Grundlagen der Polymer-Chemie

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.

Repetiereinheit des Polypropylen

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.

Statistisches Copolymer	Gradientcopolymer	Pfropfcopolymer
Alternierendes Copolymer	Blockcopolymer

• 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.

Beispiele Homo- und Copolymere und ihre Repetiereinheiten
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.

Die Struktur der Polymeren

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. 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