Polymer

Polymere (Beispiele)
Polypropylene

Die sich wiederholende Einheit des Polymers Polypropylen.
Cellulose Sessel.svg

Cellulose ist ein Polymer und das wichtige Strukturelement der Pflanzen.

Ein Polymer [polyˈmeːr] (von griechisch πολύ poly ‚viel‘ und μέρος méros ‚Teil‘) ist ein chemischer Stoff, der aus Makromolekülen besteht. Die Makromoleküle eines Stoffes sind aus einer oder mehreren Struktureinheiten, den sogenannten konstitutionellen Repetiereinheiten oder Wiederholeinheiten, aufgebaut. Das Adjektiv polymer bedeutet entsprechend „aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“. In vielen Fällen besteht ein Polymer aus nicht identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekülmasse der Moleküle variiert. Synthetische oder halbsynthetische Polymere sind die Hauptkomponente für die Herstellung von Kunststoffen. Von Lebewesen erzeugte Polymere werden Biopolymere genannt und haben essentielle Bedeutung für das Leben.

Einteilung

Polymere können in natürliche und synthetische Polymere unterteilt werden.

Polymere können nach der Anzahl der Grundstoffe (Monomere) aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden.

Außerdem lassen sich organische von anorganische Polymeren unterscheiden. Anorganische Polymere enthalten im Gegensatz zu den organischen Polymeren keine Kohlenstoffatome in der Hauptkette des Polymers. Zu den anorganischen Polymeren zählen Polysiloxane, Polyphosphazene oder Polysilazane.

Kunststoffe

Polymerchemie

Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt über verschiedene Arten von Polyreaktionen, wie Kettenpolymerisationen, Polykondensation oder Polyaddition.

Struktur von Polymeren

Die sich bei der Synthese bildenden Makromoleküle haben unterschiedliche Grundstrukturen, die die physikalischen Eigenschaften des Polymers bestimmen. Es können sich lineare Makromoleküle bilden, die nur aus einer Polymerkette (Hauptkette) bestehen. Im Fall von Polyethylen ist die Hauptkette ein langkettiges n-Alkan. Je nach Reaktionsbedingungen bilden sich auch verzweigte Makromoleküle mit einer Hauptkette und Seitenketten, bei Polyethylen wären es Alkylreste. Neben der Kettenlänge bestimmt auch der Verzweigungsgrad Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Hochverzweigte Polymere sind amorph, die Moleküle im Feststoff wechselwirken ungeordnet miteinander. Besonders unverzweigte Makromoleküle bilden als Feststoff eine teilkristalline Struktur, in der Abbildung unten rot markiert. Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel Thermoplaste sind, liegen bei vielen Elastomeren eine weitmaschige Vernetzung zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine engmaschige Vernetzung führt hingegen zu Duroplasten. Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt.

Polymerstruktur-linear
lineares Makromolekül
Polymerstruktur-verzweigt
verzweigtes Makromolekül
Polymerstruktur-teilkristallin
teilkristalline Struktur linearer Polymere
Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt
weitmaschig vernetztes Polymer
Polymerstruktur-engmaschig vernetzt
engmaschig vernetztes Polymer

Polymere die aus nur einer (realen oder gedachten) Monomerart aufgebaut sind, werden Homopolymere genannt. Polymere, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Monomerarten hergestellt werden, sind Copolymere. Polymere wie Polyethylenterephthalat, die zwingend aus zwei verschiedenen Monomeren hergestellt werden, werden meist als Homopolymere betrachtet, da sich jeweils nur eine charakteristische Wiederholeinheit ausbilden kann.

Homo- und Copolymere (Beispiele)
Polystyrene skeletal
Poly(dimethylsiloxan)
Styrol-Butadien-Kautschuk
PET.svg
Homopolymer Polystyrol: Eine Konstitutionelle Repetiereinheit, die sich n-fach im Makromolekül wiederholt. Homopolymer Poly(dimethylsiloxan), ein Silikon. Die Hauptkette wird von Silicium- und Sauerstoffatomen gebildet. Copolymer Styrol-Butadien-Kautschuk: Die Monomeren Styrol und 1,3-Butadien bilden zwei Konstitutionelle Repetiereinheiten, die sich nach der Abbildung in beliebiger Reihenfolge in einem Makromolekül abwechseln können. Polyethylenterephthalat hat nur eine charakteristische Konstitutionelle Repetiereinheit, obwohl zur Synthese zwei Monomere eingesetzt werden müssen.

Bei Copolymeren lassen sich über Syntheseweg die Abfolge der konstitutionellen Repetiereinheiten lenken. Es wird in statistische und alternierende Copolymere, Blockcopolymere, Pfropfcopolymer und Gradientcopolymere unterteilt. In der Abbildungungen werden schematisch Bipolymere dargestellt, Ⓐ und Ⓑ symbolisieren die beiden Repetiereinheiten.

Statistisches Copolymer
Statistisches Copolymer
Gradientcopolymer
Gradientcopolymer
Pfropfcopolymer
Pfropfcopolymer
Alternierendes Copolymer
Alternierendes Copolymer
Blockcopolymer
Blockcopolymer

Repetiereinheiten können Substituenten („Reste“) tragen und werden in Abbildungen häufig mit dem Buchstaben R gekennzeichnet. Sind die Monomereinheiten asymmetrisch, tritt eine Taktizität der Anordnungen im Makromolekül auf. Die Polymere lassen sich in ataktische, isotaktische und syndiotaktische Polymere unterteilen. Ein Beispiel für Taktizitäten ist Polystyrol mit einer Phenylgruppe als Rest. Während der klassische Syntheseweg zu ataktischen, amorphen Kunststoffen führt, ergibt eine syndiotaktische Synthese ein kristallinenes Polystyrol mit wirtschaftlich steigender Bedeutung.

Isotactic-A-2D-skeletal.png
isotaktisch
Syndiotactic-2D-skeletal.png
syndiotaktisch
Atactic-2D-skeletal.png
ataktisch

Bei Polymeren, die in der Hauptkette ungesättigt sind, tritt in Analogie zur cis-trans-Isomerie cis- oder trans-taktische Polymere auf, wie bei Naturkautschuk oder auch Butadien-Kautschuk. Stereospezifische Polymerisationen führen oft zu höherer mechanische Festigkeit, höherer Kristallinität, höherer Dichte und höhere Wärmetabilität.

Cis-1,4-Polybutadiene V.1.png
Ausschnitt aus einer Polymerkette von cis-1,4-Polybutadien. Eine C4-Einheit ist blau markiert.
Trans-1,4-Polybutadiene V.2
Ausschnitt aus einer Polymerkette von trans-1,4-Polybutadien. Eine C4-Einheit ist blau markiert.

Polymerphysik

Die Einteilung der Polymerwerkstoffe erfolgt nach DIN 7724 aufgrund des Temperaturverlaufes des Schubmoduls und des Zugverformungsrestes bei Raumtemperatur. Sie beruht auf dem mechanischen Verhalten im Gebrauchstemperaturbereich und der Existenz eines Schmelzbereiches (Fließbereiches):

  1. Duroplaste
  2. Elastomere
  3. Thermoplaste
  4. Thermoplastische Elastomere

Außerdem unterscheidet man noch zwischen teilkristallinen und amorphen Polymeren. Diese Eigenschaften werden maßgeblich durch den Verzweigungsgrad beeinflusst. Amorphe Polymere haben die Eigenschaften von Polymerschmelzen. In ihnen liegen die Polymere als statistische Knäuel vor. Unterhalb der Glastemperatur gehen sie in Polymergläser über, wobei die elastischen Eigenschaften verloren gehen und die Polymere hart und spröde werden. Der strukturelle Aufbau der teilkristallinen Polymere wird im Artikel Kristallisation (Polymer) beschrieben. Amorphe Polymere und Schmelzen werden theoretisch beschrieben durch das Freely-Jointed-Chain-Modell oder das Wormlike-Chain-Modell.

In der Polymerphysik beschäftigt man sich unter anderem mit

  1. Kristallisation und Kristallisationskinetik
  2. Oberflächeneigenschaften von Polymeren
  3. Rheologie, also dem Fließverhalten und der Viskosität

Temperaturbeständige Polymere

Die Temperaturbeständigkeit eines Polymers hängt von der Struktur der verwendeten Monomere, der Stabilität der Bindungen zwischen den Monomeren und den Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander ab. Eine hohe Wärmebeständigkeit kann durch eine Erhöhung der Schmelzenthalpie und eine Erniedrigung der Schmelzentropie erreicht werden. Bei amorphen Polymeren sollten die Glastemperatur und bei teilkristallinen Polymeren die Glas- und Schmelztemperatur möglichst hoch sein. Zum Erreichen von Temperaturbeständigkeit können C-H-Bindungen und C-C-Bindungen durch Bindungen zwischen Kohlenstoff und Heteroatomen wie Fluor, Stickstoff oder Sauerstoff oder aber durch stabilere aromatische Bindungen ersetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau von Leiterpolymeren (Polymere mit zwei parallelen und miteinander verbundenen Hauptketten).

Ökologische Erwägungen

Gesundheitsrisiken gehen vom Polymer selbst praktisch nie aus. Das Beispiel dafür ist PVC, das erst bei der Verbrennung das giftige und stark ätzende Gas Chlorwasserstoff freisetzt, das sich in Wasser als Salzsäure löst. Bei Schwelbränden entstehen in größeren Mengen polychlorierte Dibenzodioxine und -furane. Das Polymer PVC selbst ist lebensmittelkompatibel und wird auf Grund seiner ausgezeichneten Gasdichtigkeit in der Medizin zum Beispiel für Blutkonserven verwendet.

Weitere Umweltprobleme können durch Zusatzstoffe entstehen, die praktisch in jedem Kunststoffgegenstand enthalten sind, z.B. Weichmacher. Diese Zusatzstoffe werden überwiegend bei PVC eingesetzt, um seine mechanischen Eigenschaften dem Einsatz anzupassen. Dabei können sich durch die massenhafte Anwendung von PVC auch die Weiterentwicklungen als zweifelhaft erweisen. Für das Weich-PVC „Igelit“ wurde in den 1940er Jahren Trikresylphosphat eingesetzt. Der Ersatz dieser Substanz durch Phthalate, anfangs Dibutylphthalat (DPB), später Dioctylphthalat (DOP), führte in neuerer Zeit zur Erkenntnis, dass auch diese unter dem Umweltaspekt durch ihre mengenmäßige Anwesenheit erhebliche Probleme mit sich bringen.

Supramolekulare Polymere

Ein relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasst supramolekulare Polymere, also Polymere, deren Bausteine nicht durch kovalente Bindungen, sondern durch vergleichsweise schwache intramolekulare Bindungen, wie etwa Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen, Metall-Ligand-Wechselwirkungen, Van-der-Waals- oder hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Diese intramolekularen Bindungen können leicht zerbrochen werden (bei erhöhter Temperatur), können sich jedoch auch schnell wieder zurückbilden (beim Abkühlen). Aufgrund dieser Reversibilität zählen supramolekulare Polymere als neue Klasse selbstheilender Materialien. Eine weitere Folge der schwachen intramolekularen Bindungen ist die geringe Viskosität von Schmelzen supramolekularer Polymere, was bei der Herstellung und Verarbeitung von Vorteil sein kann, aber auch bei bestimmten Anwendungen, wie dem Tintenstrahldrucken.

Während kovalent gebundene Polymere eine große Rolle in der Natur spielen (DNA, Polypeptide, Cellulose), sind relativ wenige natürlich vorkommende supramolekulare Polymere bekannt. Ein Beispiel supramolekularer Polymerisation in der Natur ist die Selbstassemblierung des Tabakmosaikvirus.

Beispiele und Kurzwort

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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 05.05. 2019