Grundlagen der Polymer-Chemie

Diese Seite ist sehr theorielastig. Es geht hier darum, die Grundprinzipien der Polymerchemie zu verstehen. Dazu werden die Grundbegriffe relativ knapp und kompakt eingeführt. Anhand von Beispielen mit alltäglichen Kunststoffen werden dann diese Grundbegriffe aber genauer erläutert und vertieft. Ein wichtiger Aspekt, der hier eine Rolle spielt ist die Auswirkung der inneren Struktur und der Aufbau des Makromoleküls und die Auswirkung auf die Eigenschaften des Werkstoffs, den wir in der Nutzung und Untersuchung erleben.

== Grundbegriff Polymer ==
Ein Polymer (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 '''Repetiereinheiten''' oder '''Wiederholeinheiten''', aufgebaut. 

Als Beispiel sei das Polypropylen betrachtet:
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{|style="text-align: center;" 
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| style="width:200px;"| [[Datei:Polypropylene.svg|200px]] 
| style="width:600px;"| [[File:Polypropylene syndiotactic mini trp.png|500px]]
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| '''Repetiereinheit''' des Polypropylen || '''Polymerkette''' des Polypropylens: man erkennt an der Hauptkette anhängen Seitenketten (hier: Methal-Gruppen), die auch in der Reptiereinheit zu sehen sind.
|}
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Das '''Adjektiv polymer''' bedeutet dementsprechend „aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“. 

Ein Polymer besteht nie aus identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekülmasse der Moleküle variiert.

== Einteilung der Polymere aufgrund der Repetiereinheiten ==
Die Repetiereinheiten der Polymere entstehen aus den der Verknüpfung von '''Monomeren'''. Monomere sind relativ kleine, reaktionsfähige Moleküle, die sich zu den Polymeren zusammenschließen können. Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt dabei über verschiedene Arten von sogenannten Polyreaktionen, wie die '''Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition'''.
 
Polymere können nach der Anzahl der Monomere, aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden:
* '''Homopolymere''' bestehen aus nur einer Monomerart wie das bei den wichtigen Polymeren wie Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid. Ein natürliches 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. Bei Copolymeren lässt sich über Syntheseweg die Anordnung der Repetiereinheiten recht genau festlegen, was zur Einteilung der Copolymere in verschiedene Typen führt. 

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{|style="text-align:center; font-size:90%;"
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| [[Datei:Statistical copolymer 3D.svg|270px|Statistisches Copolymer]]<br /> Statistisches Copolymer
| [[Datei:Gradient copolymer 3D.svg|270px|Gradientcopolymer]]<br /> Gradientcopolymer
| rowspan="2" | [[Datei:Graft copolymer 3D.svg|270px|Pfropfcopolymer]]<br /> Pfropfcopolymer
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| [[Datei:Alternating copolymer 3D.svg|270px|Alternierendes Copolymer]]<br /> Alternierendes Copolymer
| [[Datei:Block copolymer 3D.svg|250px|Blockcopolymer]]<br /> Blockcopolymer
|}</center>


* '''Polymerblends''' entstehen durch Mischen von unterschiedlichen Homopolymere und/oder Copolymeren. Hergestellt werden sie meist durch intensive mechanische Vermischung von geschmolzenen Polymeren, wobei sich ein homogenes Material ergibt.



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{|class=wikitable  style="text-align:left; font-size:90%;" width="80%"
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|align="center" colspan="4" |'''Beispiele Homo- und Copolymere und ihre Repetiereinheiten'''
|- style="vertical-align:top"
| [[Datei:Polystyrene skeletal.svg|80px|zentriert]]
| [[Datei:Poly(dimethylsiloxan).svg|100px|zentriert]]
| [[Datei:Styrol-Butadien-Kautschuk.svg|180px|zentriert]]
| [[Datei:PET.svg|200px|zentriert]]
|- style="vertical-align:top"
| '''Homopolymer''' Polystyrol: Eine Repetiereinheit, die sich ''n''-fach im Makromolekül wiederholt.
| '''Homopolymer''' Polydimethylsiloxan, ein Silikon. Die Hauptkette wird von Silicium- und Sauerstoffatomen gebildet.
| '''Copolymer''' Styrol-Butadien-Kautschuk: Die Monomeren Styrol und 1,3-Butadien bilden zwei Repetiereinheiten, die sich nach der Abbildung in beliebiger Reihenfolge in einem Makromolekül abwechseln können.
| Polyethylenterephthalat hat nur eine charakteristische Repetiereinheit, obwohl zur Synthese zwei Monomere eingesetzt werden müssen.
|}</center>
=== Herstellung von Polymeren - die radikalische Polymerisation ===
Das Grundprinzip aller Herstellungsverfahren künstlichen Polymere ist die Herstellung eines Makromoleküls aus den Monomeren.

Die einfachste Variante ist die '''Polymerisation''', international üblicherweise auch '''Kettenpolymerisation''' genannt. Es bezeichnet alle chemischen Reaktionen, bei denen sich fortlaufend gleiche oder unterschiedliche Monomere an ein wachsendes Polymer zusammensetzen. Dabei findet weder eine Abspaltung von Nebenprodukten, noch eine Wanderung von Molekülgruppen innerhalb der Reaktionspartner statt. <u>Keine</u> Kettenpolymerisationen sind Polykondensationen (''Abspaltung von kleinen Molekülen'') und Polyadditionen (''Umgruppierung'').

Alle Arten von Polymerisationen beruhen im Wesentlichen auf drei Teilschritten:
* Einer '''Startreaktion''', bei der sich ein sogenanntes aktives Zentrum bildet, das der Ausgangspunkt für die Bildung des Makromoleküls ist.
* Die '''Wachstumsreaktion''', bei der die makromolekulare Kette durch wiederholte Anlagerung der Monomere immer länger wird. Dabei findet jedes Mal die gleiche Reaktion statt, wobei das aktive Zentrum sich in jedem Schritt an das bisherige "Ende" des Makromoleküls "verschiebt".
* Die '''Abbruchreaktion''', bei der das Wachstum der Kette durch verschiedene mögliche Reaktion beendet wird. Je nach Art des aktiven Zentrums sind verschiedene Abbruchreaktionen möglich.

Je nach Art der Startreaktion und der Art des aktiven Zentrums unterscheidet man zwischen radikalischer, kationischer und anionischer Polymerisationen. Wir betrachten nur einen Typ davon. Der Ablauf bei den anderen ist fast identisch.

==== Der Mechanismus der radikalischen Polymerisation ====
[[Datei:Elektronenvwerschiebung V1.svg|thumb|<small>Elektronenpaarverschiebung (links) und Einelektronenverschiebung (rechts)</small>.]]Unter einem Reaktionsmechanismus versteht man in der Chemie einen Prozess, der von den Edukten bis zum zu den Produkten immer ähnlich verläuft und bei dem Zwischenprodukte und Übergangszustände eindeutig definiert werden können. Dabei ist der Verlauf unabhängig vom genauen Ausgangsstoff sondern hängt nur davon ab, das bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Meist sind das bestimmte Gruppierungen im Edukt oder zugesetzte Hilfschemikalien. Bei diesen Mechanismen spielen fast immer Elektronenbewegungen eine Rolle. Die Verschiebung und Umlagerung von einzelnen Elektronen oder Elektronenpaaren werden meist mit geschwungenen Pfeilen (↷) angedeutet (''siehe auch rechts!'').

Zum ''Kettenstart'' der Polymerisation wird ein Starter zugegeben, der sehr instabil ist und in zwei Radikale zerfällt. Ein solches Radikal greift die Mehrfachbindung an, indem das Elektronenpaar der Doppelbindung aufgespalten wird. Das Radikal R bindet sich mit Hilfe eines der Elektronen der Doppelbindung an das eine Kohlenstoff-Atom und dabei bleibt am zweiten Kohlenstoff-Atom der Doppelbindung ein einzelnes Elektron zurück. Dieses zweite Kohlenstoff-Atom ist damit nun selber ein Radikal.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Start.svg|rahmenlos|hochkant=1.7|Mechanismus der Startreaktion bei einer radikalischen Polymerisation]]


An dieses Ausgangsradikal lagern sich nun in einer ''Wachstumsreaktion'', ohne das eine weitere Zufuhr von Aktivierunsenergie notwendig ist, ständig mehr Monomere an. Dabei findet, wie bei der Startreaktion, durch den Angriff des radikalischen Kohlenstoff-Atoms an ein Monomer, bei diesem immer eine Spaltung der Doppelbindung und Umlagerung der einzelnen Elektronen statt. Diese Reaktion kann theoretisch immer so weiter ablaufen, bis schließlich das Monomer aufgebraucht ist.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Wachstum.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Wachstumsreaktion bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]


Bei der radikalischen Polymerisation sind zwei einfache Reaktionen denkbar, bei denen zu einem ''Abbruch der Kettenreaktion'' ohne weiteres Zutun kommt. In beiden Fällen "verschwindet" das Radikal und somit kann die Wachstumsreaktion nicht mehr weiter ablaufen.

<u>1. Möglichkeit:</u> Beim das Zusammentreffen zweier Radikale bilden beide einzelnen Atome zusammen eine Elektronenpaarbindung.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Abbruch Kombination.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Abbruchsreaktion durch Disproportionierung bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]

<u>2. Möglichkeit:</u> Innerhalb eines der Radikale findet die Bildung einer Doppelbindung statt und das dabei freiwerdende Wasserstoff-Radikal bindet sich an ein anderes Radikal. Hier ist zu beachten, dass der eine Pfeil nicht nur einen Elektronenumlagerung sondern auch die Umlagerung des Wasserstoffs bewirkt, zu dem das Elektron gehört.

:[[Datei:RadikalischeKettenpolymerisation Abbruch Disproportionierung.svg|rahmenlos|hochkant=3.1|Mechanismus der Abbruchsreaktion durch Disproportionierung bei einer radikalischen Kettenpolymerisation]]


Wie lang die Ketten werden, hängt im wesentlichen nicht davon ab, wieviel des Monomers man zur Verfügung stellt. Je mehr Starter hinzugegeben wird, desto mehr Ketten fangen gleichzeitig an zu wachsen und desto kürzer werden die Ketten, da sich die Monomere auf mehr Ketten verteilen. Es gibt auch sogenannte Kettenüberträger, die gezielt zu bestimmten Zeitpunkten der Polymerisation zugegeben werden, um das aktive Zentrum einer wachsenden Polymerkette auf ein anderes Molekül zu übertragen.
:P• + XR → PX + R•
::<small>''P = Polymerkette, XR = Kettenüberträger''</small>

=== Gleiches Monomer - verschiedenes Polymer ===

== Die Struktur der Polymere ==
Ein sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften des Polymers hat die Grundstruktur des Makromoleküls. Auch bei gleichem Monomer gibt es dabei verschiedene Varianten-
* Es können sich '''lineare Makromoleküle''' bilden, die nur aus einer Polymerkette bestehen. Im Fall von '''Polyethylen''' z.B. ist die Hauptkette ein langkettiges, unverzweigtes Alkan. 
* Bei entsprechenden Reaktionsbedingungen bilden sich auch '''verzweigte Makromoleküle''' mit einer Hauptkette und Seitenketten, bei verzweigtem Polyethylen wären es dann Alkylreste.

Neben der Kettenlänge bestimmt auch der '''Verzweigungsgrad''' Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Je nach Anordnung der verschiedenen Molekülketten im Material kann es zu unterschiedlich starken Wechselwirkungen dazwischen kommen. Wenn nicht polare Gruppierungen enthalten sind, spielen nur die Van-der-Waals-Kräfte dabei eine Rolle. 

Ungeordnete und stark verzweigte Polymere sind '''amorph''', die Moleküle im Feststoff können nur ungeordnet miteinander wechselwirken. Unverzweigte Makromoleküle können als Feststoff eine '''teilkristalline Struktur''' ausbilden, bei der aufgrund einer parallelen Anordnung der Molekülketten relativ starke Van-der-Waals-Kräfte wirken können.
 
Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel sogenannte '''Thermoplaste''' sind, liegen bei den '''Elastomeren''' eine weitmaschige Vernetzung zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine '''engmaschige Vernetzung''' führt hingegen zu Duroplasten. 



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{| class="wikitable" style="text-align:center; font-size:90%;" width="60%"
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| [[Datei:Polymerstruktur-linear.svg|130px]]<br /> lineares Makromolekül
| [[Datei:Polymerstruktur-verzweigt.svg|130px]]<br /> verzweigtes Makromolekül
| [[Datei:Polymerstruktur-teilkristallin.svg|150px]]<br />teilkristalline Struktur linearer Polymere
| [[Datei:Polymerstruktur-weitmaschig vernetzt.svg|130px]]<br /> weitmaschig vernetztes Polymer
| [[Datei:Polymerstruktur-engmaschig vernetzt.svg|130px]]<br /> engmaschig vernetztes Polymer
|} 
<small>Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt. Die roten, parallel liegenden Streifen sind die kristallinen Bereiche.</small>
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=== Einteilung in Thermoplasten, Elastomere und Duroplasten ===


=== Teilkristalline Polymere ===


[[Kategorie:Kunststoffe]]
[[Kategorie:Organische Chemie]]