Polymerisation: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 15. November 2018, 18:53 Uhr

Polymerisation

Die Polymerisation ist ein Vorgang, bei dem ein Kunststoff gebildet wird. Es handelt sich dabei um eine Reaktionsfolge, die immer in gleichen Schritten abläuft und sich wiederholt. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass mindestens eine Doppelbindung vorhanden sein muss. Elastomere die mit diesem Verfahren hergestellt werden sind überwiegend verschiedene Kautschuk-Arten. Man unterscheidet dabei die ionische Polymerisation und die radikalische Polymerisation.^[1]

ionische Polymerisation

Bei der ionischen Polymerisation handelt es sich um eine Polymerisation die durch Ionen stattfindet. Man unterscheidet zwischen zwei verschiedenen Arten, einmal der kationischen Polymerisation, die durch Kationen stattfindet und der anionischen Polymerisation, die durch Anionen stattfindet. Beide Arten durchlaufen drei verschiedene Phasen, den Kettenstart, den Kettenwachstum und den Kettenabbruch, wobei jedoch bei der anionischen Polymerisation zu dem Fall kommen kann, dass keine Abbruchreaktion formuliert werden könnte.^[2]

Kationische Polymerisation

Kettenstart

Um eine kationische Polymerisation durchführen zu können, benötigt man ein Kation, also ein positiv geladenes Teilchen, welches dann mit einem Monomer reagieren kann. Im Folgendem wird der Mechanismus am Beispiel von Polyethylen (PE) erklärt.^[2][1]

1) Kettenstart

Kettenwachstum

Zu Beginn liegt ein Wasserstoff-Ion, das Kation, vor. Dieses reagiert mit Ethen, dem Monomer. Es löst die Doppelbindung der C-Atome innerhalb des Ethens auf und bindet sich an ein Kohlenstoffatom. Nun hängt das Wasserstoff-Ion am Monomer. Die positive Ladung ist verschoben worden und sitzt jetzt am Ende des früheren Ethens.

2) Kettenwachstum

Kettenabbruch

Das entstandene Carbokation reagiert nun weiter nach dem Prinzip des Kettenstarts. Das Kation des Carbokations löst erneut die Doppelbindung eines neuen Ethens, bindet sich an diese und hängt am Monomer. Dieser Vorgang wird nun weiter wiederholt.

3) Kettenabbruch

Um die Reaktion abzubrechen muss ein Anion, ein negativ geladenes Teilchen, an der Reaktion teilnehmen. Dadurch, dass das Anion mit dem Kation reagiert, existiert kein freies Kation mehr, das mit einem weiteren Monomeren reagieren könnte. Somit kann die Kette nicht mehr wachsen und Polyethylen (PE) (in Plastiktüten und Mülltonnen vorhanden) ist entstanden.

Anionische Polymerisation

Kettenstart

Die anionische Polymerisation läuft grundsätzlich wie die der kationischen ab. Der grundlegende Unterschied liegt darin, dass die Reaktion mit einem Anion, einem negativ geladenem Teilchen, gestartet und mit einem Kation beendet wird.^[3]

1) Kettenstart

Kettenwachstum

Das vorliegende Anion reagiert mit Ethen, dem Monomer und löst dabei die Doppelbindung zwischen den C-Atomen auf. Indem es sich an ein Kohlenstoff bindet, hängt das Anion nun am Monomer. Die negative Ladung ist verschoben worden und sitzt jetzt am Ende des früheren Ethens.

2) Kettenwachstum

Kettenabbruch

Das entstandene Carbanion reagiert nun weiter nach dem Prinzip des Kettenstarts. Das Anion des Carbanion löst wie zuvor die Doppelbindung eines neu dazugegeben Ethens, bindet sich an diese und hängt am Monomer. Dieser Vorgang wird nun weiter wiederholt.

3) Kettenabbruch

Um die Reaktion abzubrechen muss ein Kation, ein positiv geladenes Teilchen, an der Reaktion teilnehmen. Dadurch, dass das Kation mit dem Anion reagiert, existiert kein freies Anion mehr, das mit einem weiteren Monomeren reagieren könnte. Somit kann die Kette nicht mehr wachsen. Bei der anionischen Polymerisation findet ein Kettenabbruch nur dann statt, wenn ein Kationen vorhanden ist. Falls es also nicht der Fall ist, so bleibt das Anion am fertigen Makromolekül. So können sie, wenn man nicht aufhört, Monomere hinzufügen, weiterhin wachsen. Dies nennt man lebende Polymerisation.^[4]

radikale Polymerisation

Bei der radikalischen Polymerisation werden Radikale , welche ein freies, ungepaartes Elektron besitzen, als Initiator verwendet, also als Molekül, dass die Reaktion anstößt. Diese spalten die Doppelbindungen von Monomeren auf, welche dann zu Polymeren reagieren. Diese Reaktion läuft in 4 Phasen ab. Im Folgenden wird dies am Beispiel von Polyvinylchlorid (PVC) erklärt. ^[5]

1. Phase: Bildung Startradikale

Hierbei werden Verbindungen homolytisch aufgespalten. Das bedeutet, dass die Elektronen sich gleichmäßig verteilen, eines zur einen Seite und eines zur anderen. Diese Spaltung erfolgt durch Licht und Wärme.

1. Schritt Polymerisation

2. Phase: Erzeugung von Monomer-Radikalen

Bei der Erzeugung eines Monomer-Radikals verbindet sich das freie Elektron des Startradikale mit einem Elektron der Doppelbindung des Kohlenstoffmoleküls. Somit kann es eine einfache Elektronenbindung zum C- Atom eingehen. Das andere Elektron der Doppelbindung ist nun ein freies, ungeplantes Elektron am C- Atom. Gebildet wird also ein Monomer- Radikal, welches aus dem Startradikal, dem Kohlenstoffatom und dem freien, ungepaarten Elektron besteht. Bei der Beispielgleichung handelt es sich um eine Strukturgleichung die am Beispiel von Cl gemacht worden ist, welches aber durch verschiedene Stoffe ersetzbar ist, um einen bestimmten Werkstoff herzustellen. Benutzt man also CN an stelle des X, erhält man am Ende der Phasen Polyacrylnitril (PAN). (vergleiche rote Tabelle)

2. Schritt Polymerisation

3. Phase: Kettenwachstum

Namengebung

In der Phase des Kettenwachstums geht es darum, die Kette von Monomeren zu verlängern. Hierbei geht das freie Elektron des Monomer-Radikals eine einfache Elektronenbindung mit dem c-Atom durch Aufspaltung der Doppelbindung eines weiteren Monomers ein. Die Doppelbindung spaltet sich homolytisch, ein Elektron wird benötigt um eine einfache Elektronenbindung von Monomer-Radikal und weiterem Monomer herzustellen. Bei dem übrigen Elektron handelt es sich wieder um ein freies, ungepaartes, dass bereit ist, eine weitere Bindung mit einem zweiten Monomer einzugehen. Insgesamt entsteht dabei ein längeres Radikal, dass man als Produktradikal bezeichnet. Diesen Vorgang kann man beliebig oft fortsetzen. Da das Dokumentieren jedoch sehr unübersichtlich wäre setzt man eine Klammer um das Monomer in der Kette und schreibt unten rechts die Anzahl verwendeter weitere Monomere hin. Bildet man also eine Kette mit 10 weitern Monomeren, wäre die Zahl unten rechts 10. (siehe Abbildung ionische Polymerisation-->Kettenabbruch)

3. Schritt Polymerisation

4. Phase: Kettenabbruch

Rekombination

Um die Bildung einer längeren Kette zu stoppen, kann man das Radikal mit einem weiteren Radikal reagieren lassen. Dabei entsteht zwischen den Radikalen, die jeweils ein freies Elektron haben, eine einfache Elektronenbindung. Jedoch gibt es nun kein freies Elektron mehr,also auch kein Radikal mehr, dass in der Lage wäre, die Doppelbindung eines weiteren Monomers aufzuspalten. Somit kann keine Elektronenbindung entstehen und die Kette kann sich nicht weiter fortsetzen. Dies funktioniert sowohl mit dem Startradikal, als auch mit dem Monomer-Radikal und dem Produktradikal.

Disproportionierung

Bei dieser Kettenabbruchsreaktion bindet das freie Elektron vom Radikal 1 nicht mit dem von Radikal 2, sondern nimmt Radikal 2 ein H-Atom weg und bildet mit dessen freien Elektron eine C-H-Bindung aus. Da Radikal 2 nun zwei ungepaarte Elektronen hat, bilden diese ein Elektronenpaar. Dabei entsteht eine Doppelbindung zwischen den C-Atomen. Insgesamt ist nun Radikal 1 ein Alkan geworden, während Radikal 2 nun ein Alken ist. Beide besitzen nun keine freien Elektronen mehr, die Kettenbildung wird also abgebrochen.

Vullkanisierung

Bei der Vulkanisierung handelt es sich um ein Verfahren, dass in der Lage ist, thermoplastische Natur- und Synthesekautschuke in elastomere Kunststoffe zu überführen.
Thermoplastische Stoffe bestehen aus langen Ketten, welche nicht wetterbeständig sind. Ist es also sehr heiß, wird der reine Kautschuk klebrig, ist es zu kalt wird er brüchig. Um diese Eigenschaften zu verbessern und den Kautschuk wetterbeständig zu machen, werden kovalente Vernetzungen der Makromoleküle gebildet.
Dies führt dazu, dass die Moleküle sich nicht mehr frei bewegen können und verleiht dem Stoff elastische Eigenschaften.
Die Vulkanisieren funktioniert wie folgt: Kautschuk wird mit Schwefel unter Zusatz weiterer Stoffe vermengt und bei etwa 120°C bis 160°C erhitzt. Dabei werden die langkettigen Kautschukmoleküle durch den Schwefel verbunden. (Schwefelbrücken)
Je mehr Schwefelbrücken das Gummi enthält, desto härter wird es. Wie viele Schwefelbrücken gebildet werden hängt von der Dauer der Vulkanisieren und der schwefemenge ab.
Insgesamt werden dabei also Kautschuks im plastischen Zustand in den elastischen Überführt. ^[1]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{1,0 1,1 1,2} [1], Polymerisation in Chemie - Lernhelfer.de.
2. ↑ ^{2,0 2,1} [2], Polymerisation erklärt - TheSimpleChemics.
3. ↑ [3], Anionische Polymerisation - abiweb.de.
4. ↑ [4], Anionische Polymerisation - Chemgapedia.
5. ↑ [5], SchulLV.