
Mitsui Toatsu entwickelte die Rohlinge mit diesem Farbstoff weiter und kombinierte sie mit einer
silbernen Reflexionsschicht. Das Ergebnis ist ein Rohling, der eine hohe Haltbarkeit und die
theoretisch besten Reflexionseigenschaften besitzt, da Silber bessere Reflexionswerte ermöglicht.
Dennoch sind die negativen Korrosionsvorgänge von Silber nicht zu vernachlässigen.
21
Die grünen Rohlinge, die meist die preisgünstigsten sind, benutzen einen Cyanin – Dye, entwickelt
und patentiert von der Firma Taiyo Yuden. Zwar ist der Dye blau, zusammen mit der goldenen
Reflexionsschicht erscheint die Unterseite aber grün. Cyanin ist preiswerter und nicht so stabil,
außerdem weisen seine optischen Eigenschaften Mängel auf. Man schreibt solchen CD-Rs eine
Lebensdauer von 10 Jahren und mehr zu. Grüne Medien liefern den schwächsten Kontrast, können
also bei älteren CD-ROM-Laufwerken zu Lesefehlern führen. Der Brennvorgang ist hier weniger
exakt, weshalb diese Rohlinge fast nicht mehr erhältlich sind. Da Cyanin empfindlich gegen UVStrahlen ist, wird er nie in Reinform verwendet, sondern nur mit verschiedenen Stabilisatoren.
Rohlinge mit blauer Unterseite sind seltener anzutreffen, sie basieren auf dem Farbstoff Azo. Durch
eine Reflexionsschicht aus Silber bleibt das Blau des Farbstoffs auch nach unten hin sichtbar. Die
Hersteller geben für diesen Rohling trotz des geringeren Kontrasts ähnliche Haltbarkeitswerte wie für
goldene CD-Rs an (Lebensdauer ca. 100 Jahre). Hinzu kommt, dass die Stabilität wesentlich geringer
als bei Phthalocyanin ist und beim Schreiben die BLER-Rate (Block Error Rate→Fehlerrate) höher ist.
Obwohl sie wegen ihrer UV-Beständigkeit und allgemeinen Haltbarkeit hoch angepriesen wurde,
schnitt die CD-R mit einem Azo-Dye bei dem Belastungstest des US-amerikanischen National
Institute for Standards and Technology (NIST) besonders schlecht ab.
Formazan bietet einen guten Kontrast, jedoch ist über die Lebensdauer nichts bekannt.
Abschließend kann man sagen, dass die unbestritten besten Farbstoffe Phthalocyanin und Advanced
Phthalocyanin sind. Daher werden goldene Rohlinge immer dann empfohlen, wenn es auf gute
Wiedergabequalität und lange Lebensdauer ankommt.
Phthalocyanin+
goldene Reflexionsschicht
Cyanin+
silberne Reflexionsschicht
Azo+
silberne Reflexionsschicht
Cyanin+
goldene Reflexionsschicht
Cyanin+
silberne Reflexionsschicht
Phthalocyanin+
silberne Reflexionsschicht
22
6.2 Versuch zur Identifizierung der Metalle CDs und CD-Rs
26 Eine gepresste CD-R im Salzsäurebad
Durchführung: Eine gepresste CD wird in ein Salzsäurebad gelegt.
Beobachtung: Innerhalb weniger Minuten löst sich die Metallschicht vollständig auf.
Deutung: Die Metallschicht besteht aus Aluminium.
2 Al(s) + 6 HCl(aq) → 2 AlCl3(aq) + 3H2(g)
Ergänzende Information: Legt man CD-Rs in eine Salzsäurebad, lösen sich die Metallschichten nicht
auf. Es ist daher zu erwarten, dass diese aus Gold bzw. Silber oder deren Legierungen bestehen.
Versuch zur Identifizierung der Metalle inCD-Rs
27 Metallschicht eines Rohlings mit gelber Unterseite in Salzsäure, Salpetersäure und Königswasser
(linke Abb. vlnr.) und Metallschicht eines silbernen Rohlings (rechts) in den gleichen Säuren. (Grün
sind Reste der Lackschicht.)
Durchführung: Die Metallschicht eines Rohlings mit gelber Unterseite und eines Rohlings mit blauer
Unterseite werden abgekratzt. Die Metallstückchen werden auf jeweils drei Reagenzgläser verteilt. In
eines der Reagenzgläser gibt man Salzsäure, in das zweite Salpetersäure und in das dritte
Königswasser.
Beobachtung 1: Die gelbe Metallschicht des Rohlings mit gelber Unterseite löst sich nur in
Königswasser, nicht aber in Salzsäure und Salpetersäure.
Deutung 1: Die Reflektionsschicht des Rohlings besteht aus Gold. Gold löst sich weder in
Salpetersäure, noch in Salzsäure.
23
Im Königswasser bildet sich aktives Chlor und Nitrosylchlorid. Gold lässt sich durch diese stark
reaktiven Teilchen oxidieren:
HNO3 + 3HCl → NOCL + 2Cl + H2O
Au + NO+ + 2 Clnasc. ---> Au3+ + NO + 2 ClBeobachtung 2: Die silberne Metallschicht des Rohlings mit blauer Unterseite löst sich in
Königswasser. In Salpetersäure löst sich diese Schicht teilweise, bildet aber auch schwarze Flocken. In
Salzsäure löst sich das Metall nicht.
Deutung 2: Die Reflektionsschicht des Rohlings besteht aus Silber. Silber löst sich in Königswasser,
aber nicht in Salzsäure. In Salpetersäure löst sich Silber ebenfalls, bildet aber vorübergehend eine
dünne Schichten aus schwarzem Silberoxid, erkennbar in der entsprechenden Abbildung als dunkle
Verfärbung.
3 Ag + 4 HNO3 -----> 3 AgNO3 + NO + 2 H2O
24
7 Der Kunststoff
7.1 Polycarbonat – Makrolon
28 Polycarbonat (Bild Quelle: http://www.makrolon.de/BMS/DBRSC/MakrolonCMSR6.nsf/id/home_de)
Die Kunststoffschicht einer CD-R oder DVD-R besteht aus Polycarbonat. Polycarbonate sind
synthetische Polymere aus der Familie der Polyester, die aus Kohlensäure und Diolen erzeugt werden.
Die Bayer-AG als führender Hersteller gab den Polycarbonaten den Handelsnamen Makrolon. Für
CD-Rs und DVD-Rs kommen speziell entwickelte leicht fließende Polycarbonate zu Einsatz. Für die
den Anwendungsbereich sind u.a. folgende Eigenschaften der Polycarbonate von Bedeutung:
hohe Transparenz
gute Wärmeformbeständigkeit
geringe Wasseraufnahme
Recyclebarkeit
Geringe Doppelbrechung
Die Synthese der Polycarbonate erfolgt durch Umsetzung von Bisphenol A mit Phosgen:
29 Synthese von Polycarbonat (aus Broschüre „Vom Salzstock zur CD“ des vci-nord)
25
7.2 Dichtebestimmung
Eine Schülergruppe hatte die Aufgabe, die Dichte des Kunststoffes Makrolon einer CD zu bestimmen. Dafür
konnten unbearbeitete Kunststoffscheiben, die gelegentlich in CD-Spindeln vorhanden sind eingesetzt werden.
1.
Methode: Ausmessen und Wiegen
Ein Kunststoffrohling wird mit einer Schiebelehre ausgemessen und gewogen. Der Rohling wiegt 20 g. Die
Dicke der Kunststoffschicht beträgt 1,2 mm, der Durchmesser 12 cm. Der Durchmesser des Loches in der Mitte
wird mit 1,5 cm bestimmt.
Daraus ergibt sich ein Volumen von
V = ((60mm)2 • Π - (7.5mm)2 • Π)•1.2mm = 13360 mm3 = 13.36 cm3.
Die Masse wird mit 16.1 g bestimmt.
Daraus ergibt sich eine Dichte von φ = m : V = 16,1g : 13.36cm3 = 1.21 g/cm3
2. Methode: Dichtebestimmung nach dem Schwebeverfahren
Durchführung: Zunächst werden unterschiedlich konzentrierte Magnesiumchloridlösungen hergestellt. Die
Dichten dieser Lösungen werden mit einem Aerometer exakt bestimmt.
Kleine Stückchen von rot eingefärbtem Polycarbonat werden in diese Lösungen gegeben.
Beobachtung: In einer Lösung mit der Dichte 1.2 g/cm3 schweben die Kunststoffstückchen.
Deutung: Die Makrolonstückchen haben eine Dichte von 1.2 g/cm3.
1.0 g/cm3
1.2 g/cm3
1.4 g/cm3
30 Polycarbonatstückchen in Lösungen unterschiedlicher Dichten (siehe Angaben unter
dem Bild).
Beide Verfahren der Dichtebestimmung führen zu gleichen Ergebnissen. Unsere Ergebnisse entsprechen den
Angaben in der Literatur.
7.3 Brennprobe:
26
31 Brennprobe im Polycarbonat
Der Kunststoff brennt mit leuchtend gelber, rußender Flamme. Außerhalb der Brennerflamme
verlischt der Kunststoff schnell wieder. Hält man ein Säure-Base-Indikatorpapier in die Flamme,
verfärbt sich dieses nicht.
Deutung: Verschiedene Kunststoffe zeigen ein unterschiedliches, jeweils charakteristisches
Brennverhalten. Das Rußen der Flamme beruht auf dem aromatischen Anteil des Polycarbonats.
:
Löslichkeit
Das Trägermaterial einer CD-R wird in kleine Stückchen zerschnitten und in sieben Reagenzgläsern
mit verschiedenen Lösungsmitteln versetzt. Wasser, Hexan und 1-Propanol greifen das Polycarbonat
nicht an. Aceton, Essigsäuretethylester und Natronlauge lassen das Polycarbonat aufquellen. In
Dichlormethan löst sich der Kunststoff in kurzer Zeit völlig.
32 Polycarbonatstückchen in (vlnr. Wasser, Aceton, Essigsäureethylester, 1-Propanol.
Dichlormethan, konzentrierte Natronlauge, Hexan
27
8. Recycling von CDs
8.1 Allgemeines:
Am 17.08.1982 wurde die erste industrielle Produktion von CDs aufgenommen. Im Zeitraum von
1982 bis einschließlich 2001 steigerte sich die Anzahl der weltweit vorhandenen CDs auf mehr als 110
Milliarden Stück. Dies entspricht immerhin schon dem 17-fachen der Weltbevölkerung und man
könnte mit diesen CDs sogar schon eine etwa 40 cm hohe Mauer am Äquator entlang um die Erde
bauen. Jährlich werden zurzeit etwa 8 Milliarden CDs produziert. Diese können wie folgt aufgeteilt
werden:
CD Audio
CD ROM
CD-R
DVD
Summe
Tonnen
37.790
74.210
12.800
1.422
126.222
Mio. Stück
2.361,9
4.638,1
800,0
88,9
7.889
Tabelle 1: CD-Mengen weltweit im Jahr 1998
Diagramm 1: CD-Mengen weltweit 1998
Angesichts dieser Dimensionen stellt sich die Frage nach einer sinnvollen Wiederverwertung anstelle
von Unmengen nicht mehr brauchbarer CDs (man muss allerdings auch im Auge behalten, dass die
CD ein Gebrauchsgegenstand ist, der oftmals über Jahre benutzt oder aufbewahrt wird). Zunächst kann
festgestellt werden, dass die CD ein Verbund aus Polycarbonat (99%), Aluminium (bzw. Silber oder
Gold), Lack und Druckfarbe ist. Durch spezielle Verfahren können ca. 85% des Polycarbonats
wiederaufbereitet werden.
Verarbeitung von CD-Abfällen:
Um hochwertiges Polycarbonat zu erhalten benötigt man verschiedene Schritte, durch die die CD von
übrigen Stoffresten gesäubert wird. Zunächst werden sichtbare Fremdkörper (wie z.B. Drähte) und
CDs mit Goldbeschichtung (da diese anders aufbereitet werden als der überwiegende Anteil von CDs
mit Aluminium bzw. Silberbeschichtung) aussortiert. Danach werden die CDs vermahlen, entstaubt
und mit Hilfe eines Magnetabscheiders von metallischen Resten befreit. Nun folgt die nasschemische
Aufbereitung. Dabei taucht man das Mahlgut in verdünnte Natronlauge, welche die Schichten löst und
dadurch das Polycarbonat von dem Aluminium bzw. Silber, den Lacken und der Druckerfarbe trennt.
Um eine schnellere und effektivere Trennung zu erreichen verwendet man dazu noch Rührvorgänge
und Reibung.Anschließend wird durch Zentrifugen das Entschichtungsgemisch von dem Polycarbonat
getrennt. Nach einem gründlichen Wasch- und Trockenvorgang läuft der Kunststoff dann noch einmal
durch den Magnetabscheider und nun zur Neuverarbeitung zur Verfügung.
Neuverwendung:
Das so erhaltene CD-Recyclat kann nicht für neue CDs verwendet werden, da hierfür die
Anforderungen der Industrie an die optischen Eigenschaften zu hoch sind. Deswegen legiert man das
Polycarbonatmahlgut mit dem Kunststoff ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und stellt so PC/ABSBlends her. Diese unterscheiden sich nicht merklich von Neuware und aus ihnen können Produkte im
Bereich der Medizintechnik, der Computer-, Automobil-, Spielwaren- oder Haushaltswarenindustrie
hergestellt werden.
Abschluss:
Weltweit gibt es nur drei größere Wiederaufbereitungsanlagen: Die Firma Bayer-AG (Deutschland),
die Firma Nisar (Amerika; 3000-4000t jährlich) und die Firma Newcycle GmbH (Deutschland). Für
die Wiederaufbereitung in Deutschland 1998 ergibt sich:
Firma
Bayer AG
Newcycle GmbH
Aufbereitete CDs 1998
Stück [in Mio]
353
57
Aufbereitete CDs 1998
t
5000
800
28
Tabelle 2: Aufbereitete CDs in Deutschland 1998
Zählt man 4000t aufbereiteter CDs von der Firma Nisar dazu, so wurden 9800 t von 126.222t und
somit 7,8% von den produzierten CDs 1998 recycled. Dabei ist zu bemerken, dass die verwerteten
CDs vornehmlich nicht aus Privathaushalten sondern aus Über- und Fehlproduktionen bzw. nicht
verkauften Computerzeitschriften stammen. Nennenswert ist zudem die Erweiterung des
Wiederaufbereitungswerks von der Bayer AG, durch die ab 1998 jährlich 6000t Polycarbonatmahlgut
gewonnen werden können.
Diagramm 2: Aufbereitungsmenge im
Vergleich zur Produktionsmenge im Jahr
1998
Diagramm 3: Polycarbonat-Bilanz mit geschätzten
Werten
29
7.2. Versuch: Hydrolyse von Makrolon als Modellversuch für rohstoffliches Recycling
Das Trägermaterial einer CD wird in kleine Stückchen
zerschnitten. 5 Gramm dieser Stückchen werden in einen
Rundkolben gegeben. Dazu gibt man 20 g
Triethylenglykol und 5g Kaliumhydroxid. Dieses
Gemisch erhitzt man unter Rückfluss ca. 20 Minuten bis
zum Sieden. Die siedende Lösung verfärbt sich rasch
braun. Die Polycarbonatstückchen lösen sich dabei auf.
Nach dem Abkühlen erhält man eine bräunliche Lösung.
33 Hydrolyse von
Polycarbonat
Diese Lösung gießt man nach Abkühlung in einen Messzylinder in 80
Milliliter Wasser. Zu dieser Lösung gibt man einige Milliliter
konzentrierte Schwefelsäure. Sofort beobachtet man die Abscheidung
eines braunen Öles an der Oberfläche. Bei diesem Öl handelt es sich
um Bisphenol-A. Bei dieser von uns angewandten, stark vereinfachten
Methode erhalten wir Bisphenol-A in verunreinigter Form. Reines
Bisphenol-A sollte heller sein.
34 Eine Schicht aus
Bisphenol-A setzt sich ab.
30
9.
Fazit
Am Ende unseres Projektes über die „Chemie der optischen Datenspeicher“ stellen wir fest, dass
selbst der kleine Ausschnitt, den wir zu der Thematik bearbeiten konnten, ein außerordentlich
interessantes und vielfältiges Betätigungsfeld eröffnet. Jetzt ist die Arbeit viel länger geworden als
geplant, und das obwohl wir auf die Darstellung interessanter Ergebnisse, wie etwa der Frage nach der
Zukunft der optischen Datenspeicher, die wir auch bearbeitet haben, aus Platzgründen verzichtet
haben. Das bietet sicher Raum für weitere interessante Beschäftigungsmöglichkeiten mit dieser oder
ähnlichen Fragestellungen.
Diese Projektarbeit wurde erarbeitet von dem Grundkurs Chemie, Jahrgangsstufe 13, der
Liebfrauenschule Vechta im Jahr 2006 mit
Bartel, Andrea; Blömer, Franziska; Böging, Katharina; Däubler, Miriam; Ehrenborg, Stefanie;
Heide, Rebecca v.d.; Heitmann, Anja; Hoyng, Karina; Klostermann, Maria; Koch, Stefanie;
Krause, Maike; Mast, Inna; Punte, Karin; Schäfer; Ann-Kathrin; Scheper, Christina; Wahle,
Anja; Wilkens, Vera und als Fachlehrer Martin Ratermann
31