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Polymer

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 anorganischen 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. Während Gläser in den meisten chemischen Lehrbüchern nicht zu den Polymeren gezählt werden, gelten Gläser und teilweise auch Keramik und Basalt in anderen Lehrbüchern und in der Textiltechnik als anorganische Polymere.

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 auch 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.


lineares Makromolekül

verzweigtes Makromolekül

teilkristalline Struktur linearer Polymere

weitmaschig vernetztes Polymer

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)
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 Abbildung unten werden schematisch Bipolymere dargestellt, Ⓐ und Ⓑ symbolisieren die beiden Repetiereinheiten.


Statistisches Copolymer

Gradientcopolymer

Pfropfcopolymer

Alternierendes Copolymer

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 kristallines Polystyrol mit wirtschaftlich steigender Bedeutung.


isotaktisch

syndiotaktisch

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 mechanischer Festigkeit, höherer Kristallinität, höherer Dichte und höherer Wärmestabilität.


Ausschnitt aus einer Polymerkette von cis-1,4-Polybutadien. Eine C4-Einheit istblau markiert.

Ausschnitt aus einer Polymerkette von trans-1,4-Polybutadien. Eine C4-Einheit istblau markiert.

Festkörperstrukturen

Die makroskopischen physikalischen Eigenschaften eines Polymers sind eng mit den Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander verknüpft.


Statistischer Knäul

Verhakungen mehrerer Moleküle mit knäulartigen Teilstrukturen
  • Ataktische Polymere, Polymere mit einem hohen Verzweigungsgrad und statistische Copolymere bilden im festen Zustand amorphe, glasartige Strukturen aus. In Schmelze und Lösung bilden langkettige Moleküle tendenziell einen sich ständig ändernden „statistischen Knäuel“ aus, siehe Gaußkette (Freely-Jointed-Chain-Modell). Im festen Zustand wird die jeweiligen Konformationen der Moleküle eingefroren. Verhakungen und Verschlaufungen von Kettenmolekülen untereinander führen zu einer „mechanischen Bindung“ zwischen den Ketten. Zwischenmolekulare und intramolekulare Nebenvalenzbindungen treten nur an Stellen auf, an denen Molekülsegmente nahe genug aneinander liegen. Die unregelmäßige Strukturen der Moleküle verhindert eine engere Anordnung. Solche Anordnungen werden gelegentlich „Spaghettistruktur“ genannt.

Polyethylen: Zickzack-Konformation der Moleküle in dichten Kettenpackungen

Lamellen mit Tie-Molekülen

Sphärolith

Helix

p-Aramid, rot gepunktet: Wasserstoffbrückenbindungen
  • Lineare Polymere mit regelmäßigem Aufbau, mit geringer Verzweigung und stereoreguläre (iso- und syndiotaktische) Polymere haben im festen Zustand eine teilkristalline Struktur. Bei einfach strukturierten Polymeren, wie bei Polyethylen, liegen in einer idealisierten Vorstellung weite Bereiche nicht als Knäuel, sondern in Zickzack-Konformation vor. Mehrere Zickzack-Konformationen bilden dichte Kettenpackungen aus und sind damit in diesen Bereichen kristallin. Solche Kristallite werden Lamellen genannt und sind viel dünner (oft etwa 10 nm) als die Polymere lang sind. Sie werden durch mehr oder weniger regulärer Faltungen einer oder mehrere Molekülketten gebildet. Zwischen den Lamellen liegen amorphe Strukturen vor. Einzelne Moleküle können zwischen den Lamellen zu Verschlaufungen führen, aber auch an der Bildung von zwei (oder mehr) Lamellen beteiligt sein (Tie-Moleküle). Mehrere Lamellen bilden eine Überstruktur, einen Sphärolith, oft mit einem Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 1 mm.
Art und Anordnung von (funktionellen) Resten der Wiederholeinheiten beeinflussen oder bestimmen die Kristallinität und die Stärke der Nebenvalenzbindungen mit. Bei isotaktischem Polypropylen bilden die Moleküle eine Helix. Helices erlauben, wie bei einer Zickzack-Konformation, eine dichte Kettenpackung. Besonders kräftige intermolekulare Wechselwirkungen treten auf, wenn die Reste der Wiederholeinheiten die Ausbildung Wasserstoffbrückenbindungen erlauben, wie beispielsweise bei p-Aramid. Die Kristallinität und Überstruktur ist immer abhängig von den Bedingungen ihrer Bildung, siehe auch Kristallisation von Polymeren. Teilkristalline Strukturen führen im Vergleich zu amorphen Strukturen zu einer höheren Steifigkeit, Dichte, Schmelztemperatur und Beständigkeit eines Polymers.
  • Weitmaschig vernetzte Polymere sind Elastomere und lassen sich nicht wie Thermoplaste ohne Zersetzung schmelzen. Thermoplastische Elastomere sind hingegen reversibel über Nebenvalenzen „physikalisch vernetzt“ und lassen sich schmelzen. Eine Variante sind Blockcopolymere, bei dem ein Hartsegment des Polymers die Neigung zur Kristallisation hat und einem Weichsegment mit amorpher Struktur. Die Hartsegmente sorgen für eine weitmaschige, physikalische Vernetzung.

weitmaschig vernetztes Polymer


weitmaschig vernetztes Polymer unter Zuglast

Kristallite als „Vernetzung“: eine Variante eines thermoplastischen Elastomers


teilkristallines thermoplastisches Elastomer unter Zuglast

Polymerphysik

Hauptartikel: 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

In der Polymerphysik beschäftigt man sich unter anderem mit

Temperaturbeständige Polymere

Hauptartikel: Hochleistungskunststoffe

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 Polymeren mit zwei parallelen und miteinander verbundenen Hauptketten (Leiterpolymere).

Leitfähige Polymere

Hauptartikel: Leitfähige Polymere
Hauptartikel: Organische Elektronik
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Eine Voraussetzung für die elektrische Leitfähigkeit von Polymeren ist das Vorhandensein von konjugierten Pi-Elektronensystemen. Allerdings sind solche Polymere zunächst immer noch Isolatoren, bestenfalls Halbleiter. Die Leitfähigkeit, vergleichbar mit der von metallischen Leitern, setzt erst dann ein, wenn die Polymere oxidativ oder reduktiv dotiert werden. Die ersten Untersuchungen hierzu erfolgten am Polyacetylen, dessen Leitfähigkeit über die Dotierung mit Arsenpentafluorid oder Iod erreicht wurde. Außerdem steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Kristallinität des Polymers. Weitere Beispiele für leitfähige Polymere sind dotiertes Polypyrrol, Polyphenylensulfid, Polythiophen sowie metallorganische Komplexe mit makrocyclischen Liganden wie Phthalocyanin. Eine oxidative Dotierung erreicht man mit Arsenpentafluorid, Titantetrachlorid, Brom oder Iod, eine reduktive Dotierung dagegen mit Natrium-Kalium-Legierungen oder Dilithiumbenzophenonat. Beim Dotieren entstehen Ladungen auf den Polymerketten, die durch die π-Konjugation über die Ketten delokalisiert sind. Die Erklärung für die Leitfähigkeit von Polymeren ist allerdings sehr komplex. So hat man versucht, den Ladungstransport entlang einer Polyenkette mit dem Soliton-Konzept bzw. mit dem Modell der Bipolaronen (auf einem kleinen Raum zusammengehaltene Ladungspaare) zu beschreiben.

Leitende, also elektrisch aktive Polymere werden zum Aufbau von polytronischen Anwendungen verwendet. Anders als in der Molekularelektronik wird die Information nicht in einzelnen Molekülen, sondern in verschieden dotierten Volumina verarbeitet.

Solche elektronischen Anwendungen sind:

Eine andere Anwendung ist die Verarbeitung von Polymeren mit Hilfe der Elektronik beim Elektrospinnen.

Gesundheitliche Beurteilung

Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft. Kunststoffe können daher prinzipiell im medizinischen Bereich (bsp. als Implantate) oder im Lebensmittelbereich (als Verpackung) eingesetzt werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass nur unbedenkliche Katalysatoren bei der Herstellung verwendet werden, keine schädlichen Monomere zurückbleiben etc.

Ein relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasst supramolekulare Polymere, also Polymere, deren Bausteine nicht durch kovalente Bindungen, sondern durch vergleichsweise schwache intermolekulare Bindungen, wie etwa Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen, Metall-Ligand-Wechselwirkungen, Van-der-Waals- oder hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Diese intermolekularen 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 intermolekularen 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.

Zur Bestimmung von Polymeren, Copolymeren und Polymermischungen kann die analytische Pyrolyse, gekoppelt mit der Gaschromatographie (Py-GC/MS) eingesetzt werden.

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Wiktionary: Polymer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Polymere – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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Polymer
polymer, meist, organischer, stoff, sich, wiederholenden, gleichen, einheiten, aufgebaut, sprache, beobachten, bearbeiten, dieser, artikel, behandelt, chemischen, stoff, siehe, auch, zeitschrift, javascript, bibliothek, char, beispiele, sich, wiederholende, ei. Polymer meist organischer Stoff der aus sich wiederholenden gleichen Einheiten aufgebaut ist Sprache Beobachten Bearbeiten Dieser Artikel behandelt den chemischen Stoff Siehe auch Polymer Zeitschrift Polymer JavaScript Bibliothek bzw Polymer Char Polymere Beispiele Die sich wiederholende Einheit des Polymers Polypropylen Cellulose ist ein Polymer und das wichtigste Strukturelement der Pflanzen Ein Polymer poliˈmeːɐ von altgriechisch poly poly viel und meros meros Teil ist ein chemischer Stoff der aus Makromolekulen besteht 1 Die Makromolekule dieser Stoffe 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 Fallen besteht ein Polymer aus nicht identischen Makromolekulen da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekulmasse der Molekule variiert Synthetische oder halbsynthetische Polymere sind die Hauptkomponente fur die Herstellung von Kunststoffen Von Lebewesen erzeugte Polymere werden Biopolymere genannt und haben essentielle Bedeutung fur das Leben Inhaltsverzeichnis 1 Einteilung 2 Synthetische Polymere 2 1 Polymerchemie 2 2 Struktur von Polymeren 2 3 Festkorperstrukturen 2 4 Polymerphysik 2 5 Temperaturbestandige Polymere 2 6 Leitfahige Polymere 2 7 Gesundheitliche Beurteilung 3 Supramolekulare Polymere 4 Beispiele und Kurzzeichen 5 Analytik 6 Literatur 7 Weblinks 8 EinzelnachweiseEinteilung BearbeitenPolymere konnen in naturliche und synthetische Polymere unterteilt werden Naturliche Polymere Biopolymere werden in Lebewesen synthetisiert und bilden die Grundbausteine der Organismen Zu diesen Polymeren zahlen die Proteine sie bilden beispielsweise Haare und die Seide Zu den Polysacchariden gehoren Zellulose Starke und Chitin Nukleinsauren erfullen viele biologische Funktionen wie Desoxyribonukleinsaure als Erbsubstanz Synthetische Polymere sind durch Polyreaktionen industriell oder im Labormassstab hergestellte Stoffe dazu gehoren Polyethylen Polystyrol und Polyvinylchlorid Chemisch modifizierte Polymere entstehen durch die Weiterverarbeitung von Biopolymeren beispielsweise Nitrocellulose Celluloid oder Starkederivate Polymere konnen nach der Anzahl der Grundstoffe Monomere aus denen sie aufgebaut sind eingeteilt werden Homopolymere bestehen aus nur einer Monomerart wie Polyethylen Polypropylen Polyvinylchlorid oder Polycaprolactam Ein naturliches Homopolymer ist Naturkautschuk als ein Polyisopren Copolymere sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut wie Acrylnitril Butadien Styrol Copolymer ABS Styrol Acrylnitril SAN oder Butylkautschuk Die meisten Biopolymere sind Copolymere Polymerblends entstehen durch Mischen von unterschiedlichen Homopolymeren und oder Copolymeren 2 Hergestellt werden sie meist durch intensive mechanische Vermischung von geschmolzenen Polymeren wobei sich ein homogenes Material ergibt Eine besondere Form eines Blends ist eine Polymerlegierung Ausserdem lassen sich organische von anorganischen Polymeren unterscheiden Anorganische Polymere enthalten im Gegensatz zu den organischen Polymeren keine Kohlenstoffatome in der Hauptkette des Polymers Zu den anorganischen Polymeren zahlen Polysiloxane Polyphosphazene oder Polysilazane Wahrend Glaser in den meisten chemischen Lehrbuchern nicht zu den Polymeren gezahlt werden gelten Glaser und teilweise auch Keramik und Basalt in anderen Lehrbuchern 3 und in der Textiltechnik als anorganische Polymere 4 5 6 Synthetische Polymere BearbeitenPolymerchemie Bearbeiten Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt uber verschiedene Arten von Polyreaktionen wie Kettenpolymerisationen Polykondensation oder Polyaddition Struktur von Polymeren Bearbeiten Die sich bei der Synthese bildenden Makromolekule haben unterschiedliche Grundstrukturen die die physikalischen Eigenschaften des Polymers bestimmen Es konnen sich lineare Makromolekule 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 Makromolekule mit einer Hauptkette auch Seitenketten bei Polyethylen waren es Alkylreste Neben der Kettenlange bestimmt auch der Verzweigungsgrad Dichte Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers Hochverzweigte Polymere sind amorph die Molekule im Feststoff wechselwirken ungeordnet miteinander Besonders unverzweigte Makromolekule bilden als Feststoff eine teilkristalline Struktur in der Abbildung unten rot markiert Wahrend verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel Thermoplaste sind liegen bei vielen Elastomeren eine weitmaschige Vernetzung zwischen den Hauptketten vor Eine engmaschige Vernetzung fuhrt hingegen zu Duroplasten Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt lineares Makromolekul verzweigtes Makromolekul teilkristalline Struktur linearer Polymere weitmaschig vernetztes Polymer 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 Homopolymer Polystyrol Eine Konstitutionelle Repetiereinheit die sich n fach im Makromolekul 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 Makromolekul abwechseln konnen Polyethylenterephthalat hat nur eine charakteristische Konstitutionelle Repetiereinheit obwohl zur Synthese zwei Monomere eingesetzt werden mussen Bei Copolymeren lassen sich uber Syntheseweg die Abfolge der konstitutionellen Repetiereinheiten lenken Es wird in statistische und alternierende Copolymere Blockcopolymere Pfropfcopolymer und Gradientcopolymere unterteilt In der Abbildung unten werden schematisch Bipolymere dargestellt und symbolisieren die beiden Repetiereinheiten Statistisches Copolymer Gradientcopolymer Pfropfcopolymer Alternierendes Copolymer Blockcopolymer Repetiereinheiten konnen Substituenten Reste tragen und werden in Abbildungen haufig mit dem Buchstaben R gekennzeichnet Sind die Monomereinheiten asymmetrisch tritt eine Taktizitat der Anordnungen im Makromolekul auf Die Polymere lassen sich in ataktische isotaktische und syndiotaktische Polymere unterteilen Ein Beispiel fur Taktizitaten ist Polystyrol mit einer Phenylgruppe als Rest Wahrend der klassische Syntheseweg zu ataktischen amorphen Kunststoffen fuhrt ergibt eine syndiotaktische Synthese ein kristallines Polystyrol mit wirtschaftlich steigender Bedeutung isotaktisch syndiotaktisch ataktisch Bei Polymeren die in der Hauptkette ungesattigt sind tritt in Analogie zur cis trans Isomerie cis oder trans taktische Polymere auf wie bei Naturkautschuk oder auch Butadien Kautschuk Stereospezifische Polymerisationen fuhren oft zu hoherer mechanischer Festigkeit hoherer Kristallinitat hoherer Dichte und hoherer Warmestabilitat Ausschnitt aus einer Polymerkette von cis 1 4 Polybutadien Eine C4 Einheit ist blau markiert Ausschnitt aus einer Polymerkette von trans 1 4 Polybutadien Eine C4 Einheit ist blau markiert Festkorperstrukturen Bearbeiten Die makroskopischen physikalischen Eigenschaften eines Polymers sind eng mit den Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander verknupft Statistischer Knaul Verhakungen mehrerer Molekule mit knaulartigen TeilstrukturenAtaktische Polymere Polymere mit einem hohen Verzweigungsgrad und statistische Copolymere bilden im festen Zustand amorphe glasartige Strukturen aus 7 In Schmelze und Losung bilden langkettige Molekule tendenziell einen sich standig andernden statistischen Knauel aus siehe Gausskette Freely Jointed Chain Modell Im festen Zustand wird die jeweiligen Konformationen der Molekule eingefroren Verhakungen und Verschlaufungen von Kettenmolekulen untereinander fuhren zu einer mechanischen Bindung zwischen den Ketten Zwischenmolekulare und intramolekulare Nebenvalenzbindungen treten nur an Stellen auf an denen Molekulsegmente nahe genug aneinander liegen Die unregelmassige Strukturen der Molekule verhindert eine engere Anordnung Solche Anordnungen werden gelegentlich Spaghettistruktur genannt Polyethylen Zickzack Konformation der Molekule in dichten Kettenpackungen Lamellen mit Tie Molekulen Spharolith Helix p Aramid rot gepunktet WasserstoffbruckenbindungenLineare Polymere mit regelmassigem Aufbau mit geringer Verzweigung und stereoregulare iso und syndiotaktische Polymere haben im festen Zustand eine teilkristalline Struktur 7 Bei einfach strukturierten Polymeren wie bei Polyethylen liegen in einer idealisierten Vorstellung weite Bereiche nicht als Knauel sondern in Zickzack Konformation vor Mehrere Zickzack Konformationen bilden dichte Kettenpackungen aus und sind damit in diesen Bereichen kristallin Solche Kristallite werden Lamellen genannt und sind viel dunner oft etwa 10 nm 8 als die Polymere lang sind Sie werden durch mehr oder weniger regularer Faltungen einer oder mehrere Molekulketten gebildet Zwischen den Lamellen liegen amorphe Strukturen vor Einzelne Molekule konnen zwischen den Lamellen zu Verschlaufungen fuhren aber auch an der Bildung von zwei oder mehr Lamellen beteiligt sein Tie Molekule Mehrere Lamellen bilden eine Uberstruktur einen Spharolith oft mit einem Durchmesser im Bereich von 0 05 bis 1 mm 8 Art und Anordnung von funktionellen Resten der Wiederholeinheiten beeinflussen oder bestimmen die Kristallinitat und die Starke der Nebenvalenzbindungen mit Bei isotaktischem Polypropylen bilden die Molekule eine Helix Helices erlauben wie bei einer Zickzack Konformation eine dichte Kettenpackung Besonders kraftige intermolekulare Wechselwirkungen treten auf wenn die Reste der Wiederholeinheiten die Ausbildung Wasserstoffbruckenbindungen erlauben wie beispielsweise bei p Aramid Die Kristallinitat und Uberstruktur ist immer abhangig von den Bedingungen ihrer Bildung siehe auch Kristallisation von Polymeren Teilkristalline Strukturen fuhren im Vergleich zu amorphen Strukturen zu einer hoheren Steifigkeit Dichte Schmelztemperatur und Bestandigkeit eines Polymers Weitmaschig vernetzte Polymere sind Elastomere und lassen sich nicht wie Thermoplaste ohne Zersetzung schmelzen Thermoplastische Elastomere sind hingegen reversibel uber Nebenvalenzen physikalisch vernetzt und lassen sich schmelzen Eine Variante sind Blockcopolymere bei dem ein Hartsegment des Polymers die Neigung zur Kristallisation hat und einem Weichsegment mit amorpher Struktur Die Hartsegmente sorgen fur eine weitmaschige physikalische Vernetzung weitmaschig vernetztes Polymer weitmaschig vernetztes Polymer unter Zuglast Kristallite als Vernetzung eine Variante eines thermoplastischen Elastomers teilkristallines thermoplastisches Elastomer unter ZuglastPolymerphysik Bearbeiten Hauptartikel 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 Duroplaste Elastomere Thermoplaste Thermoplastische Elastomere In der Polymerphysik beschaftigt man sich unter anderem mit Mittlere Molmasse Molmassenverteilung Kristallisation und Kristallisationskinetik Oberflacheneigenschaften von Polymeren Rheologie also dem Fliessverhalten und der ViskositatTemperaturbestandige Polymere Bearbeiten Hauptartikel Hochleistungskunststoffe Die Temperaturbestandigkeit eines Polymers hangt von der Struktur der verwendeten Monomere der Stabilitat der Bindungen zwischen den Monomeren und den Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander ab Eine hohe Warmebestandigkeit kann durch eine Erhohung der Schmelzenthalpie und eine Erniedrigung der Schmelzentropie erreicht werden Bei amorphen Polymeren sollten die Glastemperatur und bei teilkristallinen Polymeren die Glas und Schmelztemperatur moglichst hoch sein Zum Erreichen von Temperaturbestandigkeit konnen 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 Moglichkeit ist der Aufbau von Polymeren mit zwei parallelen und miteinander verbundenen Hauptketten Leiterpolymere 9 Leitfahige Polymere Bearbeiten Hauptartikel Leitfahige Polymere Hauptartikel Organische Elektronik Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen beispielsweise Einzelnachweisen ausgestattet Angaben ohne ausreichenden Beleg konnten demnachst entfernt werden Bitte hilf Wikipedia indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfugst Eine Voraussetzung fur die elektrische Leitfahigkeit von Polymeren ist das Vorhandensein von konjugierten Pi Elektronensystemen Allerdings sind solche Polymere zunachst immer noch Isolatoren bestenfalls Halbleiter Die Leitfahigkeit vergleichbar mit der von metallischen Leitern setzt erst dann ein wenn die Polymere oxidativ oder reduktiv dotiert werden Die ersten Untersuchungen hierzu erfolgten am Polyacetylen dessen Leitfahigkeit uber die Dotierung mit Arsenpentafluorid oder Iod erreicht wurde 10 Ausserdem steigt die Leitfahigkeit mit zunehmender Kristallinitat des Polymers Weitere Beispiele fur leitfahige Polymere sind dotiertes Polypyrrol Polyphenylensulfid Polythiophen sowie metallorganische Komplexe mit makrocyclischen Liganden wie Phthalocyanin Eine oxidative Dotierung erreicht man mit Arsenpentafluorid Titantetrachlorid Brom oder Iod eine reduktive Dotierung dagegen mit Natrium Kalium Legierungen oder Dilithiumbenzophenonat Beim Dotieren entstehen Ladungen auf den Polymerketten die durch die p Konjugation uber die Ketten delokalisiert sind Die Erklarung fur die Leitfahigkeit von Polymeren ist allerdings sehr komplex So hat man versucht den Ladungstransport entlang einer Polyenkette mit dem Soliton Konzept bzw mit dem Modell der Bipolaronen auf einem kleinen Raum zusammengehaltene Ladungspaare zu beschreiben 11 Leitende also elektrisch aktive Polymere werden zum Aufbau von polytronischen Anwendungen verwendet Anders als in der Molekularelektronik wird die Information nicht in einzelnen Molekulen sondern in verschieden dotierten Volumina verarbeitet Solche elektronischen Anwendungen sind Displays OFETs OLEDs RFID Tags Solarzellen Sensoren und Aktoren Brennstoffzellen Lithium Polymer Akkus Elektrolytkondensatoren Eine andere Anwendung ist die Verarbeitung von Polymeren mit Hilfe der Elektronik beim Elektrospinnen Gesundheitliche Beurteilung Bearbeiten Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft 12 13 Kunststoffe konnen daher prinzipiell im medizinischen Bereich bsp als Implantate oder im Lebensmittelbereich als Verpackung eingesetzt werden Es muss jedoch darauf geachtet werden dass nur unbedenkliche Katalysatoren bei der Herstellung verwendet werden keine schadlichen Monomere zuruckbleiben etc Supramolekulare Polymere BearbeitenEin relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasst supramolekulare Polymere also Polymere deren Bausteine nicht durch kovalente Bindungen sondern durch vergleichsweise schwache intermolekulare Bindungen wie etwa Wasserstoffbruckenbindungen Ionenbindungen Metall Ligand Wechselwirkungen Van der Waals oder hydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten werden 14 Diese intermolekularen Bindungen konnen leicht zerbrochen werden bei erhohter Temperatur konnen sich jedoch auch schnell wieder zuruckbilden beim Abkuhlen Aufgrund dieser Reversibilitat zahlen supramolekulare Polymere als neue Klasse selbstheilender Materialien 15 Eine weitere Folge der schwachen intermolekularen Bindungen ist die geringe Viskositat von Schmelzen supramolekularer Polymere was bei der Herstellung und Verarbeitung von Vorteil sein kann aber auch bei bestimmten Anwendungen wie dem Tintenstrahldrucken Wahrend kovalent gebundene Polymere eine grosse Rolle in der Natur spielen DNA Polypeptide Cellulose sind relativ wenige naturlich vorkommende supramolekulare Polymere bekannt Ein Beispiel supramolekularer Polymerisation in der Natur ist die Selbstassemblierung des Tabakmosaikvirus Beispiele und Kurzzeichen BearbeitenSynthetische Polymere Polyethylen PE Polypropylen PP Polyvinylchlorid PVC Polystyrol PS besser bekannt in geschaumtem Zustand als Styropor Handelsname der BASF Polytetrafluorethylen PTFE Handelsname ist Teflon E l Du Pont de Nemours and Company oder Tefal Polymethylmethacrylat PMMA unter dem Handelsnamen Plexiglas Evonik Industries AG Polyacrylnitril PAN als Copolymer mit Polymethylmethacrylat zur Herstellung von Textilfasern Polyacrylamid PAA als Gel Bildner Flockungsmittel u a die Gruppe der Polyamide als PA66 unter dem Handelsnamen Nylon als PA6 unter dem Handelsnamen Perlon oder als PA12G unter dem Handelsnamen Lauramid die Gruppe der Aramide Polyaramide aromatische Polyamide darunter die Textilfasern Poly p phenylenterephthalamid PPTA Handelsnamen Kevlar Twaron und Poly m phenylenterephthalamid PMPI Handelsnamen Nomex Teijinconex Polyketone wie Polyetherketone PEK Polyester zu dieser Produktgruppe gehoren auch Polycarbonate PC mit Handelsnamen Lexan oder Makrolon Covestro Polyethylenterephthalat PET Polyethylenglycol PEG die Gruppe der Polyurethane PU Silikone genauer Poly organo siloxane Melaminharz MF ein Polymer auf Basis von Melamin und Formaldehyd Biopolymere Proteine wie Enzyme Haare Seide Kohlenhydrate wie Zellulose Holz Papier Starke Chitin DNS die Erbsubstanz RNS Polyhydroxyalkanoate die Biopolyester als Energie und Kohlenstoff Speicher von BakterienAnalytik BearbeitenZur Bestimmung von Polymeren Copolymeren und Polymermischungen kann die analytische Pyrolyse gekoppelt mit der Gaschromatographie Py GC MS eingesetzt werden 16 Literatur BearbeitenManfred D Lechner Klaus Gehrke Eckhard H Nordmeier Makromolekulare Chemie Ein Lehrbuch fur Chemiker Physiker Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker 5 Auflage Springer Verlag Berlin Heidelberg 2014 ISBN 978 3 642 41768 9 J Kahovec R B Fox K Hatada Nomenclature of regular single strand organic polymers IUPAC Recommendations 2002 In Pure and Applied Chemistry 74 10 2002 S 1921 1956 doi 10 1351 pac200274101921 online Fassung Ulf W Gedde Polymer Physics Chapman amp Hall London u a 1995 ISBN 0 412 62640 3 H Cherdron F Herold A Schneller Technisch wichtige temperaturbestandige Polymere Chemie in unserer Zeit 23 Jahrg 1989 Nr 6 S 181 192 ISSN 0009 2851 Klaus Menke Siegmar Roth Metallisch leitfahige Polymere I und II Chemie in unserer Zeit 20 Jahrg 1986 Nr 1 S 1 10 Nr 2 S 33 43 ISSN 0009 2851 Michael Droscher Ordnungszustande in Polymeren In Chemie in unserer Zeit Band 10 Nr 4 1976 S 106 113 doi 10 1002 ciuz 19760100403 Dietrich Braun Der lange Weg zum Makromolekul Polymerforschung vor Hermann Staudinger In Chemie in unserer Zeit Band 46 Nr 5 2012 S 310 319 doi 10 1002 ciuz 201200566 Weblinks Bearbeiten Wiktionary Polymer Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Commons Polymere Sammlung von Bildern Videos und Audiodateien VDMA Polymerelektronik Chemischer Hintergrund Einfuhrung und Ausblick in die Chemie der Polymere englisch Einzelnachweise Bearbeiten Eintrag zu polymer In IUPAC Compendium of Chemical Terminology the Gold Book doi 10 1351 goldbook P04735 Version 2 3 3 Eintrag zu Polymer Blend In IUPAC Compendium of Chemical Terminology the Gold Book doi 10 1351 goldbook P04736 Version 2 3 1 Hans Georg Elias Makromolekule John Wiley amp Sons 2003 ISBN 978 3 527 62654 0 Band 4 S 165 Chokri Cherif Hrsg Textile Werkstoffe fur den Leichtbau Springer Verlag Berlin Heidelberg 2011 ISBN 978 3 642 17991 4 S 14f Hilmar Fuchs Wilhelm Albrecht Hrsg Vliesstoffe Rohstoffe Herstellung Anwendung Eigenschaften Prufung 2 Auflage Wiley VCH Verlag Weinheim 2012 ISBN 978 3 527 31519 2 S 42 Wolfgang Bobeth Hrsg Textile Faserstoffe Beschaffenheit und Eigenschaften Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1993 ISBN 3 540 55697 4 Arten textiler Faserstoffe in Abb 1 1 s hinterer Vorsatz a b Bernd Tieke Makromolekulare Chemie 3 Auflage Wiley VCH Weinheim 2014 S 295f a b Wolfgang Kaiser Kunststoffchemie fur Ingenieure 3 Auflage Carl Hanser Munchen 2011 S 84 Harald Cherdron Friedrich Herold Arnold Schneller Technisch wichtige temperaturbestandige Polymere In Chemie in unserer Zeit 23 1989 S 181 192 doi 10 1002 ciuz 19890230602 C K Chiang Y W Park A J Heeger H Shirakawa E J Louis A G MacDiarmid Conducting polymers Halogen doped polyacetylene In The Journal of Chemical Physics Band 69 Nr 11 1978 S 5098 5104 doi 10 1063 1 436503 G G Wallace T E Campbell P C Innis Putting function into fashion Organic conducting polymer fibres and textiles In Fibers and Polymers Band 8 Nr 2 2007 S 135 142 doi 10 1007 BF02875782 Peter Elsner Peter Eyerer Domininghaus Kunststoffe Eigenschaften und Anwendungen Hrsg Thomas Hirth Springer 2012 ISBN 978 3 642 16173 5 Kunststoffempfehlungen des BfR Abgerufen am 13 November 2019 T F A de Greef E W Meijer Materials Science Supramolecular Polymers In Nature 453 S 171 173 orf at Materialforschung Selbstheilung durch Licht abgerufen am 21 April 2011 Mark Burnworth et al Optically healable supramolecular polymers in Nature Volume 472 S 334 337 doi 10 1038 nature09963 Andreas Klingberg Eike Kleine Benne Polymeranalyse Das Chromatogramm als Fingerabdruck nutzen In LABO 6 Dezember 2018 abgerufen am 30 Juli 2021 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Polymer amp oldid 214346629, wikipedia, wiki, deutsches

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