Polymer

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Dieser Artikel behandelt den chemischen Stoff. Siehe auch:Polymer (Zeitschrift),Polymer (JavaScript-Bibliothek) bzw.Polymer Char.
Polymere (Beispiele)
Die sichwiederholende Einheit des PolymersPolypropylen.
Cellulose ist ein Polymer und das wichtigste Strukturelement der Pflanzen.

EinPolymer [poliˈmeːɐ̯] (vonaltgriechischπολύ,polý ‚viel‘ undμέρος,méros ‚Teil‘) ist einchemischer Stoff, der ausMakromolekülen besteht.[1] Die Makromoleküle dieser Stoffe sind aus einer oder mehreren Struktureinheiten, den sogenanntenkonstitutionellen Repetiereinheiten oder Wiederholeinheiten, aufgebaut. Das Adjektivpolymer bedeutet entsprechend „aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“. In vielen Fällen besteht ein Polymer aus nicht identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit dieMolekülmasse derMoleküle variiert. Synthetische oder halbsynthetische Polymere sind die Hauptkomponente für die Herstellung vonKunststoffen. Von Lebewesen erzeugte Polymere werdenBiopolymere genannt und haben essentielle Bedeutung für das Leben.

Inhaltsverzeichnis

Einteilung

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Polymere können innatürliche undsynthetische Polymere unterteilt werden.

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

Außerdem lassen sichorganische vonanorganischen Polymeren unterscheiden. Anorganische Polymere enthalten im Gegensatz zu den organischen Polymeren keine Kohlenstoffatome in derHauptkette des Polymers. Zu den anorganischen Polymeren zählenPolysiloxane,Polyphosphazene oderPolysilazane. WährendGläser in den meisten chemischen Lehrbüchern nicht zu den Polymeren gezählt werden, gelten Gläser und teilweise auchKeramik undBasalt in anderen Lehrbüchern[3] und in derTextiltechnik als anorganische Polymere.[4][5][6]

Synthetische Polymere

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Polymerchemie

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Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt über verschiedene Arten vonPolyreaktionen, wieKettenpolymerisationen,Polykondensation oderPolyaddition.

Struktur von Polymeren

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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 vonPolyethylen ist die Hauptkette ein langkettigesn-Alkan. Je nach Reaktionsbedingungen bilden sich auch verzweigte Makromoleküle mit einer Hauptkette auchSeitenketten, bei Polyethylen wären esAlkylreste.Neben der Kettenlänge bestimmt auch der Verzweigungsgrad Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Hochverzweigte Polymere sindamorph, die Moleküle im Feststoff wechselwirken ungeordnet miteinander. Besonders unverzweigte Makromoleküle bilden als Feststoff eineteilkristalline Struktur, in der Abbildung unten rot markiert. Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der RegelThermoplaste sind, liegen bei vielenElastomeren eine weitmaschigeVernetzung zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine engmaschige Vernetzung führt hingegen zuDuroplasten. 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, werdenHomopolymere genannt. Polymere, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Monomerarten hergestellt werden, sindCopolymere. Polymere wiePolyethylenterephthalat, 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)
HomopolymerPolystyrol: EineKonstitutionelle Repetiereinheit, die sichn-fach im Makromolekül wiederholt.HomopolymerPoly(dimethylsiloxan), einSilikon. DieHauptkette wird von Silicium- und Sauerstoffatomen gebildet.CopolymerStyrol-Butadien-Kautschuk: Die MonomerenStyrol und1,3-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
Statistisches Copolymer
Gradientcopolymer
Gradientcopolymer
Pfropfcopolymer
Pfropfcopolymer
Alternierendes Copolymer
Alternierendes Copolymer
Blockcopolymer
Blockcopolymer

Repetiereinheiten könnenSubstituenten („Reste“) tragen und werden in Abbildungen häufig mit dem Buchstaben R gekennzeichnet. Sind die Monomereinheiten asymmetrisch, tritt eineTaktizität der Anordnungen im Makromolekül auf. Die Polymere lassen sich in ataktische, isotaktische und syndiotaktische Polymere unterteilen. Ein Beispiel für Taktizitäten ist Polystyrol mit einerPhenylgruppe 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 Hauptketteungesättigt sind, tritt in Analogie zurcis-trans-Isomeriecis- odertrans-taktische Polymere auf, wie beiNaturkautschuk oder auchButadien-Kautschuk. Stereospezifische Polymerisationen führen oft zu höherer mechanischer Festigkeit, höherer Kristallinität, höherer Dichte und höherer Wärmestabilität.


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

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

Festkörperstrukturen

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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 hohenVerzweigungsgrad und statistische Copolymere bilden im festen Zustandamorphe, glasartige Strukturen aus.[7] In Schmelze und Lösung bilden langkettige Moleküle tendenziell einen sich ständig ändernden „statistischen Knäuel“ aus, sieheGaußkette (Freely-Jointed-Chain-Modell). Im festen Zustand wird die jeweiligenKonformationen der Moleküle eingefroren. Verhakungen undVerschlaufungen von Kettenmolekülen untereinander führen zu einer „mechanischen Bindung“ zwischen den Ketten. Zwischenmolekulare undintramolekulareNebenvalenzbindungen 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 eineteilkristalline Struktur.[7] Bei einfach strukturierten Polymeren, wie beiPolyethylen, 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. SolcheKristallite werden Lamellen genannt und sind viel dünner (oft etwa 10 nm)[8] als die Polymere lang sind. Sie werden durch mehr oder weniger reguläre Faltungen einer oder mehrerer 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, einenSphärolith, 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 Kristallinität und die Stärke der Nebenvalenzbindungen mit. Bei isotaktischem Polypropylen bilden die Moleküle eineHelix. Helices erlauben, wie bei einer Zickzack-Konformation, eine dichte Kettenpackung. Besonders kräftige intermolekulare Wechselwirkungen treten auf, wenn die Reste der Wiederholeinheiten die Ausbildung vonWasserstoffbrückenbindungen erlauben, wie beispielsweise beip-Aramid. Die Kristallinität und Überstruktur sind immer abhängig von den Bedingungen ihrer Bildung, siehe auchKristallisation von Polymeren. Teilkristalline Strukturen führen im Vergleich zu amorphen Strukturen zu einer höheren Steifigkeit, Dichte, Schmelztemperatur und Beständigkeit eines Polymers.
  • Weitmaschigvernetzte 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, bestehend aus einem zur Kristallisation neigenden Hart- 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

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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 derPolymerphysik beschäftigt man sich unter anderem mit

Temperaturbeständige Polymere

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Hauptartikel:Hochleistungskunststoffe

DieTemperaturbeständigkeit 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 Steigerung derSchmelzenthalpie und eine Verminderung derSchmelzentropie erreicht werden. Beiamorphen Polymeren sollten dieGlastemperatur und beiteilkristallinen Polymeren die Glas- und Schmelztemperatur möglichst hoch sein. Zum Erreichen von Temperaturbeständigkeit können C-H-Bindungen und C-C-Bindungen durchBindungen zwischen Kohlenstoff und Heteroatomen wie Fluor, Stickstoff oder Sauerstoff oder aber durch stabilerearomatische Bindungen ersetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau von Polymeren mit zwei parallelen und miteinander verbundenenHauptketten (Leiterpolymere).[9]

Leitfähige Polymere

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Hauptartikel:Leitfähige Polymere
Hauptartikel:Organische Elektronik
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Eine Voraussetzung für dieelektrische Leitfähigkeit von Polymeren ist das Vorhandensein von konjugiertenPi-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 reduktivdotiert werden. Die ersten Untersuchungen hierzu erfolgten amPolyacetylen, dessen Leitfähigkeit über die Dotierung mitArsenpentafluorid oderIod erreicht wurde.[10]Außerdem steigt die Leitfähigkeit mit zunehmenderKristallinität des Polymers. Weitere Beispiele für leitfähige Polymere sind dotiertesPolypyrrol,Polyphenylensulfid,Polythiophen sowie metallorganischeKomplexe mitmakrocyclischen Liganden wiePhthalocyanin.Eine oxidative Dotierung erreicht man mit Arsenpentafluorid,Titantetrachlorid, Brom oder Iod, eine reduktive Dotierung dagegen mitNatrium-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 einerPolyenkette mit demSoliton-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 derMolekularelektronik wird die Information nicht in einzelnen Molekülen, sondern in verschieden dotierten Volumina verarbeitet.

Solche elektronischen Anwendungen sind:

Eine andere Anwendung ist dieVerarbeitung von Polymeren mit Hilfe der Elektronik beimElektrospinnen.

Gesundheitliche Beurteilung

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Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft.[12][13] Kunststoffe können daher prinzipiell im medizinischen Bereich (bsp. alsImplantate) oder im Lebensmittelbereich (alsVerpackung) eingesetzt werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass nur unbedenklicheKatalysatoren bei der Herstellung verwendet werden, keine schädlichenMonomere zurückbleiben etc.

Supramolekulare Polymere

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Ein relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasstsupramolekulare Polymere, also Polymere, deren Bausteine nicht durchkovalente Bindungen, sondern durch vergleichsweise schwache intermolekulare Bindungen, wie etwaWasserstoffbrückenbindungen,Ionenbindungen,Metall-Ligand-Wechselwirkungen,Van-der-Waals- oderhydrophobe Wechselwirkungen zusammengehalten werden.[14] 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.[15] 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 dieSelbstassemblierung desTabakmosaikvirus.

Beispiele und Kurzzeichen

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Analytik

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Zur Bestimmung von Polymeren, Copolymeren und Polymermischungen kann die analytischePyrolyse, gekoppelt mit derGaschromatographie (Py-GC/MS) eingesetzt werden.[16]

Literatur

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  • Manfred D. Lechner, Klaus Gehrke, Eckhard H. Nordmeier:Makromolekulare Chemie. Ein Lehrbuch für 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 & Hall, London u. a. 1995,ISBN 0-412-62640-3.
  • H. Cherdron, F. Herold, A. Schneller:Technisch wichtige temperaturbeständige Polymere,Chemie in unserer Zeit, 23. Jahrg. 1989, Nr. 6, S. 181–192,ISSN 0009-2851.
  • Klaus Menke, Siegmar Roth:Metallisch leitfähige 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 Dröscher:Ordnungszustände 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 Makromolekül – Polymerforschung vor Hermann Staudinger. In:Chemie in unserer Zeit.Band 46,Nr. 5, 2012,S. 310–319,doi:10.1002/ciuz.201200566. 

Weblinks

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Wiktionary: Polymer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Polymere – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. Eintrag zupolymer. In:IUPAC (Hrsg.):Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”.doi:10.1351/goldbook.P04735 – Version: 2.3.3.
  2. Eintrag zuPolymer Blend. In:IUPAC (Hrsg.):Compendium of Chemical Terminology. The “Gold Book”.doi:10.1351/goldbook.P04736 – Version: 2.3.1.
  3. Hans-Georg Elias:Makromoleküle. John Wiley & Sons, 2003,ISBN 978-3-527-62654-0. Band 4, S. 165.
  4. Chokri Cherif (Hrsg.):Textile Werkstoffe für den Leichtbau Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2011,ISBN 978-3-642-17991-4, S. 14f.
  5. Hilmar Fuchs, Wilhelm Albrecht (Hrsg.):Vliesstoffe - Rohstoffe, Herstellung, Anwendung, Eigenschaften, Prüfung. 2. Auflage, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2012,ISBN 978-3-527-31519-2, S. 42.
  6. 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
  7. abBernd Tieke:Makromolekulare Chemie. 3. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2014, S. 295f.
  8. abWolfgang Kaiser:Kunststoffchemie für Ingenieure. 3. Auflage, Carl Hanser, München 2011, S. 84.
  9. Harald Cherdron, Friedrich Herold, Arnold Schneller:Technisch wichtige temperaturbeständige Polymere. In:Chemie in unserer Zeit. 23, 1989, S. 181–192,doi:10.1002/ciuz.19890230602.
  10. 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. 
  11. 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. 
  12. Peter Elsner, Peter Eyerer:Domininghaus – Kunststoffe: Eigenschaften und Anwendungen. Hrsg.: Thomas Hirth. Springer, 2012,ISBN 978-3-642-16173-5. 
  13. Kunststoffempfehlungen des BfR. Abgerufen am 13. November 2019. 
  14. T. F. A. de Greef, E. W. Meijer:Materials Science: Supramolecular Polymers. In:Nature. 453, S. 171–173.
  15. 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
  16. Andreas Klingberg, Eike Kleine-Benne: Polymeranalyse: Das Chromatogramm als Fingerabdruck nutzen. In: LABO. 6. Dezember 2018, abgerufen am 30. Juli 2021. 
Normdaten (Sachbegriff):GND:4046699-1(lobid,OGND,AKS) |LCCN:sh85104660 |NDL:00575285
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