Konservierung von Daten – mit Chemie - Liebfrauenschule Vechta
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Konservierung von Daten – mit Chemie - Liebfrauenschule Vechta
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<strong>Konservierung</strong> <strong>von</strong> <strong>Daten</strong> <strong>–</strong><br />
<strong>mit</strong> <strong>Chemie</strong><br />
- Eine Arbeit über optische <strong>Daten</strong>speicher -<br />
E [ ] ]<br />
1<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0<br />
350<br />
-0,1<br />
400 450 500 550 600 650 700 750 800<br />
Wellenlänge [ nm ]<br />
1<br />
blau<br />
gelb<br />
grün<br />
pink<br />
rot<br />
schwarz<br />
Ein Beitrag des Grundkurses <strong>Chemie</strong> der <strong>Liebfrauenschule</strong> <strong>Vechta</strong> zum<br />
Wettbewerb „<strong>Chemie</strong> und Schule 2005/2006“<br />
<strong>Konservierung</strong> <strong>–</strong> Werte schützen und erhalten <strong>mit</strong> <strong>Chemie</strong>
<strong>Konservierung</strong> <strong>von</strong> <strong>Daten</strong> <strong>–</strong> <strong>mit</strong> <strong>Chemie</strong><br />
- Eine Arbeit über optische <strong>Daten</strong>speicher -<br />
1. „Hilfe, wir verschwinden <strong>–</strong> Das digitale Desaster“<br />
2. Vorstellung und Eingrenzung des Themas<br />
3. Grundsätzliches zum Aufbau und zur Funktion <strong>von</strong> CD-Rs und<br />
DVD-Rs<br />
4. Die Farbstoffe<br />
Ein Lösungs<strong>mit</strong>tel für Farbstoffe in CD-Rs und DVD-Rs<br />
Fotometrische Untersuchnungen der Farbstoffe<br />
Farbstoffsynthesen<br />
Azofarbstoffe<br />
Cyanine<br />
Phthalocyanine<br />
Farbstoffe in schwarzen und bunten CDs<br />
UV-Empfindlichkeit der Farbstoffe<br />
Temperaturempfindlichkeit der Farbstoffe<br />
5. Untersuchung der Spurabstände bei CD-Rs und DVD-Rs<br />
(ein Exkurs in die Physik)<br />
6. Die Metalle<br />
6.1 Allgemeine Informationen zu den in CDs und CD-Rs verwendeten Metallen Nachweis <strong>von</strong><br />
Legierungsbestandteilen<br />
6.2 Versuch zur Identifizierung der Metallsorte<br />
7 Der Kunststoff<br />
7.1 Polycarbonat - Makrolon<br />
7.2 Dichtebestimmung<br />
7.3 Brennprobe<br />
7.4 Löslichkeit<br />
8 Recycling <strong>von</strong> CDs<br />
8.1 Allgemeines<br />
8.2 Versuch zum Rohstofflichen recycling des Polycarbonats<br />
9 Fazit<br />
2
1. „Hilfe, wir verschwinden <strong>–</strong> Das digitale Desaster“<br />
Ihren Titel teilt diese Einleitung <strong>mit</strong> einem Film des NDR vom 14.11.2003. Zu klären bleibt lediglich,<br />
was ein angebliches „digitales Desaster“ <strong>mit</strong> der <strong>Konservierung</strong> <strong>von</strong> Werten durch die <strong>Chemie</strong> zu tun<br />
haben soll.<br />
Ein Brainstorming zum Thema der <strong>Konservierung</strong> unter der Beteiligung der <strong>Chemie</strong> führt zunächst<br />
einmal zu materiellen Werten wie Lebens<strong>mit</strong>teln, Kosmetika, Baustoffen et cetera. Neben diesen kennt<br />
unsere Gesellschaft aber auch noch die in der Philosophie als abgeleitete, künstliche Werte<br />
bezeichneten Begriffe wie z.B. Freiheit und Gerechtigkeit. Die Werte einer Gesellschaft sind vor allem<br />
durch ihre kulturellen Errungenschaften und ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse gegeben, also die<br />
Fülle der ihr zur Verfügung stehenden Informationen unterschiedlichster Art. Darum haben wir<br />
beschlossen uns <strong>mit</strong> der <strong>Konservierung</strong> dieser immateriellen aber nicht minder wichtigen Werte zu<br />
beschäftigen. Bei dieser <strong>Konservierung</strong> <strong>von</strong> Informationen kommt es vor allem auf die Qualität und<br />
die Quantität der in einem „Speicher“ aufbewahrten Werte an.<br />
Diese Art der Wertsicherung beschäftigt die Menschheit schon seit Jahrtausenden. Im vierten<br />
Jahrtausend vor Christus drückten Sumerer in Mesopotamien Keile in noch weiche Tontafeln und<br />
ließen diese dann aushärten oder meißelten Informationen in Steintafeln. Während sich die Erde<br />
weiterhin Jahr um Jahr um die Sonne drehte, entwickelten die Menschen Papyrus, Pergament und<br />
letztendlich Papier, auf die sie <strong>mit</strong> farbigen Tinten schrieben. Während die Verwendung <strong>von</strong> Tontafeln<br />
noch eine hauptsächlich physikalisch bestimmte Methode war, bedeuteten die farbigen Tinten den<br />
beginnenden Einfluss der <strong>Chemie</strong> auf die Informationskonservierung. Zweierlei unterscheidet jedoch<br />
alle <strong>Konservierung</strong>smethoden vor der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts <strong>von</strong> ihren Nachfolgern.<br />
Auch wenn Informationen vielleicht in Geheimschriften verfasst waren, so waren sie, ob auf einer<br />
Tontafel oder einem Papier, immer für den Menschen selbst erkennbar und letztendlich zu entnehmen.<br />
„Das digitale Desaster“ … heute liegen alle Informationen nur noch verschlüsselt nach ASCII im<br />
dualen Zahlensystem vor und sind ohne eine Gerät zum Auslesen bestenfalls in einem sehr<br />
langwierigen Prozess der Rückübersetzung zu erhalten. Außerdem vermögen wir heute im Gegensatz<br />
zur Welt vor dem Siegeszug des Digitalen dank einer weit entwickelten Elektronik immer mehr<br />
Informationen auf immer kleinerem Raum unterzubringen.<br />
Die Fülle der digitalen Medien zur Speicherung/<strong>Konservierung</strong> <strong>von</strong> Information wächst eben so<br />
schnell wie die Informationsmenge der vernetzten Welt an sich, daher werden wir uns bei unseren<br />
Ausführungen auf das Medium der optischen Plattenspeicher (z.B. CD oder DVD), besonders aber auf<br />
die beschreibbaren und wieder beschreibbaren konzentrieren, da bei ihnen u.a. die <strong>Chemie</strong> der<br />
Farbstoffe eine besondere Rolle spielt. Dabei soll zunächst genauestens untersucht werden, wie die<br />
<strong>Konservierung</strong> <strong>von</strong> Informationen auf diesen heutzutage alltäglich benutzten Gegenständen<br />
funktioniert.<br />
Die Tontafeln der Sumerer waren zerbrechlich und anfällig für Verwitterung aller Art. Ein Feuer<br />
vernichtete in Alexandria die größte und bedeutendste Bibliothek ihrer Zeit, die <strong>mit</strong> Schriftrollen<br />
gefüllt war. Doch solche Katastrophen wie das Feuer waren gar nicht nötig, etwas Essig aus der Küche<br />
vermochte Pergament und Papyrus schwer zu beschädigen oder zu zerstören. Wie sicher sind also<br />
unsere modernen digitalen <strong>Daten</strong>träger? Welche eher alltäglichen Dinge führen unsere<br />
<strong>Konservierung</strong>smaßnahmen ad absurdum, indem sie die Plattenspeicher und auf ihnen abgelegte<br />
Informationen schädigen?<br />
Wenn wir uns also ausreichend <strong>mit</strong> den <strong>von</strong> uns selbst entwickelten Fragestellungen auseinander<br />
gesetzt haben, werden wir hoffentlich auch wissen, ob wir, wie es der Titel des NDR Filmes<br />
suggeriert, fürchten müssen, dass unsere digitalen Medien (d.h. in unserem Falle die optischen<br />
Plattenspeicher) uns kaum überleben und eben nicht wie z.B. einige Bücher und Schriftrollen bzw.<br />
Keilschrifttafeln die Jahrtausende überstehen. Sollte dies der Fall sein, dann wäre der Titel tatsächlich<br />
ein Hilferuf und ein Ansporn das Problem schnellst möglich auch unter Zuhilfenahme der <strong>Chemie</strong> zu<br />
lösen, weil wir auf ein digitales Desaster zusteuerten.<br />
3
2. Vorstellung und Eingrenzung des Themas der Arbeit<br />
Es gibt im digitalen Zeitalter viele Möglichkeiten, Informationen dauerhaft zu speichern. Vermutlich<br />
an allen ist die <strong>Chemie</strong> maßgeblich beteiligt. Wir haben uns vorgenommen, die Bedeutung der <strong>Chemie</strong><br />
an einem der vielen möglichen modernen Beispiele exemplarisch zu untersuchen. Weil wir auch ein<br />
Alltagsphänomen untersuchen wollten und wohl jeder alltäglich <strong>mit</strong> optischen <strong>Daten</strong>speichermedien<br />
umgeht, haben wir uns für die Behandlung <strong>von</strong> optischen <strong>Daten</strong>speichern, speziell <strong>von</strong> beschreibbaren<br />
CD-Rs und DVD-Rs, entschieden.<br />
Wir haben uns vorgenommen, Aufbau und Funktion der Speichermedien in Grundzügen zu erklären<br />
und jeweils einzelne v.a. chemische Aspekte experimentell zu untersuchen. Dafür haben wir in<br />
unserem <strong>Chemie</strong>-Grundkurs der Jahrgangsstufe 13 verschiedene Fragestellungen entwickelt, die<br />
jeweils <strong>von</strong> Schülerinnen des Kurses selbstständig bearbeitet wurden. In der folgenden Arbeit sind<br />
diese Beiträge zusammengefasst.<br />
3. Grundsätzliches zum Aufbau und zur Funktion <strong>von</strong> CD-Rs und DVD-Rs<br />
Eine CD-R (CD-recordable) ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Die erste Schicht wird aus einem<br />
hochtransparenten Kunststoff, einem Polycarbonat, gebildet. Darauf ist eine sehr dünne Schicht aus<br />
organischen Farbstoffen (Dyes) aufgetragen, an die sich eine metallische Reflektionsschicht<br />
anschließt. Auf der Metallschicht ist eine schützende Schicht aus einem UV-härtenden Kunststoff<br />
aufgebracht, die bei einigen Rohlingen bedruckt ist. Bei einer CD-R ist eine spiralförmige Rille in die<br />
Kunststoffschicht eingelassen. Diese Rille bezeichnet man als Groove oder Pregroove. Die Rille ist 0.7<br />
µm dünn und dient der Führung des Lasers. Der Laser fährt diese Rille <strong>von</strong> innen nach außen ab.<br />
Bereits vor dem ersten Schreibvorgang sind auf dieser Rille Informationen gespeichert, die z.B. zur<br />
Feinjustierung des Lasers dienen.<br />
Beim Beschreiben ,“Brennen“, der CD-R wird <strong>mit</strong> einem energiereichen Infrarot-Laser <strong>mit</strong> Licht der<br />
Wellenlänge 780 nm die Farbstoffschicht lokal erwärmt. Dabei verändert der Farbstoff seine<br />
Absorptionseigenschaften. So entsteht ein Muster aus stark und schwach reflektierenden Bereichen<br />
(Pits und Lands). Dieses Muster enthält die gespeicherte Information. Mit einem Laser <strong>mit</strong><br />
schwächerer Energie wird die Reflexion der Metallschicht ausgewertet.<br />
DVD-Rs haben einen prinzipiell gleichen Aufbau. Allerdings ist die Rille, das Groove, sehr viel<br />
kleiner und es wird ein Laser <strong>mit</strong> einer Wellenlänge <strong>von</strong> 650 oder 635 nm verwendet. Deshalb müssen<br />
auch andere Farbstoffe als in CD-Rs verwendet werden.<br />
1 Aufbau einer CD-R (Quelle: http://www.gigatain.com/eng/querschnitte_cd-r.php)<br />
Je nach verwendetem Farbstofftyp der CD-Rs ist bereits <strong>mit</strong> bloßem<br />
Auge zu erkennen, dass sich nach dem Beschreiben zunächst innen<br />
die Reflektionseigenschaften des Rohlings verändert haben.<br />
2 Rohling, etwa zur Hälfte „gebrannt“<br />
4
4 Die Farbstoffe<br />
4.1 Ein Lösungs<strong>mit</strong>tel für Farbstoffe in CD-Rs und DVD-Rs<br />
In einem ersten Experiment sollte ein geeignetes<br />
Lösungs<strong>mit</strong>tel für die auf CD-Rs und DVD-Rs<br />
befindlichen Farbstoffe gefunden werden. Die<br />
Farbstoffe sollten später fotometrisch untersucht<br />
werden. Dafür wurden CD-Rs in kleinere<br />
Stückchen geschnitten und Proben in vier<br />
Reagenzgläser gegeben. Für erste Untersuchungen<br />
zur Löslichkeit wählten wir typische<br />
Lösungs<strong>mit</strong>tel <strong>mit</strong> unterschiedlichen Polaritäten.<br />
Durchführung: In Reagenzglas 1 gaben wir<br />
Wasser, in Reagenzglas 2 1-Propanol, in<br />
Reagenzglas 3 Aceton und in Reagenzglas 4<br />
Hexan.<br />
Beobachtung: In Wasser und Hexan lösten sich<br />
die Farbstoffe nicht. In Aceton und 1-Propanol<br />
lösten sich die Farbstoffe sehr gut. Aceton griff<br />
aber auch die Polycarbonatschicht an. Dadurch<br />
trübte sich die Lösung schnell ein. Für die<br />
folgenden Experimente verwendeten wir daher<br />
1-Propanol als Lösungs<strong>mit</strong>tel. 3 CD-R-Stücke in vlnr: Wasser, 1-Propanol,<br />
Aceton, Hexan<br />
4.2 Fotometrische Untersuchung der Farbstoffe<br />
Durchführung: Ausgewählte CD-Rs und DVD-Rs wurden in Schnipsel zerschnitten. Die Farbstoffe<br />
wurden <strong>mit</strong> 1-Propanol <strong>von</strong> den Kunststoffstückchen gelöst. Die Lösungen wurden filtriert.<br />
Anschließend wurden die Lösungen fotometrisch untersucht.<br />
4 Lösungen <strong>von</strong> Farbstoffen aus CD-Rs (die ersten acht Reagenzgläser <strong>von</strong> links) und DVD-Rs (beide<br />
Reagenzgläser recht)s in 1-Propanol<br />
5
E [ ]<br />
3<br />
2,5<br />
2<br />
1,5<br />
1<br />
0,5<br />
-0,5<br />
CD-Farbstoffe<br />
0<br />
400 500 600 700 800 900<br />
Wellenlänge [nm]<br />
5 Absorptionsspektren <strong>von</strong> Farbstoffen aus CD-Rs und einer DVD-R<br />
6<br />
black<br />
DVD<br />
Fuji<br />
Imation<br />
PHBG6<br />
Ergebnisse:<br />
- Die Farbstoffe in CD-Rs absorbieren im Wellenlängenbereich <strong>von</strong> 650 <strong>–</strong> 720 nm.<br />
- Weitere Recherchen ergeben: Bei den drei Farbstoffen, die nur eine geringe Absorption<br />
oberhalb <strong>von</strong> 700 nm zeigen, handelt es sich um Phthalocyanine (Fuji, TDK, black). Die<br />
Farbstoffe <strong>mit</strong> einem intensiven Absorptionsmaximum bei 700 nm sind Cyanine. Der<br />
Farbstoff <strong>mit</strong> einem intensiven Absorptionsmaximum bei 640 nm ist ein Azofarbstoff.<br />
- Die Farbstoffe in DVD-Rs absorbieren geringe Wellenlängen im Bereich <strong>von</strong> 500 bis<br />
600 nm. Mehrere <strong>von</strong> uns untersuchte Farbstoffe aus DVD-Rs zeigten ein identisches<br />
Absorptionsverhalten.<br />
- Bei der Untersuchung <strong>von</strong> Double-Layer-DVD-Rs ergab sich, dass diese nur einen<br />
Farbstoff enthalten.<br />
-<br />
Es erscheint logisch, dass die Farbstoffe in DVD-Rs kürzere Wellenlängenbereiche absorbieren. Das<br />
Absorptionsverhalten der Farbstoffe muss der Wellenlänge des Lasers (bei CD-Rs 780 nm, bei DVD-<br />
Rs 650, nm angepasst sein. Durch die kleinere Wellenlänge des Lasers werden Pits und Lands kleiner<br />
und die Speicherkapazität der DVD wesentlich größer als die einer CD.<br />
4.3 Allgemeines zu den Farbstoffen und Synthese <strong>von</strong> Modellsubstanzen<br />
Für CD-Rs und DVD-Rs werden Farbstoffe aus unterschiedlichen Farbstoffklassen verwendet:<br />
Phthalocyanine, Cyanine, Azofarbstoffe und Formazane. Diesen Farbstoffen werden in der Literatur<br />
jeweils unterschiedliche Eigenschaften zugesprochen. Einige dieser Eigenschaften haben wir im<br />
Rahmen dieser Arbeit untersucht.<br />
In diesem Kapitel beschreiben wir einige grundlegende Aspekte der einzelnen Farbstoffklassen und<br />
versuchen die Synthese <strong>von</strong> Modellsubstanzen. Die konkreten Strukturen der <strong>von</strong> den Firmen<br />
verwendeten Farbstoffe sind Betriebsgeheimnisse und insofern nicht recherchierbar.<br />
Sony<br />
TDK
4.3.1 Azofarbstoffe<br />
Allgemeines<br />
Diese wichtige Gruppe <strong>von</strong> Farbstoffen umfasst eine größere Zahl <strong>von</strong> Verbindungen als alle anderen<br />
Farbstoffklassen zusammen. Azofarbstoffe haben die allgemeine Formel R 1 -N=N-R 2 , wobei die<br />
beiden Reste R 1 und R 2 identisch oder verschieden sein können. Beispiel:<br />
6 Alizarengelb R, ein Azofarbstoff<br />
Azoverbindungen sind in der chemischen und pharmazeutischen Industrie als Ausgangsprodukte <strong>von</strong><br />
Bedeutung. So lassen sich beispielsweise aus Azobenzol bestimmte Pharmazeutika und Farbstoffe<br />
gewinnen.<br />
Die Herstellung der meisten Azofarbstoffe erfolgt durch Einwirkung einer Diazoniumverbindung auf<br />
ein Amin oder Phenol.<br />
Herstellung und spektroskopische Untersuchung eines Modellfarbstoffes<br />
(Versuchsvorschrift nach Berneth, Dr. Horst: Farbstoffe eine Übersicht, Bayer-AG 2001)<br />
Herstellung der Diazoniumsalzlösung<br />
Eine Spatelspitze (ca. 0.1 g) 4-Nitro-2-aminophenol-6-sulfonsäure wird in einer Petrischale in 10<br />
ml Wasser <strong>mit</strong> Hilfe <strong>von</strong> ca. 5 Tropfen Sodalösung gelöst. Nach Zugabe <strong>von</strong> ca. 10 Tropfen Ni-<br />
tritlösung wird zügig zu einer Mischung aus 2 ml Salzsäure und 3 ml Wasser gegeben. Nitritpapier<br />
muß blau werden. Die Diazotierung ist nach 1-2 min beendet. Mit einigen Tropfen<br />
Amidosulfonsäurelösung wird der Nitritüberschuß zerstört.<br />
Kupplung auf Chicago-Säure SS<br />
Eine Spatelspitze 4-Amino-5-naphthol-1,3-disulfonsäure-Mononatriumsalz (Chicago-Säure SS)<br />
wird in einer Petrischale in 5 ml Wasser unter Zusatz <strong>von</strong> 20-30 Tropfen Sodalösung gelöst. Man<br />
gibt ca. 2 ml der Diazoniumsalzlösung dazu. Der Kupplungs-pH-Wert ist alkalisch. Es bildet<br />
sich die Lösung eines leicht rotstichig blauen Farbstoffs.<br />
Kupferkomplex des Azofarbstoffs<br />
Die Hälfte der blauen Farbstofflösung wird <strong>mit</strong> ca. 10 Tropfen Essigsäurelösung schwach<br />
angesäuert und <strong>mit</strong> ca. 10 Tropfen Kupfersulfatlösung versetzt. Nach kurzem Verrühren ist die<br />
Bildung des leicht rotstichig blauen Kupferkomplexes abgeschlossen.<br />
7<br />
Erhaltener Azofarbstoff 8<br />
Kupferkomplex des Azofarbstoffes<br />
7
Der erhaltene rotstichig blaue Farbstoff ähnelt (sicher nur <strong>von</strong> der Farbe und her) den Azofarbstoffen,<br />
die für CD-Rs Verwendung finden. Der Kupferkomplex soll als Modellsubstanz für den „Metal-Azo“-<br />
Farbstoff in einigen CD-Rs gelten.<br />
E [ ]<br />
1,4<br />
1,2<br />
1<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0<br />
8<br />
Azofarbstoff<br />
Cu-Komplex des<br />
Azofarbstoffes<br />
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800<br />
Wellenlänge [nm]<br />
9 Erhaltener Azofarbstoff 10 Absorptionsspektren des Azofarbstoffes und seines<br />
Kupferkomplexes<br />
4.3.2 Cyanine<br />
Als Polyene <strong>mit</strong> Azomethin-Gruppierung sind die Cyanin-Farbstoffe eine Untergruppe der<br />
Polymethin-Farbstoffe. In den am längsten bekannten Cyanin-Farbstoffen sind Phenylringe<br />
Bestandteile des Chinolin-Systems, doch sind auch Thiazol-, Pyrrol-, Imidazol-, Oxazol-Systeme (vor<br />
allem kondensiert) zur Herstellung <strong>von</strong> Cyanin-Farbstoffen herangezogen worden.<br />
11 Ein Cyaninfarbstoff<br />
Verwendung<br />
In der Textilfärberei sind die Cyanin-Farbstoffe wegen ihrer<br />
Farbunechtheit nur ausnahmsweise (z.B. Bassacryl-Farbstoffe)<br />
verwendbar, gelegentlich auch in der Färbung <strong>von</strong> Fett,<br />
Knochengewebe sowie als Anthelmintika und anderer<br />
Pharmazeutika. Das Haupteinsatzgebiet der Cyanin-Farbstoffe<br />
liegt in der Photografie, wo sie als Sensibilisatoren unersetzlich<br />
sind und in organischen Farbstoff-Lasern.
Synthese eines Modellcyanins: Diazahemicyanin-Farbstoff durch oxidative Kupplung<br />
(Versuchsvorschrift nach Berneth, Dr. Horst: Farbstoffe eine Übersicht, Bayer-AG 2001)<br />
0.23 g N-Methyl-benzthiazolinon-hydrazon x HCl x H2O und 0.19 g N-(2-Cyanethyl)-N-(2-hy-<br />
droxyethyl)-anilin werden in einem großen Reagenzglas in 16 ml 1n-Salzsäure unter Umrühren gelöst.<br />
Dann werden einige Körnchen (ca. 5 mg) FeSO4 x 7 H2O zugesetzt und kurz umgerührt. Bei ca. 30°C<br />
(Wasserbad) wird langsam <strong>mit</strong> 6 Tropfen (0.2 ml) Wasserstoffperoxid (35-proz.) versetzt. Wenn dabei<br />
nicht gerührt wird, führt der erste Tropfen zu gut sichtbarer schlierenförmiger Farbstoffbildung. Nach 10<br />
min Stehen bei Raumtemperatur ist die Reaktion praktisch abgeschlossen. Der Farbstoff scheidet sich dabei<br />
teilweise in leicht kristalliner Form aus dem Reaktionsmedium ab.<br />
12 Struktur und Farbe des Diazahemicyanin-Farbstoffes<br />
4.3.3.Phthalocyanine<br />
Allgemein:<br />
Phthalocyanine ist die Bezeichnung für meist grün-blaue, sehr<br />
beständige Verbindungen, die sich beim Erhitzen <strong>von</strong><br />
Phthalosäuredinitril in Chinolin in Gegenwart <strong>von</strong> NH³ oder<br />
Aminen bilden. Sie finden Anwendung als Farbstoffe (Dye) auf<br />
optischen <strong>Daten</strong>trägern (CD-R) und für Kunststoffe sowie als<br />
Photoleiter in Laserdruckern und als Elektrodenmaterial in<br />
Brennstoffzellen.<br />
13 Phthalocyanin-Farbstoff<br />
Herstellung:<br />
Phthalocyanin-Farbstoffe entstehen durch die Reaktion <strong>von</strong> Phthalosäuredinitril <strong>mit</strong> Alkoholaten,<br />
Metalloxiden, Metallsalzen <strong>mit</strong> nachfolgender Chlorierung, Sulfonierung usw.. Durch Sulfonierung<br />
erhält man lösliche Phthalocyanin-Farbstoffe, und durch Einführung <strong>von</strong> Halogenen kann man die<br />
Farbe beeinflussen.<br />
9
Synthese eines Modellphthalocyanins<br />
Die Klassische Methode:<br />
1. Zuerst mischt man 0,5 g Phthalsäureanhydrid, 0, 5 g Harnstoff, 0,1 Kupfer(II)chlorid und etwas<br />
Ammoniummolybdat in dem Porzellantiegel.<br />
2. In einem vorgeheizten Ofen erhitzt man das Gemisch für ca. 10 Minuten auf 200 °C, wobei sich die<br />
bildende Schmelze blau verfärbt.<br />
14 Reaktionssymbol für die Phthalocyaninsynthese<br />
(Quelle: wwww.lambdasyn.com/synfiles/kupferphthalocyanin.com)<br />
3. Das Reaktionsgemisch löst man nach dem Abkühlen vorsichtig in 5 ml konz. Schwefelsäure<br />
und gießt die entstandene Lösung langsam in 30 ml Wasser. Beim Abkühlen sollte der Phthalocyanin-<br />
Farbstoff ausfallen.<br />
4.<br />
15 Reaktionsgemisch nach einer Minute und nach 10 Minuten im Wärmeschrank, Suspension des<br />
Farbstoffes in Schwefelsäure<br />
Synthese in eines Mikrowelle<br />
Es wird das oben beschriebene Gemisch hergestellt. Dem<br />
Reaktionsgemisch werden drei Tropfen Wasser zugegeben.<br />
Das Gemisch stellt man für 30 Sekunden in eine<br />
Mikrowelle <strong>mit</strong> 600 Watt Leistung.<br />
Beobachtung: Bereits nach wenigen Sekunden tritt eine<br />
deutliche Blaufärbung auf, die auf das Entstehen des<br />
Kupferphthalocyanins hindeutet.<br />
16 Kupferphthalocyanin aus der Mikrowelle<br />
10
4.3.4 Formazane<br />
Formazane ist die Bezeichnung für die Atomgruppierung H2N-N=CH-N=NH, <strong>von</strong> der sich nicht nur<br />
einige Reaktivfarbstoffe (Formazan-Farbstoffe) ableiten, sondern auch durch Dehydrocyclisierung<br />
Tetrazolium-Salze. Einige 1,3,5-trisubstituierte Vertreter bilden tief gefärbte Metallchelate, die zu<br />
photometrischer Bestimmung geeignet sind.<br />
4.4 Farbstoffe in schwarzen und bunten CDs<br />
17 Durchgefärbte Rohlinge<br />
Vereinzelt befinden sich CD-Rohlinge <strong>mit</strong> durchgefärbten Makrolonschichten auf dem Markt. Für uns<br />
stellte sich die Frage, ob die in der Makrolonschicht enthaltenen Farbstoffe den Brenn- oder<br />
Auslesevorgang der CD-Rs stören könnten. Wir untersuchten also das Absorptionsverhalten der<br />
Farbstoffe. Dazu mussten wir zunächst die Farbstoffe aus dem Kunststoffmatrix herauslösen. Als<br />
Lösungs<strong>mit</strong>tel für Polycarbonat erwies sich Dichlormethan als geeignet (vgl. Kap. 7.2 ) Dazu wurden<br />
kleine Stückchen aus den CD-Rs herausgeschnitten.<br />
Diese wurden zunächst in in kleinen Bechergläsern in Propanol gelegt. Dabei lösten sich die<br />
Farbstoffe der Dye-Schicht und gleichzeitig metallische Bestandteile ab. Zurück blieben die farbigen<br />
Polycarbonatstückchen.<br />
18 Ablösen der Dye-Schicht und der Metallschicht<br />
11
Die Polycarbonatstückchen wurden auf Reagenzgläser verteilt und <strong>mit</strong> Aceton (1. Serie) bzw.<br />
Dichlormethan (2. Serie) versetzt. Mit Dichlormethan wurden klare Lösungen erhalten, die<br />
fotometrisch untersucht werden konnten.<br />
19 Gefärbte Polycarbonatstückchen in Aceton (linke Serie) und Dichlormethan (rechte Serie)<br />
E [ ] ]<br />
1<br />
0,9<br />
0,8<br />
0,7<br />
0,6<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0<br />
350<br />
-0,1<br />
400 450 500 550 600 650 700 750 800<br />
Wellenlänge [ nm ]<br />
20 Spektren der Farbstoffe aus der Polycarbonatmatrix<br />
12<br />
blau<br />
gelb<br />
grün<br />
pink<br />
rot<br />
schwarz<br />
Ergebnis: Es fällt auf, dass keiner der Farbstoffe Wellenlängen oberhalb <strong>von</strong> 700 nm absorbiert.<br />
Dadurch dürfte der Lesevorgang <strong>mit</strong> dem Laser der Wellenlänge 780 nm erwartungsgemäß nicht<br />
beeinträchtigt werden. Anders als die Farbstoffe der Dye-Schicht sollten sich diese Farbstoffe beim<br />
Schreibvorgang nicht verändern.
1: Wellenlänge und Lichtfarbe<br />
21 Schwarze CD-R im Gegenlicht Tabelle<br />
Im Durchlicht ist zu erkennen, dass die schwarze CD-R eigentlich tiefrot ist. Dieses Phänomen lässt<br />
sich erklären: Betrachten man die Tabelle <strong>mit</strong> den Wellenlängen des Lichtes, erkennt man, dass nach<br />
Absorption aller Wellenlängenbereiche bis 700 nm nur noch sichtbares Licht im Rotbereich übrig<br />
bleibt.<br />
DVD-Laufwerke können derartig gefärbte CD-Rs meistens nicht auslesen, da sie <strong>mit</strong> einer<br />
Wellenlänge <strong>von</strong> 650 nm arbeiten.<br />
4.5 UV-Empfindlichkeit der Farbstoffe<br />
Wellenlänge des Farbe des Komplementär<br />
Lichtes<br />
Lichtes<br />
farbe<br />
350 - 400 nm Ultraviolett<br />
400 - 435 nm violett gelbgrün<br />
435 - 480 nm blau gelb<br />
480 -490 nm grünblau orange<br />
490 - 500 nm blaugrün rot<br />
500 - 560 nm grün purpur<br />
560 - 580 nm gelbgrün violett<br />
580 - 595 nm gelb blau<br />
595 - 605 nm orange grünblau<br />
605 - 750 nm rot blaugrün<br />
22 Diese CD-R lag lange in der Sonne auf einer Fensterbank.<br />
Es ist bekannt, dass CD-Rs abhängig <strong>von</strong> den verwendeten Farbstoffen unterschiedlich empfindlich<br />
auf Licht bzw. UV-Bestrahlung reagieren. Die in Abb. 22 dargestellte CD wurde durch Sonnenlicht<br />
stark geschädigt. Um Zusammenhänge zwischen Lichteinstrahlung und Lesefehlern auf den CD-Rs zu<br />
untersuchen, legten wir <strong>mit</strong> der Software „feurio“ ein Image einer (frei kopierbaren) CD auf der<br />
Festplatte unseres PCs an und kopierten dieses Image auf drei verschiedene CD-Rs.<br />
13
23 Untersuchte CD-Rs<br />
Diese CDs setzten wir über Tage eine Bestrahlung <strong>mit</strong> der im Labor befindlichen UV-Lampe aus. Im<br />
Abstand einiger Tage überprüften wir die Anzahl der Lesefehler <strong>mit</strong> dem Freeware-Programm CD-<br />
Vergleich. Lesefehler traten auch nach einigen Tagen nicht auf.<br />
Dann setzten wir die CD-Rs auf der Fensterbank über einen Monat einer intensiven Sonnestrahlung<br />
(Sommer 2006) aus und wiederholten unsere Analyse. Ein Rohling (TDK-R Audio) hatte sich bereits<br />
optisch stark verändert und zeigte eine sehr hohe Lesefehlerrate (Abb. 24). Der schwarze Rohling wies<br />
ebenfalls viele Fehler auf , nur der Rohling der Marke Fuji war recht unempfindlich gegen die<br />
Sonneneinstrahlung.<br />
Festgestellte Lesefehler nach vier Wochen Sonnenbestrahlung:<br />
Fuji : 148 Bytes Farbstofftyp: Cyanine (Type 0)<br />
TDK-Audio : 155032 Bytes Farbstofftyp: Cyanine (Type 4)<br />
BestMedia blax : 422185 Bytes Farbstofftyp: Phthalocyanine (Type 6)<br />
Ohne jeden Anspruch auf Repräsentativität bestätigt dieses singuläre Ergebnis nicht die Erwartung,<br />
dass Phthalocyanine grundsätzlich unempfindlicher gegenüber Licht bzw. UV-Licht sind als die in<br />
CD-Rs verwendeten Cyanine oder Azofarbstoffe, wie dies zumeist in der Literatur zu finden ist.<br />
Überraschend ist besonders, dass sich gerade der schwarze Rohling als so lichtempfindlich erweist.<br />
24 Rohling der Marke TDK-Audio nach etwa vierwöchiger intensiver Bestrahlung <strong>mit</strong><br />
Sonnenlicht(vorne) und zum Vergleich neuer Rohling der gleichen Marke (hinten).<br />
14
4.6 Temperaturempfindlichkeit der Farbstoffe<br />
Auch die Temperaturempfindlichkeit der Rohlinge ist <strong>von</strong> Bedeutung. Z.B. können die CD-Rs im<br />
Sommer in Autos sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Drei weitere Rohlinge wurden <strong>mit</strong> den<br />
gleichen <strong>Daten</strong> bespielt und in einen etwa 90 °C heißen Trockenschrank gelegt. Im Abstand einiger<br />
Tage wurde wie beschrieben die Fehlerrate bestimmt:<br />
Tag Fuji (Cyanin) TDK (Cyanin) SK (Phthalocyanin)<br />
1 80 50645 49<br />
3 47 42781 47<br />
4 6607 95493 24<br />
5 9335 73981 0<br />
6 30955 2507089 357<br />
7 (einige Stunden 110°C) 31542 3960205 6005<br />
10 21714 548677 4332<br />
11 48038 1429588 1623<br />
12 96939 5055140 7903<br />
25 Fehlerraten <strong>von</strong> CD-Rs nach Wärmebehandlung<br />
Es fällt auf, dass die CD-Rs sehr unterschiedlich auf die Wärmebehandlung reagieren. Offensichtlich<br />
ist die CD der Marke SK relativ unempfindlich, während sich bei der Fuji und besonders bei der TDK<br />
schnell Lesefehler ergeben. Die könnte daran liegen, dass der Phthalocyaninfarbstoff in den SK-<br />
Rohlingen temperaturunempfindlicher ist.<br />
Als am siebten Tag die Temperatur für einige Stunden auf 110°C stieg, ergaben sich viel höhere<br />
Lesefehlerraten. Die weiteren Messungen zeigen, dass offenbar eine gewisse „Regeneration“ auftrat,<br />
nachdem die Temperatur wieder auf 90°C heruntergeregelt war.<br />
Letztlich sind aufgrund dieses Versuches sicher keine verlässlichen Aussagen möglich. Für eine<br />
weitere Arbeit wäre es interessant, derartige Experimente auf mehr CD-R- und DVD-R-Typen<br />
auszudehnen.<br />
15
5.Untersuchung der Spurabstände bei CD-Rs und DVD-Rs (ein Exkurs in die Physik)<br />
Die folgenden Versuche beruhen auf der Eigenschaft der CD, CD-R, DVD und DVD-R aufgrund<br />
ihres Aufbaus als optisches Reflexionsgitter zu wirken. Die Pits bzw. Spuren wirken dabei als Gitter,<br />
an dem Licht gebeugt wird. Die tatsächliche Reflexion des Lichtes z.B. beim Auslesen einer CD<br />
erfolgt an der hinter der Pitstruktur liegenden metallischen Reflexionsschicht (vgl. Teil der Arbeit zum<br />
Aufbau).<br />
Versuch: Wirkung der CD, CD-R, DVD und DVD-R als<br />
Reflexionsgitter<br />
Geräte: 1 Helium-Neon-Laser ( λ = 632.<br />
8nm<br />
), der kohärentes Licht<br />
aussendet; 1 Polarisationsfilter zur ungefährlichen Betrachtung; ein Schirm<br />
<strong>mit</strong> einem Loch in der Mitte, auf den ein weißes Blatt gespannt wird; eine<br />
handelsübliche CD, CD-R, DVD; DVD-R; Messlatten<br />
1 Aufbau:<br />
Durchführung: Der Versuch wird der Skizze gemäß zunächst<br />
<strong>mit</strong> der CD aufgebaut und durch einen<br />
Polarisationsfilter betrachtet. Nach dem<br />
einschalten und dem Ausrichten des Lasers<br />
werden (vgl. Photo1). Der Abstand der<br />
Lichtpunkte zum durchgehenden Strahl wird<br />
gemessen und tabellarisch notiert. Darauf folgt<br />
die Variation des Abstandes zwischen CD und<br />
Schirm. Der Versuch wird für die CD-R, DVD<br />
und DVD-R wiederholt.<br />
1<br />
Diese Abbildung wurde entnommen aus: Eckert u.a.: Low Cost - High Tech, Aulis Verlag Deubner, Köln,<br />
2000, S.48<br />
16
Messdaten:<br />
1.CD<br />
2.CD-R<br />
3. DVD und DVD-R<br />
Abstand b in cm<br />
Abstand d des Helligkeitsmaximums 1.<br />
Ordnung vom durchgehenden Strahl in cm<br />
5 2.45<br />
10 4.75<br />
15 7.1<br />
20 9.1<br />
25 11.5<br />
Abstand b in cm<br />
Abstand d des Helligkeitsmaximums 1.<br />
Ordnung vom durchgehenden Strahl in cm<br />
18.5 9.25<br />
25 12.5<br />
13.3 7<br />
Abstand b in cm<br />
Abstand d des Helligkeitsmaximums 1.<br />
Ordnung vom durchgehenden Strahl in cm<br />
(DVD) 5 8.7<br />
(DVD-R) 8 12.45<br />
(DVD-R) 4.9 9.25<br />
Auswertung: Die Leuchtpunkte<br />
entstehen durch die<br />
Interferenz des an<br />
der Gitterstruktur<br />
der Pits gebeugten<br />
Lichtes (vgl. Abb.<br />
2). Hierbei<br />
entstehen nach<br />
Huygens<br />
genannte<br />
so<br />
Elementarwellen.<br />
Die einzelnen<br />
Teilwellen<br />
interferieren nur<br />
dann konstruktiv,<br />
wenn der<br />
Gangunterschied<br />
zwischen zwei<br />
benachbarten Teilstrahlen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des<br />
Laserlichts ist. Beim Helligkeitsmaximum erster Ordnung entspricht dieser<br />
Gangunterschied ∆ s genau einer Wellenlänge. Ist der in Abb.2 <strong>mit</strong> b<br />
bezeichnete Abstand zwischen CD und Schirm relativ groß, so können die<br />
interferierenden Strahlen als hinreichend parallel angesehen werden.<br />
17
Tabellarische Auswertung der Messergebnisse:<br />
1.CD<br />
2.CD-R<br />
Abstand b in cm<br />
Abstand d des<br />
Helligkeitsmaximums 1.<br />
Ordnung vom<br />
durchgehenden Strahl<br />
in cm<br />
Nun handelt es sich bei dem Polycarbonat der CDs um einen<br />
Feststoff der optisch dichter ist als Luft (Brechungsindex<br />
n=1.584 laut Literatur), d.h. es tritt Lichtbrechung auf. Dieser<br />
Sachverhalt ist in Abb.3 dargestellt. Umfangreichere<br />
rechnerische Überlegungen führten zu dem Ergebnis, dass die<br />
Brechung des Lichtes am Übergang zwischen Polycarbonat<br />
und Luft und die kurzzeitige Ausbreitung des Lichtes durch<br />
ein dichteres Medium vernachlässigt werden kann, da sich ihr<br />
Einfluss auf das Versuchsergebnis erst ab der fünften Stelle<br />
nach dem Komma bemerkbar macht.<br />
Durch physikalische Überlegungen zum Gangunterschied etc.<br />
lassen sich folgende Zusammenhänge er<strong>mit</strong>teln, wobei α der<br />
Winkel ist, um den das Licht zum kten Helligkeitsmaximum<br />
(k ist eine natürliche Zahl) abgelenkt wird.<br />
d<br />
tanα<br />
=<br />
b<br />
k ⋅ λ k ⋅ λ<br />
∧ sinα<br />
⇔ g =<br />
g sinα<br />
In unserem Fall treten nur Maxima 1. Ordnung auf.<br />
18<br />
Ablenkungswinkel α Spurabstand g in µ m<br />
5 2.45 26.105° 1.4381<br />
10 4.75 25.408° 1.4748<br />
15 7.1 25.330° 1.4791<br />
20 9.1 24.466° 1.5279<br />
25 11.5 24.702° 1.5142<br />
Abstand b in cm<br />
Abstand d des<br />
Helligkeitsmaximums 1.<br />
Ordnung vom<br />
durchgehenden Strahl<br />
in cm<br />
Ablenkungswinkel α Spurabstand g in µ m<br />
18.5 9.25 26.565° 1.415<br />
25 12.5 26.565° 1.415<br />
13.3 7 27.759° 1.3587
3.DVD und DVD-R<br />
Abstand b in cm<br />
Abstand d des<br />
Helligkeitsmaximums 1.<br />
Ordnung vom<br />
durchgehenden Strahl<br />
in cm<br />
19<br />
Ablenkungswinkel α Spurabstand g in µ m<br />
(DVD) 5 8.7 60.255° 0.7288<br />
(DVD-R) 8 12.45 57.276° 0.7522<br />
(DVD-R) 9.25 62.089° 0.7161<br />
Fazit: Der Spurabstand bei CDs sollte 1.6 µ m betragen, bei DVDs 0.8 µ m , wobei<br />
die DIN Norm in beiden Fällen eine gewisse Varianz zulässt. So<strong>mit</strong> lässt sich<br />
nach der Betrachtung der experimentell bestimmten Werte sagen, dass die<br />
Spurabstände in Anbetracht der in einer Schule möglichen Messmethoden sehr<br />
genau bestimmt wurden. Bei dieser einfachen Apparatur waren Abweichungen<br />
unvermeidbar.
6. Die Metalle<br />
6.1 Allgemeine Informationen zu den in CDs und CD-Rs verwendeten<br />
Metallen<br />
Einleitung<br />
Das Leichtmetall Aluminium wird üblicherweise als Ausgangsstoff für die Reflexionsschicht bei<br />
herkömmlich gepressten CDs verwendet (auch ersatzweise bei CD-RWs). Dagegen benutzt man<br />
bisher nur die Edelmetalle Gold und Silber für die Reflexionsschicht <strong>von</strong> CD-Rs.<br />
Im folgenden erkläre ich die Gründe für den unterschiedlichen Gebrauch der Stoffe. Außerdem gebe<br />
ich einen Überblick über das Zusammenspiel <strong>von</strong> Reflexionsschicht und der organischen Farbschicht<br />
(Dye) beim Schwerpunktthema der einmal beschreibbaren CDs (CD-Rs).<br />
Aluminiumschicht bei CDs und eventuelle Nachteile des Leichtmetalls<br />
Die ,,einfache’’ CD (Compact Disc), auf der Musik oder <strong>Daten</strong> gespeichert sind, besteht aus drei<br />
Schichten (layers). Unter der bedruckten Oberseite einer CD befindet sich eine Schicht aus Klarlack<br />
(Acryllack→Schutzlackierung), gefolgt <strong>von</strong> einer dünnen Schicht aus Aluminium. Unterhalb dieses<br />
feinen Metallfilms liegt der farblose Kunststoff Polycarbonat, der <strong>mit</strong>hilfe kleiner Vertiefungen die<br />
Informationen speichert. Der Laserstrahl tastet diese ab und gibt sie wieder. Das Aluminium reflektiert<br />
dabei den Laserstrahl.<br />
Nun kann sich die Reaktionsfreudigkeit des unedlen Metalls bei dem großen Sortiment an<br />
Billigangeboten negativ auf die lange Lesbarkeit <strong>von</strong> CDs auswirken. Bei der günstigeren Compact<br />
Disc stellt der seitliche Rand eine empfindliche Schwachstelle dar, da hier eine Lackversiegelung fehlt<br />
und so<strong>mit</strong> das Eindringen <strong>von</strong> Sauerstoff und Wassermolekülen zwischen den Schichten ermöglicht<br />
wird. Die Folge ist, dass das Aluminium über Jahre hinweg zur durchsichtigen Verbindung<br />
Aluminiumhydroxid reagiert.<br />
Zwar bleiben die Vertiefungen in der Polycarbonatschicht erhalten, aber der Laserstrahl wird<br />
nicht mehr reflektiert, sodass der <strong>Daten</strong>träger unlesbar wird.<br />
Dieser chemischen Reaktion kann man vorbeugen, indem der Käufer sich für geringfügig teurere<br />
Markenartikel entscheidet, die generell eine hochwertige Rundumschutzlackierung besitzen und so<strong>mit</strong><br />
ein eventuelles Eindringen <strong>von</strong> Sauerstoff und Wasser an der schmalen Seite verhindern.<br />
Weitere Gründe neben den Reflektionseigenschaften des Metalls für die Auswahl des Aluminiums<br />
sind folgende: Das Leichtmetall ist das dritthäufigste Element und das<br />
häufigste Metall auf der Erde, sodass es noch für einige Jahrzehnte verfügbar ist. Außerdem ist es ein<br />
sehr weiches, zähes Metall, dass man aufgrund seiner hohen Dehnbarkeit und Elastizität gut<br />
verarbeiten kann.<br />
Ein letzter Punkt ist die geringe Dichte dieses Leichtmetalls, es erspart der CD unnötiges Gewicht.<br />
Auch für CD-RWs kann Aluminium als Reflektionsschicht verwendet werden, da es hier nicht zu<br />
chemischen Reaktionen <strong>mit</strong> den benachbarten Schichten ( Schutzlack und ZnS-SiO2 (Dielektrikum))<br />
kommt wie bei der CD-R <strong>mit</strong> dem organischen Farbstoff. Allerdings wird eher eine Silber-Indium-<br />
Antimonium-Tellurium-Legierung als reflektierende Schicht gewählt, da sie im ursprünglichen<br />
Zustand eine für die CD-RW wichtige polykristalline Struktur aufweist.<br />
Gold und Silber als Reflexionsschicht<br />
Die Qualität eines Rohlings hängt besonders stark <strong>von</strong> der Güte der Führungsrille und der<br />
gleichmäßigen Verteilung des Farbstoffs (Dye) ab. Außerdem sind auch die unterschiedlichen<br />
Eigenschaften der drei, auf organische Stoffe basierende, Farbstoffe (Cyanin, Phthalocyanin, Azo)<br />
sowie die darüber liegende Reflektionsschicht aus Gold oder Silber <strong>von</strong> Bedeutung. Bei einem CD-<br />
Rohling ist keine silberfarbene Aluminiumschicht vorhanden, weil das Aluminium zu chemischen<br />
Reaktionen <strong>mit</strong> anderen Farbstoffen führt.<br />
Bei der Unterscheidung <strong>von</strong> Gold und Silber als Reflektionsschicht lohnt es, sich die Eigenschaften<br />
der beiden Edelmetalle heranzuziehen.<br />
20
Neben der guten Reflektionseigenschaften <strong>von</strong> Gold weist dieses Metall eine deutlich höhere<br />
Oxidationsbeständigkeit als die üblichen zum Einsatz kommenden Materialien, wie beispielsweise<br />
Silber, auf. Das heißt, Gold oxidiert nicht; dies ist also der optimale Schutz für die CD-R.<br />
Außer der guten Korrosionsbeständigkeit (Gold wird im Allgemeinen auch nicht <strong>von</strong> Säuren<br />
angegriffen; Ausnahme: Königswasser) besitzt das Edelmetall ebenfalls die Eigenschaft der guten<br />
Verarbeitbarkeit, weil es weich wie Zinn ist. Ein Nachteil ist der hohe Preis wegen seiner Seltenheit.<br />
Aus Kostengründen ist Gold durch Silber ersetzt worden, gleichzeitig ist das Reflektionsvermögen<br />
<strong>von</strong> Silber höher (poliertes Silber zeigt die höchsten Licht-Reflexionseigenschaften aller Metalle,<br />
frisch abgeschiedenes Silber reflektiert über 99,5% des sichtbaren Lichts). Die Lebensdauer einer CD-<br />
R <strong>mit</strong> einer silbernen Reflektionsschicht ist aber dennoch kürzer als die einer CD-R <strong>mit</strong> einer goldenen<br />
Reflektionsschicht. Dies liegt daran, dass Silber korrodiert, wenn es nicht luftdicht verschlossen ist.<br />
Deshalb sollte es sicher durch die vorhandene Lackschicht geschützt werden. Die Schutzschicht beugt<br />
einer Beschädigung der CD durch Kratzer zum einen und durch UV-Strahlen und Feuchtigkeit zum<br />
anderen vor, die den Prozess der Oxidation <strong>von</strong> Silber beschleunigen. Außerdem verhindert sie das<br />
leichte Ablösen der Reflektions- und Speicherschicht. Falls der Acryllack zerkratzt, z.B. durch die<br />
Beschriftung der CD-R <strong>mit</strong> Bleistift oder Kugelschreiber oder durch Transportschäden preiswerter<br />
Massen-CD-Rs auf der Spindel, dringt über die Kratzer Sauerstoff ein. Die Information geht nicht<br />
verloren, sie kann aber mangels Reflexion nicht mehr gelesen werden. Die Lackschicht kann auch<br />
beschädigt werden, wenn Labels aufgeklebt und wieder entfernt werden.<br />
Farbstoff -/ Reflektionsschicht <strong>–</strong> Kombination<br />
Für die Farbe der CD-R sind zwei Faktoren verantwortlich: zum einen der Farbstoff der<br />
Reflexionsschicht, zum anderen der Farbstoff der Schreibschicht.<br />
Durch die Kombination <strong>von</strong> der Reflexionsschicht und dem Farbstoff der Schreibschicht ergeben<br />
sich die folgenden Farben einer CD-R:<br />
Phthalocyanin<br />
(farblos)<br />
Advanced<br />
Phthalocyanin<br />
(farblos)<br />
Reflexionsschicht Gold Reflexionsschicht Silber<br />
gold silber<br />
gold ---<br />
Cyanin (blau) grün hellblau<br />
Azofarbstoff<br />
(dunkelblau)<br />
Formazan<br />
(hellgrün)<br />
--- dunkelblau<br />
gold-grün ---<br />
Das heißt, die goldfarbene CD-R benutzt als Dye Phthalocyanin oder Advanced Phthalocyanin und als<br />
Reflexionsschicht Gold. Phthalolcyanin garantiert eine extreme Widerstandsfähigkeit, bemerkenswert<br />
gute Reflexionseigenschaften und eine äußerste Zuverlässigkeit sowie höchste Kompatibilität <strong>mit</strong> allen<br />
Laufwerken und Brennern. Beide Farbstoffe besitzen einen sehr guten Kontrast zwischen Pits und<br />
Lands.<br />
Da der organische Farbstoff Phthalocyanin transparent ist, scheint auch auf der Unterseite die goldene<br />
Reflexionsschicht durch. Verglichen <strong>mit</strong> andersfarbigen Rohlingen hat dieser goldene Rohling die<br />
besten Reflexionseigenschaften. Die Haltbarkeit solcher CD-Rs wird <strong>mit</strong> über 100 Jahren angegeben.<br />
Mitsui Toatsu entwickelte die Rohlinge <strong>mit</strong> diesem Farbstoff weiter und kombinierte sie <strong>mit</strong> einer<br />
silbernen Reflexionsschicht. Das Ergebnis ist ein Rohling, der eine hohe Haltbarkeit und die<br />
theoretisch besten Reflexionseigenschaften besitzt, da Silber bessere Reflexionswerte ermöglicht.<br />
Dennoch sind die negativen Korrosionsvorgänge <strong>von</strong> Silber nicht zu vernachlässigen.<br />
21
Die grünen Rohlinge, die meist die preisgünstigsten sind, benutzen einen Cyanin <strong>–</strong> Dye, entwickelt<br />
und patentiert <strong>von</strong> der Firma Taiyo Yuden. Zwar ist der Dye blau, zusammen <strong>mit</strong> der goldenen<br />
Reflexionsschicht erscheint die Unterseite aber grün. Cyanin ist preiswerter und nicht so stabil,<br />
außerdem weisen seine optischen Eigenschaften Mängel auf. Man schreibt solchen CD-Rs eine<br />
Lebensdauer <strong>von</strong> 10 Jahren und mehr zu. Grüne Medien liefern den schwächsten Kontrast, können<br />
also bei älteren CD-ROM-Laufwerken zu Lesefehlern führen. Der Brennvorgang ist hier weniger<br />
exakt, weshalb diese Rohlinge fast nicht mehr erhältlich sind. Da Cyanin empfindlich gegen UV-<br />
Strahlen ist, wird er nie in Reinform verwendet, sondern nur <strong>mit</strong> verschiedenen Stabilisatoren.<br />
Rohlinge <strong>mit</strong> blauer Unterseite sind seltener anzutreffen, sie basieren auf dem Farbstoff Azo. Durch<br />
eine Reflexionsschicht aus Silber bleibt das Blau des Farbstoffs auch nach unten hin sichtbar. Die<br />
Hersteller geben für diesen Rohling trotz des geringeren Kontrasts ähnliche Haltbarkeitswerte wie für<br />
goldene CD-Rs an (Lebensdauer ca. 100 Jahre). Hinzu kommt, dass die Stabilität wesentlich geringer<br />
als bei Phthalocyanin ist und beim Schreiben die BLER-Rate (Block Error Rate→Fehlerrate) höher ist.<br />
Obwohl sie wegen ihrer UV-Beständigkeit und allgemeinen Haltbarkeit hoch angepriesen wurde,<br />
schnitt die CD-R <strong>mit</strong> einem Azo-Dye bei dem Belastungstest des US-amerikanischen National<br />
Institute for Standards and Technology (NIST) besonders schlecht ab.<br />
Formazan bietet einen guten Kontrast, jedoch ist über die Lebensdauer nichts bekannt.<br />
Abschließend kann man sagen, dass die unbestritten besten Farbstoffe Phthalocyanin und Advanced<br />
Phthalocyanin sind. Daher werden goldene Rohlinge immer dann empfohlen, wenn es auf gute<br />
Wiedergabequalität und lange Lebensdauer ankommt.<br />
Phthalocyanin+ Cyanin+<br />
goldene Reflexionsschicht goldene Reflexionsschicht<br />
Cyanin+ Cyanin+<br />
silberne Reflexionsschicht silberne Reflexionsschicht<br />
Azo+ Phthalocyanin+<br />
silberne Reflexionsschicht silberne Reflexionsschicht<br />
22
6.2 Versuch zur Identifizierung der Metalle CDs und CD-Rs<br />
26 Eine gepresste CD-R im Salzsäurebad<br />
Durchführung: Eine gepresste CD wird in ein Salzsäurebad gelegt.<br />
Beobachtung: Innerhalb weniger Minuten löst sich die Metallschicht vollständig auf.<br />
Deutung: Die Metallschicht besteht aus Aluminium.<br />
2 Al(s) + 6 HCl(aq) → 2 AlCl3(aq) + 3H2(g)<br />
Ergänzende Information: Legt man CD-Rs in eine Salzsäurebad, lösen sich die Metallschichten nicht<br />
auf. Es ist daher zu erwarten, dass diese aus Gold bzw. Silber oder deren Legierungen bestehen.<br />
Versuch zur Identifizierung der Metalle inCD-Rs<br />
27 Metallschicht eines Rohlings <strong>mit</strong> gelber Unterseite in Salzsäure, Salpetersäure und Königswasser<br />
(linke Abb. vlnr.) und Metallschicht eines silbernen Rohlings (rechts) in den gleichen Säuren. (Grün<br />
sind Reste der Lackschicht.)<br />
Durchführung: Die Metallschicht eines Rohlings <strong>mit</strong> gelber Unterseite und eines Rohlings <strong>mit</strong> blauer<br />
Unterseite werden abgekratzt. Die Metallstückchen werden auf jeweils drei Reagenzgläser verteilt. In<br />
eines der Reagenzgläser gibt man Salzsäure, in das zweite Salpetersäure und in das dritte<br />
Königswasser.<br />
Beobachtung 1: Die gelbe Metallschicht des Rohlings <strong>mit</strong> gelber Unterseite löst sich nur in<br />
Königswasser, nicht aber in Salzsäure und Salpetersäure.<br />
Deutung 1: Die Reflektionsschicht des Rohlings besteht aus Gold. Gold löst sich weder in<br />
Salpetersäure, noch in Salzsäure.<br />
23
Im Königswasser bildet sich aktives Chlor und Nitrosylchlorid. Gold lässt sich durch diese stark<br />
reaktiven Teilchen oxidieren:<br />
HNO3 + 3HCl → NOCL + 2Cl + H2O<br />
Au + NO + + 2 Clnasc. ---> Au 3+ + NO + 2 Cl -<br />
Beobachtung 2: Die silberne Metallschicht des Rohlings <strong>mit</strong> blauer Unterseite löst sich in<br />
Königswasser. In Salpetersäure löst sich diese Schicht teilweise, bildet aber auch schwarze Flocken. In<br />
Salzsäure löst sich das Metall nicht.<br />
Deutung 2: Die Reflektionsschicht des Rohlings besteht aus Silber. Silber löst sich in Königswasser,<br />
aber nicht in Salzsäure. In Salpetersäure löst sich Silber ebenfalls, bildet aber vorübergehend eine<br />
dünne Schichten aus schwarzem Silberoxid, erkennbar in der entsprechenden Abbildung als dunkle<br />
Verfärbung.<br />
3 Ag + 4 HNO3 -----> 3 AgNO3 + NO + 2 H2O<br />
24
7 Der Kunststoff<br />
7.1 Polycarbonat <strong>–</strong> Makrolon<br />
28 Polycarbonat (Bild Quelle: http://www.makrolon.de/BMS/DB-<br />
RSC/MakrolonCMSR6.nsf/id/home_de)<br />
Die Kunststoffschicht einer CD-R oder DVD-R besteht aus Polycarbonat. Polycarbonate sind<br />
synthetische Polymere aus der Familie der Polyester, die aus Kohlensäure und Diolen erzeugt werden.<br />
Die Bayer-AG als führender Hersteller gab den Polycarbonaten den Handelsnamen Makrolon. Für<br />
CD-Rs und DVD-Rs kommen speziell entwickelte leicht fließende Polycarbonate zu Einsatz. Für die<br />
den Anwendungsbereich sind u.a. folgende Eigenschaften der Polycarbonate <strong>von</strong> Bedeutung:<br />
- hohe Transparenz<br />
- gute Wärmeformbeständigkeit<br />
- geringe Wasseraufnahme<br />
- Recyclebarkeit<br />
- Geringe Doppelbrechung<br />
Die Synthese der Polycarbonate erfolgt durch Umsetzung <strong>von</strong> Bisphenol A <strong>mit</strong> Phosgen:<br />
29 Synthese <strong>von</strong> Polycarbonat (aus Broschüre „Vom Salzstock zur CD“ des vci-nord)<br />
25
7.2 Dichtebestimmung<br />
Eine Schülergruppe hatte die Aufgabe, die Dichte des Kunststoffes Makrolon einer CD zu bestimmen. Dafür<br />
konnten unbearbeitete Kunststoffscheiben, die gelegentlich in CD-Spindeln vorhanden sind eingesetzt werden.<br />
1. Methode: Ausmessen und Wiegen<br />
Ein Kunststoffrohling wird <strong>mit</strong> einer Schiebelehre ausgemessen und gewogen. Der Rohling wiegt 20 g. Die<br />
Dicke der Kunststoffschicht beträgt 1,2 mm, der Durchmesser 12 cm. Der Durchmesser des Loches in der Mitte<br />
wird <strong>mit</strong> 1,5 cm bestimmt.<br />
Daraus ergibt sich ein Volumen <strong>von</strong><br />
V = ((60mm) 2 • Π - (7.5mm) 2 • Π)•1.2mm = 13360 mm 3 = 13.36 cm 3 .<br />
Die Masse wird <strong>mit</strong> 16.1 g bestimmt.<br />
Daraus ergibt sich eine Dichte <strong>von</strong> φ = m : V = 16,1g : 13.36cm 3 = 1.21 g/cm 3<br />
2. Methode: Dichtebestimmung nach dem Schwebeverfahren<br />
Durchführung: Zunächst werden unterschiedlich konzentrierte Magnesiumchloridlösungen hergestellt. Die<br />
Dichten dieser Lösungen werden <strong>mit</strong> einem Aerometer exakt bestimmt.<br />
Kleine Stückchen <strong>von</strong> rot eingefärbtem Polycarbonat werden in diese Lösungen gegeben.<br />
Beobachtung: In einer Lösung <strong>mit</strong> der Dichte 1.2 g/cm 3 schweben die Kunststoffstückchen.<br />
Deutung: Die Makrolonstückchen haben eine Dichte <strong>von</strong> 1.2 g/cm 3 .<br />
1.0 g/cm 3 1.2 g/cm 3 1.4 g/cm 3<br />
30 Polycarbonatstückchen in Lösungen unterschiedlicher Dichten (siehe Angaben unter<br />
dem Bild).<br />
Beide Verfahren der Dichtebestimmung führen zu gleichen Ergebnissen. Unsere Ergebnisse entsprechen den<br />
Angaben in der Literatur.<br />
7.3 Brennprobe:<br />
26
31 Brennprobe im Polycarbonat<br />
Der Kunststoff brennt <strong>mit</strong> leuchtend gelber, rußender Flamme. Außerhalb der Brennerflamme<br />
verlischt der Kunststoff schnell wieder. Hält man ein Säure-Base-Indikatorpapier in die Flamme,<br />
verfärbt sich dieses nicht.<br />
Deutung: Verschiedene Kunststoffe zeigen ein unterschiedliches, jeweils charakteristisches<br />
Brennverhalten. Das Rußen der Flamme beruht auf dem aromatischen Anteil des Polycarbonats.<br />
:<br />
Löslichkeit<br />
Das Trägermaterial einer CD-R wird in kleine Stückchen zerschnitten und in sieben Reagenzgläsern<br />
<strong>mit</strong> verschiedenen Lösungs<strong>mit</strong>teln versetzt. Wasser, Hexan und 1-Propanol greifen das Polycarbonat<br />
nicht an. Aceton, Essigsäuretethylester und Natronlauge lassen das Polycarbonat aufquellen. In<br />
Dichlormethan löst sich der Kunststoff in kurzer Zeit völlig.<br />
32 Polycarbonatstückchen in (vlnr. Wasser, Aceton, Essigsäureethylester, 1-Propanol.<br />
Dichlormethan, konzentrierte Natronlauge, Hexan<br />
27
8. Recycling <strong>von</strong> CDs<br />
8.1 Allgemeines:<br />
Am 17.08.1982 wurde die erste industrielle Produktion <strong>von</strong> CDs aufgenommen. Im Zeitraum <strong>von</strong><br />
1982 bis einschließlich 2001 steigerte sich die Anzahl der weltweit vorhandenen CDs auf mehr als 110<br />
Milliarden Stück. Dies entspricht immerhin schon dem 17-fachen der Weltbevölkerung und man<br />
könnte <strong>mit</strong> diesen CDs sogar schon eine etwa 40 cm hohe Mauer am Äquator entlang um die Erde<br />
bauen. Jährlich werden zurzeit etwa 8 Milliarden CDs produziert. Diese können wie folgt aufgeteilt<br />
werden:<br />
Tonnen Mio. Stück<br />
CD Audio 37.790 2.361,9<br />
CD ROM 74.210 4.638,1<br />
CD-R 12.800 800,0<br />
DVD 1.422 88,9<br />
Summe 126.222 7.889<br />
Tabelle 1: CD-Mengen weltweit im Jahr 1998 Diagramm 1: CD-Mengen weltweit 1998<br />
Angesichts dieser Dimensionen stellt sich die Frage nach einer sinnvollen Wiederverwertung anstelle<br />
<strong>von</strong> Unmengen nicht mehr brauchbarer CDs (man muss allerdings auch im Auge behalten, dass die<br />
CD ein Gebrauchsgegenstand ist, der oftmals über Jahre benutzt oder aufbewahrt wird). Zunächst kann<br />
festgestellt werden, dass die CD ein Verbund aus Polycarbonat (99%), Aluminium (bzw. Silber oder<br />
Gold), Lack und Druckfarbe ist. Durch spezielle Verfahren können ca. 85% des Polycarbonats<br />
wiederaufbereitet werden.<br />
Verarbeitung <strong>von</strong> CD-Abfällen:<br />
Um hochwertiges Polycarbonat zu erhalten benötigt man verschiedene Schritte, durch die die CD <strong>von</strong><br />
übrigen Stoffresten gesäubert wird. Zunächst werden sichtbare Fremdkörper (wie z.B. Drähte) und<br />
CDs <strong>mit</strong> Goldbeschichtung (da diese anders aufbereitet werden als der überwiegende Anteil <strong>von</strong> CDs<br />
<strong>mit</strong> Aluminium bzw. Silberbeschichtung) aussortiert. Danach werden die CDs vermahlen, entstaubt<br />
und <strong>mit</strong> Hilfe eines Magnetabscheiders <strong>von</strong> metallischen Resten befreit. Nun folgt die nasschemische<br />
Aufbereitung. Dabei taucht man das Mahlgut in verdünnte Natronlauge, welche die Schichten löst und<br />
dadurch das Polycarbonat <strong>von</strong> dem Aluminium bzw. Silber, den Lacken und der Druckerfarbe trennt.<br />
Um eine schnellere und effektivere Trennung zu erreichen verwendet man dazu noch Rührvorgänge<br />
und Reibung.Anschließend wird durch Zentrifugen das Entschichtungsgemisch <strong>von</strong> dem Polycarbonat<br />
getrennt. Nach einem gründlichen Wasch- und Trockenvorgang läuft der Kunststoff dann noch einmal<br />
durch den Magnetabscheider und nun zur Neuverarbeitung zur Verfügung.<br />
Neuverwendung:<br />
Das so erhaltene CD-Recyclat kann nicht für neue CDs verwendet werden, da hierfür die<br />
Anforderungen der Industrie an die optischen Eigenschaften zu hoch sind. Deswegen legiert man das<br />
Polycarbonatmahlgut <strong>mit</strong> dem Kunststoff ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und stellt so PC/ABS-<br />
Blends her. Diese unterscheiden sich nicht merklich <strong>von</strong> Neuware und aus ihnen können Produkte im<br />
Bereich der Medizintechnik, der Computer-, Automobil-, Spielwaren- oder Haushaltswarenindustrie<br />
hergestellt werden.<br />
Abschluss:<br />
Weltweit gibt es nur drei größere Wiederaufbereitungsanlagen: Die Firma Bayer-AG (Deutschland),<br />
die Firma Nisar (Amerika; 3000-4000t jährlich) und die Firma Newcycle GmbH (Deutschland). Für<br />
die Wiederaufbereitung in Deutschland 1998 ergibt sich:<br />
Firma Aufbereitete CDs 1998 Aufbereitete CDs 1998<br />
Stück [in Mio] t<br />
Bayer AG 353 5000<br />
Newcycle GmbH 57 800<br />
28
Tabelle 2: Aufbereitete CDs in Deutschland 1998<br />
Zählt man 4000t aufbereiteter CDs <strong>von</strong> der Firma Nisar dazu, so wurden 9800 t <strong>von</strong> 126.222t und<br />
so<strong>mit</strong> 7,8% <strong>von</strong> den produzierten CDs 1998 recycled. Dabei ist zu bemerken, dass die verwerteten<br />
CDs vornehmlich nicht aus Privathaushalten sondern aus Über- und Fehlproduktionen bzw. nicht<br />
verkauften Computerzeitschriften stammen. Nennenswert ist zudem die Erweiterung des<br />
Wiederaufbereitungswerks <strong>von</strong> der Bayer AG, durch die ab 1998 jährlich 6000t Polycarbonatmahlgut<br />
gewonnen werden können.<br />
Diagramm 2: Aufbereitungsmenge im<br />
Vergleich zur Produktionsmenge im Jahr<br />
1998<br />
Diagramm 3: Polycarbonat-Bilanz <strong>mit</strong> geschätzten<br />
Werten<br />
29
7.2. Versuch: Hydrolyse <strong>von</strong> Makrolon als Modellversuch für rohstoffliches Recycling<br />
Das Trägermaterial einer CD wird in kleine Stückchen<br />
zerschnitten. 5 Gramm dieser Stückchen werden in einen<br />
Rundkolben gegeben. Dazu gibt man 20 g<br />
Triethylenglykol und 5g Kaliumhydroxid. Dieses<br />
Gemisch erhitzt man unter Rückfluss ca. 20 Minuten bis<br />
zum Sieden. Die siedende Lösung verfärbt sich rasch<br />
braun. Die Polycarbonatstückchen lösen sich dabei auf.<br />
Nach dem Abkühlen erhält man eine bräunliche Lösung.<br />
33 Hydrolyse <strong>von</strong><br />
Polycarbonat<br />
Diese Lösung gießt man nach Abkühlung in einen Messzylinder in 80<br />
Milliliter Wasser. Zu dieser Lösung gibt man einige Milliliter<br />
konzentrierte Schwefelsäure. Sofort beobachtet man die Abscheidung<br />
eines braunen Öles an der Oberfläche. Bei diesem Öl handelt es sich<br />
um Bisphenol-A. Bei dieser <strong>von</strong> uns angewandten, stark vereinfachten<br />
Methode erhalten wir Bisphenol-A in verunreinigter Form. Reines<br />
Bisphenol-A sollte heller sein.<br />
34 Eine Schicht aus<br />
Bisphenol-A setzt sich ab.<br />
30
9. Fazit<br />
Am Ende unseres Projektes über die „<strong>Chemie</strong> der optischen <strong>Daten</strong>speicher“ stellen wir fest, dass<br />
selbst der kleine Ausschnitt, den wir zu der Thematik bearbeiten konnten, ein außerordentlich<br />
interessantes und vielfältiges Betätigungsfeld eröffnet. Jetzt ist die Arbeit viel länger geworden als<br />
geplant, und das obwohl wir auf die Darstellung interessanter Ergebnisse, wie etwa der Frage nach der<br />
Zukunft der optischen <strong>Daten</strong>speicher, die wir auch bearbeitet haben, aus Platzgründen verzichtet<br />
haben. Das bietet sicher Raum für weitere interessante Beschäftigungsmöglichkeiten <strong>mit</strong> dieser oder<br />
ähnlichen Fragestellungen.<br />
Diese Projektarbeit wurde erarbeitet <strong>von</strong> dem Grundkurs <strong>Chemie</strong>, Jahrgangsstufe 13, der<br />
<strong>Liebfrauenschule</strong> <strong>Vechta</strong> im Jahr 2006 <strong>mit</strong><br />
Bartel, Andrea; Blömer, Franziska; Böging, Katharina; Däubler, Miriam; Ehrenborg, Stefanie;<br />
Heide, Rebecca v.d.; Heitmann, Anja; Hoyng, Karina; Klostermann, Maria; Koch, Stefanie;<br />
Krause, Maike; Mast, Inna; Punte, Karin; Schäfer; Ann-Kathrin; Scheper, Christina; Wahle,<br />
Anja; Wilkens, Vera und als Fachlehrer Martin Ratermann<br />
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