Unscheinbarer Pionier: 75 Jahre Nylonzahnbürste (1938-2013)

Zu Damenstrümpfen versponnen, trat im Mai 1940 die erste vollsynthetische Faser von den USA aus ihren Siegeszug um die Welt an. Die Rede ist von Polyhexamethylenadipinsäureamid, besser bekannt als Nylon. Was viele nicht wissen: Seine Feuertaufe hatte die neuartige Kunstfaser zu jenem Zeitpunkt längst hinter sich. Hersteller Du Pont brachte bereits am 24. Februar 1938 das Pionierprodukt auf den Markt – in Gestalt einer Zahnbürste mit Borsten aus Nylon. Das ist nun 75 Jahre her. Anlass genug, an die ersten Nylonzahnbürsten zu erinnern und zu beleuchten, welch langwierige Forschungsarbeit der Erfindung des Nylons durch den US-Chemiker Wallace Hume Carothers (1896-1937) vorausging.

 
 

Nylons, hauchzarte Beinkleider „aus Kohle, Wasser und Luft“, sind heute weltweit Inbegriff für das Nylon, die in den 1930er-Jahren in den Laboren des Chemiegiganten Du Pont de Nemours & Co. entwickelte erste vollsynthetische Faser. So durchsichtig Nylonstrümpfe auch sein mögen, ihre Marktdominanz verdeckt, dass zuerst ein viel unspektakuläreres Nylonprodukt in den Handel gelangt war, die sogenannte Nylonzahnbürste. In den Verkauf ging sie bereits am 24. Februar 1938, gut zwei Jahre vor den begehrten Strümpfen. Nylonborsten lösten hier solche natürlichen Ursprungs, zumeist Wildschweinborsten, ab (siehe „Kleine Geschichte der Zahnbürste“), die schlechter trocknen und in deren feuchtem Milieu sich gern Bakterien und Pilze einnisten. Ein weiterer Vorteil: Die Verwendung von Nylon verbilligte die Zahnbürste und machte sie damit zum Massenartikel. Als solcher hielt sie unter dem Namen „Doctor West’s Miracle Tuft Toothbrush“ Einzug auf dem US-amerikanischen Markt.

 
 

Ein echter Fortschritt, trotzdem blieb die Nachfrage verhalten, und zwar aus mehreren Gründen:

● Nylonborsten der ersten Generation waren so hart, dass sie das Zahnfleisch verletzen und zum Bluten bringen konnten; sie wurden deshalb von Zahnärzten nicht empfohlen. Das änderte sich erst, als weicheres Nylon verfügbar war: 1950 führte Du Pont die „Park Avenue Toothbrush“ ein.
● Der Griff zur Zahnbürste war damals noch keine Alltagsroutine, die Mundhygiene nicht sonderlich ausgeprägt. Zu einem Bewusstseinswandel trugen erst nach 1945 die aus dem Krieg heimkehrenden US-Soldaten bei, die zu Botschaftern täglichen Zähneputzens wurden und der Nylonzahnbürste so zu großer Verbreitung verhalfen.

Bis heute ist Du Pont in Sachen Nylonzahnbürsten im Geschäft geblieben. Die Standardnylonfaser von 1938 ist nach wie vor im Programm (Zahnbürste „Tynex Classic“), hat aber seitdem reichlich Zuwachs bekommen: Borsten mit besonderem Schliff, schrubberartiger Oberfläche oder antimikrobiellen Zusätzen diversifizieren die Reinigungseigenschaften in der „Tynex“-Produktlinie (siehe www2.dupont.com), die Du Pont in den 1950er-Jahren etablierte.

Die meisten heute gängigen Zahnbürstenborsten bestehen aus Nylon 612. Dem Material wird eine „ausgezeichnete Rückstell-Elastizität bei hoher Nassfestigkeit“ attestiert, ideale Eigenschaften für die Borsten von Zahnbürsten also (Quelle: Evonik Industries, www.vestamid.de). Verwendung findet hie und da auch Nylon 610, z. B. bei der „Herox“-Zahnbürste von Du Pont. Urahn dieser modernen Nylonvarianten ist das von Wallace Hume Carothers 1935 entwickelte Polyamid 66, dem fast zeitgleich der deutsche Chemiker Paul Schlack (1897-1987) im Aceta-Werk der I-G. Farben in Berlin-Lichtenberg das Polyamid 6 an die Seite stellte.

 
 

Um zu verstehen, worauf diese irritierenden Zahlen anspielen, bedarf es eines Ausflugs in die Chemie – zwecks einer kleinen Lektion über die sogenannte Polykondensation:

● Bei der Herstellung von Nylon müssen ein saures und ein basisches Molekül vereinigt werden. Um diese Vereinigung zu erreichen, wenden Chemiker ein zweistufiges Verfahren an: Zunächst werden die Moleküle der beiden Grundsubstanzen zu dem Molekül eines organischen Salzes verschmolzen; dann wird das Salz in einem Vakuum auf mehr als 260 °C erhitzt. Dadurch entsteht ein neues, kondensiertes Molekül, das alle ursprünglichen Atome enthält – mit Ausnahme von zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Mit anderen Worten: Bei der Polykondensation wird H2O, also Wasser, abgespalten. Übrig bleibt eine Einheit, die Amid genannt wird; sie verbindet sich mir ihresgleichen zu dem langen Nylon-Polymer („Riesenmolekül“), einer Kette von etwa 1700 Atomen. Dass das Nylon-Makromolekül eines der größten Hochpolymere darstellt, lässt sich natürlich erst unter Spezialmikroskopen feststellen – „riesig“ meint hier nämlich eine Länge von 0,0000021 Millimetern …
● Carothers verwendete Hexamethylendiamin und Adipinsäure, die aus Benzol und Phenol gewonnen werden. Da jeder der beiden Ausgangsstoffe sechs Kohlenstoffatome besitzt, wurde das Produkt „Polyamid 66“genannt (C12H22O2N2, später Nylon).
● Schlack experimentierte mit nur einem einzigen Ausgangsstoff, in dem aber sowohl die Amin- als auch die Säurefunktion vorhanden waren: Er verwendete Caprolactam, ein Amid der Aminocapronsäure. Das weiße Pulver polymerisierte, nachdem Schlack es in ein dickwandiges Glasrohr eingeschmolzen und über Nacht bei 230-250 °C im Ofen gelassen hatte: Die Molekülringe öffneten sich und lagerten sich nach dem Kopf-an-Schwanz-Prinzip zu hochmolekularen Ketten aneinander. Weil die Aminocapronsäure sechs Kohlenstoffatome aufweist, taufte man das einkomponentige Polymer auf den Namen „Polyamid 6“ (C6H11, später Perlon).
● Als Nylon 612 wird das Polykondensationsprodukt aus 1,6-Hexamthylendiamin und 1,12-Dodecandisäure bezeichnet – wegen der sechs Kohlenstoffatome im Amin- und der zwölf Kohlenstoffatome im Säureanteil.

 
 

Den Beginn der Nylonstory markierte die ebenso ehrgeizige wie ungewisse Vision einer vollsynthetischen Faser, mit der Wallace Hume Carothers 1928 als Leiter der Du-Pont-Grundlagenforschung in Wilmington/Delaware angetreten war. Bis das „Superpolymer“ gefunden und zur Produkttauglichkeit herangereift war, sollten dann sieben Jahre vergehen und kam hin und wieder der Zufall zu Hilfe. Ein Zufallsprodukt war Nylon aber deswegen nicht, das Ziel der experimentellen Arbeit stand schließlich von Anfang fest.

Ein erster Treffer ins Schwarze war schon 1930 zu verzeichnen gewesen: Julian Hill, Carothers’ erster Assistent stellte bei Versuchen zur Polykondensation einen dicken Sirup her. Als er den gläsernen Rührstab aus seinem Becherglas nahm, hingen daran dicke Fäden. Statt abzureißen oder abzutropfen, erstarrten diese beim Abkühlen und ließen sich wie Gummi auseinanderziehen; wurden sie losgelassen, schnurrten sie nicht wieder zusammen. Dieses zufällige Nebenprodukt von Carother’s Grundlagenforschung war zwar für industrielle Zwecke nicht zu gebrauchen, u. a. wegen seines niedrigen Schmelzpunktes. Trotzdem stellten Carothers und Hill ihre Entdeckung der wissenschaftlichen Öffentlichkeit vor, weil sie für sich in Anspruch nahmen, den Beweis erbracht zu haben, dass es möglich sein müsse, brauchbare Fasern aus rein synthetischen Stoffen zu entwickeln. Der Hill’sche Faden aus dem Du-Pont-Laboratorium galt fortan als die erste vollsynthetische Faser der Welt.

 
 

In den nächsten Jahren wurden im Du-Pont-Laboratorium unendlich viele chemische Kombinationen getestet und Hunderte unterschiedlicher Fasern hergestellt, die sich aber sämtlich als unzulänglich erwiesen. Trotzdem trug die Arbeit Früchte, denn am Rande seiner kontinuierlichen Faserforschung schuf Carothers die Grundlage für die Polymerisation von Chloropren zu Neopren, einem der gebräuchlicheren synthetischen Kautschuke, und entwickelte einen künstlichen Moschus, der an die Parfümindustrie verkauft wurde. Am 23. Mai 1934 schließlich gelang es Carothers’ Assistent Donald Coffman, Chemiker an der Universität Illinois, ein sowohl robustes als auch gut zu bearbeitendes „Superpolyamid“ herzustellen. Die Rezeptur war allerdings derart kostspielig, dass bald mit der Suche nach einer erschwinglichen Alternative begonnen wurde. Am 27. Juli 1934 synthetisierte Wesley Peterson ein Polyamid, das wegen der fünf Kohlenstoffe in seinem Ammoniakanteil und der zehn Kohlenstoffe in seinem Säureanteil „Polymer 510“ genannt wurde. Carothers wähnte sich am Ziel, doch die Du-Pont-Chefs zogen nicht mit, weil sich auf der Zutatenliste u. a. Rizinusöl befand. Bis dato war das Öl des tropischen Rizinussamens ein Billigprodukt, in Gebrauch lediglich als übelschmeckendes Abführmittel. Die Verwendung für die Polyamidproduktion, so die Befürchtung der Du-Pont-Strategen, würde die Nachfrage nach Rizinus und damit auch den Marktpreis aber derart in die Höhe treiben, dass das Geschäft mit der neuen Kunstfaser schon bald unrentabel werden dürfte. Carothers’ Team wurde folglich wieder zurück ins Labor geschickt.

 
 

Nach weiteren Monaten systematischen Experimentierens stellte schließlich Gérard Berchet, rekrutiert von der Universität Colorado, aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure am 28. Februar 1935 das „Polymer 66“ her. Qualitativ war es dem „Polymer 5-10“ nicht ebenbürtig und musste überarbeitet werden, befand Carothers. Es vertrug zwar die Lösungsmittel der chemischen Reinigung, doch sein Schmelzpunkt von 265 °C war ziemlich hoch und erschwerte die Weiterverarbeitung des Materials. In der Folgezeit wurden über 200 technische Experten hinzugezogen, um die „Faser 66“ für das Schmelzspinnverfahren zu optimieren. Jeder einzelne Produktionsschritt stellte die Ingenieure anfangs vor neue Probleme – und vertiefte ihre Bekanntschaft mit der, wie sie es ausdrückten, launischen Faser. Ließ sie sich anfangs nur zehn Minuten am Stück spinnen, brachte man es 1937 schon auf 82 Stunden. Nachdem schließlich die erste Charge in der „Experimental Station“ selbst produziert und die „Faser 66“ in „Nylon“ umgetauft worden war (siehe „Wie Nylon zu seinem Namen kam“), baute Du Pont für 8,5 Millionen US-Dollar in Seaford/Delaware eigens eine Nylonfabrik. Das damalige 2800-Seelen-Städtchen bezeichnete sich daraufhin selbstbewusst als „Nylon-Hauptstadt der Welt“.

 
 

Die 1937 gewährten Original-Patente für Nylon hoben als die besonderen Eigenschaften der „neuen Kunstseide“ hervor, sie sei fester als Naturseide, zugleich elastischer und könne bei voller Rückbildung bis auf 700 Prozent ihrer ursprünglichen Ausmaße ausgedehnt werden. Der deutsche Chemiker Hermann Staudinger (1881-1965), Begründer der Makromolekültheorie und damit der Chemie der Hochpolymeren, schrieb 1939: „Diese Nylonfasern zeigen überraschend große Reißfestigkeit, Elastizität und Knickbruchfestigkeit, und zwar haben sie in dieser Hinsicht günstigere physikalische Eigenschaften als die Naturfasern, Wolle und Seide. So sind auf diesem Gebiet durch konsequente Verfolgung einer wissenschaftlich bewiesenen Grundanschauung wichtige technische Erfolge erzielt worden. Es öffnen sich also der Faserherstellung ganz neue Wege. Es ist wahrscheinlich, daß auf Grund vertiefter Kenntnisse des Aufbaus in Zukunft Fasern hergestellt werden, die andersartige und wertvollere Eigenschaften haben als die Naturfasern“.

Die Tatsache, daß die Öffentlichkeit das Nylon sogleich akzeptierte und sehr stark nachfragte, förderte das Image der Kunststoffe generell. Bisher war „der Mann auf der Straße“ den synthetischen Stoffen gegenüber misstrauisch gewesen und hielt sie im Grunde für einen billigen Ersatz der natürlichen Stoffe. Nach der Entwicklung des Nylons war er bereit, Kunststoffe auf Grund ihrer Vorzüge als gleichwertiges, oftmals sogar überlegenes Material anzuerkennen. Kein Wunder, dass sich die weltweite Produktion von Polyamid 66 seit 1938, dem Jahr, als die Nylonzahnbürste in den Verkauf ging, versiebenundfünfzigtausendfacht hat – von bescheidenen 45,4 Tonnen auf 2.600.000 Tonnen.