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{{Dieser Artikel|behandelt den chemischen Stoff. | {{Dieser Artikel|behandelt den chemischen Stoff. Siehe auch: [[Polymer (Zeitschrift)]], [[Polymer (JavaScript-Bibliothek)]] bzw. [[Polymer Char]].}} | ||
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| [[Datei:Polypropylene.svg|zentriert|120px]] Die sich [[Konstitutionelle Repetiereinheit|wiederholende Einheit]] des Polymers [[Polypropylen]]. | | [[Datei:Polypropylene.svg|zentriert|120px]] Die sich [[Konstitutionelle Repetiereinheit|wiederholende Einheit]] des Polymers [[Polypropylen]]. | ||
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| [[Datei:Cellulose Sessel.svg|zentriert|230px]] [[Cellulose]] ist ein Polymer und das | | [[Datei:Cellulose Sessel.svg|zentriert|230px]] [[Cellulose]] ist ein Polymer und das wichtigste Strukturelement der Pflanzen. | ||
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Ein '''Polymer''' [{{IPA| | Ein '''Polymer''' [{{IPA|poliˈmeːɐ̯}}] (von {{grcS|πολύ}}, ''polý'' ‚viel‘ und {{lang|grc|μέρος}}, ''méros'' ‚Teil‘) ist ein [[chemischer Stoff]], der aus [[Makromolekül]]en besteht.<ref>{{Gold Book| polymer|P04735|Version=2.3.3}}</ref> Die Makromoleküle dieser Stoffe sind aus einer oder mehreren Struktureinheiten, den sogenannten [[Konstitutionelle Repetiereinheit|konstitutionellen Repetiereinheiten]] oder Wiederholeinheiten, aufgebaut. Das Adjektiv ''polymer'' bedeutet entsprechend „aus vielen (gleichen) Teilen aufgebaut“. In vielen Fällen besteht ein Polymer aus nicht identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die [[Molekülmasse]] der [[Molekül]]e variiert. Synthetische oder halbsynthetische Polymere sind die Hauptkomponente für die Herstellung von [[Kunststoff]]en. Von Lebewesen erzeugte Polymere werden [[Biopolymer]]e genannt und haben essentielle Bedeutung für das Leben. | ||
== Einteilung == | == Einteilung == | ||
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* Synthetische Polymere sind durch [[Polyreaktion]]en industriell oder im Labormaßstab hergestellte Stoffe, dazu gehören [[Polyethylen]], [[Polystyrol]] und [[Polyvinylchlorid]]. Chemisch modifizierte Polymere entstehen durch die Weiterverarbeitung von Biopolymeren, beispielsweise [[Nitrocellulose]], [[Celluloid]] oder Stärkederivate. | * Synthetische Polymere sind durch [[Polyreaktion]]en industriell oder im Labormaßstab hergestellte Stoffe, dazu gehören [[Polyethylen]], [[Polystyrol]] und [[Polyvinylchlorid]]. Chemisch modifizierte Polymere entstehen durch die Weiterverarbeitung von Biopolymeren, beispielsweise [[Nitrocellulose]], [[Celluloid]] oder Stärkederivate. | ||
Polymere können nach der Anzahl der Grundstoffe ([[Monomer]]e) aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden. | Polymere können nach der Anzahl der Grundstoffe ([[Monomer]]e), aus denen sie aufgebaut sind, eingeteilt werden. | ||
* [[Homopolymer]]e bestehen aus nur einer Monomerart wie [[Polyethylen]], [[Polypropylen]], [[Polyvinylchlorid]] oder [[Polycaprolactam]]. Ein natürliches Homopolymer ist [[Naturkautschuk]] als ein [[Polyisopren]]. | * [[Homopolymer]]e bestehen aus nur einer Monomerart wie [[Polyethylen]], [[Polypropylen]], [[Polyvinylchlorid]] oder [[Polycaprolactam]]. Ein natürliches Homopolymer ist [[Naturkautschuk]] als ein [[Polyisopren]]. | ||
* [[Copolymer]]e sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut, wie [[Acrylnitril-Butadien-Styrol]]-Copolymer (ABS), [[Styrol-Acrylnitril]] (SAN) oder [[Butylkautschuk]]. Die meisten Biopolymere sind Copolymere. | * [[Copolymer]]e sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut, wie [[Acrylnitril-Butadien-Styrol]]-Copolymer (ABS), [[Styrol-Acrylnitril]] (SAN) oder [[Butylkautschuk]]. Die meisten Biopolymere sind Copolymere. | ||
* [[Polymerblend]]s entstehen durch Mischen von unterschiedlichen | * [[Polymerblend]]s entstehen durch Mischen von unterschiedlichen Homopolymeren und/oder Copolymeren.<ref>{{Gold Book|Polymer Blend|P04736|Version=2.3.1}}</ref> 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 [[Backbone (Biochemie)|Hauptkette]] des Polymers. Zu den anorganischen Polymeren zählen [[Polysiloxane]], [[Polyphosphazene]] oder [[Polysilazane]]. Während [[Glas|Gläser]] in den meisten chemischen Lehrbüchern nicht zu den Polymeren gezählt werden, gelten Gläser und teilweise auch [[Keramik]] und [[Basalt]] in anderen Lehrbüchern<ref name="Elias">Hans-Georg Elias: ''Makromoleküle.'' John Wiley & Sons, 2003, ISBN 978-3-527-62654-0. Band 4, S. 165.</ref> und in der [[Textiltechnik]] als anorganische Polymere.<ref name="Cherif">Chokri Cherif (Hrsg.): ''Textile Werkstoffe für den Leichtbau'' Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4, S. 14f.</ref><ref name="Fuchs">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.</ref><ref name="Bobeth">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</ref> | Außerdem lassen sich ''organische'' von ''anorganischen'' Polymeren unterscheiden. Anorganische Polymere enthalten im Gegensatz zu den organischen Polymeren keine Kohlenstoffatome in der [[Backbone (Biochemie)|Hauptkette]] des Polymers. Zu den anorganischen Polymeren zählen [[Polysiloxane]], [[Polyphosphazene]] oder [[Polysilazane]]. Während [[Glas|Gläser]] in den meisten chemischen Lehrbüchern nicht zu den Polymeren gezählt werden, gelten Gläser und teilweise auch [[Keramik]] und [[Basalt]] in anderen Lehrbüchern<ref name="Elias">Hans-Georg Elias: ''Makromoleküle.'' John Wiley & Sons, 2003, ISBN 978-3-527-62654-0. Band 4, S. 165.</ref> und in der [[Textiltechnik]] als anorganische Polymere.<ref name="Cherif">Chokri Cherif (Hrsg.): ''Textile Werkstoffe für den Leichtbau'' Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4, S. 14f.</ref><ref name="Fuchs">[[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.</ref><ref name="Bobeth">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</ref> | ||
== Synthetische Polymere == | == Synthetische Polymere == | ||
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=== Struktur von Polymeren === | === 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 ([[Backbone (Biochemie)|Hauptkette]]) bestehen. Im Fall von [[Polyethylen]] ist die Hauptkette ein langkettiges [[Alkane|''n''-Alkan]]. Je nach Reaktionsbedingungen bilden sich auch verzweigte Makromoleküle mit einer Hauptkette | 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 ([[Backbone (Biochemie)|Hauptkette]]) bestehen. Im Fall von [[Polyethylen]] ist die Hauptkette ein langkettiges [[Alkane|''n''-Alkan]]. Je nach Reaktionsbedingungen bilden sich auch verzweigte Makromoleküle mit einer Hauptkette auch [[Seitenkette]]n, bei Polyethylen wären es [[Alkylgruppe|Alkylreste]]. | ||
Neben der Kettenlänge bestimmt auch der Verzweigungsgrad Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Hochverzweigte Polymere sind [[Amorphes Material|amorph]], die Moleküle im Feststoff wechselwirken ungeordnet miteinander. Besonders unverzweigte Makromoleküle bilden als Feststoff eine [[Kristallisation (Polymer)|teilkristalline Struktur]], in der Abbildung unten rot markiert. Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel [[Thermoplast]]e sind, liegen bei vielen [[Elastomer]]en eine weitmaschige [[Vernetzung (Chemie)|Vernetzung]] zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine engmaschige Vernetzung führt hingegen zu [[Duroplast]]en. Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt. | Neben der Kettenlänge bestimmt auch der Verzweigungsgrad Dichte, Festigkeit und Schmelzpunkt des Polymers. Hochverzweigte Polymere sind [[Amorphes Material|amorph]], die Moleküle im Feststoff wechselwirken ungeordnet miteinander. Besonders unverzweigte Makromoleküle bilden als Feststoff eine [[Kristallisation (Polymer)|teilkristalline Struktur]], in der Abbildung unten rot markiert. Während verzweigte und unverzweigte Polymere in der Regel [[Thermoplast]]e sind, liegen bei vielen [[Elastomer]]en eine weitmaschige [[Vernetzung (Chemie)|Vernetzung]] zwischen den „Hauptketten“ vor. Eine engmaschige Vernetzung führt hingegen zu [[Duroplast]]en. Vernetzungen und Verzweigungen sind in den Abbildungen als rote Punkte dargestellt. | ||
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Polymere die aus nur einer (realen oder gedachten) Monomerart aufgebaut sind, werden [[Homopolymer]]e 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. | Polymere, die aus nur einer (realen oder gedachten) Monomerart aufgebaut sind, werden [[Homopolymer]]e 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. | ||
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Bei Polymeren, die in der Hauptkette [[Ungesättigte Verbindungen|ungesättigt]] sind, tritt in Analogie zur [[cis-trans-Isomerie|''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 | Bei Polymeren, die in der Hauptkette [[Ungesättigte Verbindungen|ungesättigt]] sind, tritt in Analogie zur [[cis-trans-Isomerie|''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. | ||
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* Lineare Polymere mit | * Lineare Polymere mit regelmäßigem Aufbau, mit geringer Verzweigung und stereoreguläre (iso- und syndiotaktische) Polymere haben im festen Zustand eine [[teilkristallin]]e Struktur.<ref name="MakroChem" /> 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 [[Kristallit]]e werden Lamellen genannt und sind viel dünner (oft etwa 10 nm)<ref name="KunstChemIng">[[Wolfgang Kaiser (Chemiker)|Wolfgang Kaiser]]: ''Kunststoffchemie für Ingenieure.'' 3. Auflage, Carl Hanser, München 2011, S. 84.</ref> 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.<ref name="KunstChemIng" /> | ||
: 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 [[Wasserstoffbrückenbindung]]en erlauben, wie beispielsweise bei [[Aramide|''p''-Aramid]]. Die Kristallinität und Überstruktur ist immer abhängig von den Bedingungen ihrer Bildung, siehe auch [[Kristallisation (Polymer)|Kristallisation von Polymeren]]. Teilkristalline Strukturen führen im Vergleich zu amorphen Strukturen zu einer höheren Steifigkeit, Dichte, Schmelztemperatur und Beständigkeit eines Polymers. | : 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 [[Wasserstoffbrückenbindung]]en erlauben, wie beispielsweise bei [[Aramide|''p''-Aramid]]. Die Kristallinität und Überstruktur ist immer abhängig von den Bedingungen ihrer Bildung, siehe auch [[Kristallisation (Polymer)|Kristallisation von Polymeren]]. Teilkristalline Strukturen führen im Vergleich zu amorphen Strukturen zu einer höheren Steifigkeit, Dichte, Schmelztemperatur und Beständigkeit eines Polymers. | ||
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=== Temperaturbeständige Polymere === | === Temperaturbeständige Polymere === | ||
{{Hauptartikel|Hochleistungskunststoffe}} | {{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 | 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 Steigerung der [[Schmelzenthalpie]] und eine Verminderung der [[Schmelzentropie]] erreicht werden. Bei [[Amorphes Material|amorphen]] Polymeren sollten die [[Glastemperatur]] und bei [[teilkristallin]]en Polymeren die Glas- und Schmelztemperatur möglichst hoch sein. Zum Erreichen von Temperaturbeständigkeit können C-H-Bindungen und C-C-Bindungen durch [[Chemische Bindung|Bindungen]] zwischen Kohlenstoff und Heteroatomen wie Fluor, Stickstoff oder Sauerstoff oder aber durch stabilere [[Aromaten|aromatische]] Bindungen ersetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Aufbau von Polymeren mit zwei parallelen und miteinander verbundenen [[Hauptkette]]n (Leiterpolymere).<ref name="Cheldron">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]].</ref> | ||
=== Leitfähige Polymere === | === Leitfähige Polymere === | ||
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{{Quellen}} | {{Quellen}} | ||
Eine Voraussetzung für die [[elektrische Leitfähigkeit]] von Polymeren ist das Vorhandensein von konjugierten [[Pi-Elektronensystem]]en. 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 [[Dotierung|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 [[Kristall]]inität des Polymers. Weitere Beispiele für leitfähige Polymere sind dotiertes [[Polypyrrol]], [[Polyphenylensulfid]], [[Polythiophen]] sowie metallorganische [[Komplexchemie|Komplexe]] mit [[Makrocyclische Verbindungen|makrocyclischen]] Liganden wie [[Phthalocyanin]]. | Eine Voraussetzung für die [[elektrische Leitfähigkeit]] von Polymeren ist das Vorhandensein von konjugierten [[Pi-Elektronensystem]]en. 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 [[Dotierung|dotiert]] werden. Die ersten Untersuchungen hierzu erfolgten am [[Polyacetylen]], dessen Leitfähigkeit über die Dotierung mit [[Arsenpentafluorid]] oder [[Iod]] erreicht wurde.<ref name="Lei">{{Literatur | Autor = C. K. Chiang, Y. W. Park, A. J. Heeger, H. Shirakawa, E. J. Louis, A. G. MacDiarmid | Titel = Conducting polymers: Halogen doped polyacetylene | Sammelwerk = The Journal of Chemical Physics | Band = 69 | Nummer = 11 | Datum=1978| Seiten = 5098–5104 | DOI= 10.1063/1.436503}}</ref> | ||
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 [[Polyene|Polyenkette]] mit dem [[Soliton]]-Konzept bzw. mit dem Modell der Bipolaronen (auf einem kleinen Raum zusammengehaltene Ladungspaare) zu beschreiben. | Außerdem steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender [[Kristall]]inität des Polymers. Weitere Beispiele für leitfähige Polymere sind dotiertes [[Polypyrrol]], [[Polyphenylensulfid]], [[Polythiophen]] sowie metallorganische [[Komplexchemie|Komplexe]] mit [[Makrocyclische Verbindungen|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 [[Polyene|Polyenkette]] mit dem [[Soliton]]-Konzept bzw. mit dem Modell der Bipolaronen (auf einem kleinen Raum zusammengehaltene Ladungspaare) zu beschreiben.<ref>{{Literatur | Autor = G. G. Wallace, T. E. Campbell, P. C. Innis | Titel = Putting function into fashion: Organic conducting polymer fibres and textiles | Sammelwerk = Fibers and Polymers | Band = 8 | Nummer = 2 | Datum = 2007 | Seiten = 135–142 | DOI = 10.1007/BF02875782}}</ref> | |||
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. | 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. | ||
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=== Gesundheitliche Beurteilung === | === Gesundheitliche Beurteilung === | ||
Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft.<ref>{{BibISBN|9783642161735}}</ref><ref> | Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft.<ref>{{BibISBN|9783642161735}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://bfr.ble.de/kse/faces/DBEmpfehlung.jsp |titel=Kunststoffempfehlungen des BfR |abruf=2019-11-13}}</ref> Kunststoffe können daher prinzipiell im medizinischen Bereich (bsp. als [[Implantat]]e) oder im Lebensmittelbereich (als [[Verpackung]]) eingesetzt werden. Es muss jedoch darauf geachtet werden, dass nur unbedenkliche [[Katalysator]]en bei der Herstellung verwendet werden, keine schädlichen [[Monomere]] zurückbleiben etc. | ||
== Supramolekulare Polymere == | == Supramolekulare Polymere == | ||
Ein relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasst [[Supramolekulare Chemie|supramolekulare]] Polymere, also Polymere, deren Bausteine nicht durch [[kovalente Bindung]]en, sondern durch vergleichsweise schwache | Ein relativ neuer Bereich der Polymerchemie umfasst [[Supramolekulare Chemie|supramolekulare]] Polymere, also Polymere, deren Bausteine nicht durch [[kovalente Bindung]]en, sondern durch vergleichsweise schwache intermolekulare Bindungen, wie etwa [[Wasserstoffbrückenbindung]]en, [[Ionenbindung]]en, [[Komplexchemie|Metall-Ligand-Wechselwirkungen]], [[Van-der-Waals-Kräfte|Van-der-Waals-]] oder [[Hydrophober Effekt|hydrophobe Wechselwirkungen]] zusammengehalten werden.<ref>T. F. A. de Greef, E. W. Meijer: ''Materials Science: Supramolecular Polymers''. In: ''Nature.'' 453, S. 171–173.</ref> 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.<ref>orf.at: [http://science.orf.at/stories/1681692/ 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]]</ref> 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]]. | 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]]. | ||
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** [[Ribonukleinsäure|RNS]] | ** [[Ribonukleinsäure|RNS]] | ||
** [[Polyhydroxyalkanoate]], die Biopolyester als Energie- und Kohlenstoff-Speicher von Bakterien | ** [[Polyhydroxyalkanoate]], die Biopolyester als Energie- und Kohlenstoff-Speicher von Bakterien | ||
== Analytik == | |||
Zur Bestimmung von Polymeren, Copolymeren und Polymermischungen kann die analytische [[Pyrolyse]], gekoppelt mit der [[Gaschromatographie]] (Py-GC/MS) eingesetzt werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.labo.de/chromatographie/polymeranalyse--das-chromatogramm-als-fingerabdruck-nutzen.htm |autor=Andreas Klingberg, Eike Kleine-Benne|titel=Polymeranalyse: Das Chromatogramm als Fingerabdruck nutzen |werk=LABO |sprache=de |abruf=2021-07-30 |datum=06.12.2018}}</ref> | |||
== Literatur == | == Literatur == | ||
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* Ulf W. Gedde: ''Polymer Physics.'' Chapman & Hall, London u. a. 1995, ISBN 0-412-62640-3. | * 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}}. | * 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}}. | * 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}}. | ||
* {{Literatur|Autor=Michael Dröscher|Titel=Ordnungszustände in Polymeren|Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit|Band=10|Nummer=4|Jahr=1976|Seiten=106–113|DOI=10.1002/ciuz.19760100403}} | * {{Literatur|Autor=Michael Dröscher|Titel=Ordnungszustände in Polymeren|Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit|Band=10|Nummer=4|Jahr=1976|Seiten=106–113|DOI=10.1002/ciuz.19760100403}} | ||
* {{Literatur|Autor=Dietrich Braun|Titel=Der lange Weg zum Makromolekül – Polymerforschung vor Hermann Staudinger|Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit|Band=46|Nummer=5|Jahr=2012|Seiten=310–319|DOI=10.1002/ciuz.201200566}} | * {{Literatur|Autor=Dietrich Braun|Titel=Der lange Weg zum Makromolekül – Polymerforschung vor Hermann Staudinger|Sammelwerk=Chemie in unserer Zeit|Band=46|Nummer=5|Jahr=2012|Seiten=310–319|DOI=10.1002/ciuz.201200566}} | ||
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Polymere (Beispiele) |
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Die sich wiederholende Einheit des Polymers Polypropylen. |
Cellulose ist ein Polymer und das wichtigste Strukturelement der Pflanzen. |
Ein Polymer [poliˈmeːɐ̯] (von {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:ISO15924:97: attempt to index field 'wikibase' (a nil value), polý ‚viel‘ und {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value), méros ‚Teil‘) ist ein chemischer Stoff, der aus Makromolekülen besteht.[1] Die Makromoleküle 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 Fällen besteht ein Polymer aus nicht identischen Makromolekülen, da die Anzahl der Wiederholeinheiten und damit die Molekülmasse der Moleküle variiert. Synthetische oder halbsynthetische Polymere sind die Hauptkomponente für die Herstellung von Kunststoffen. Von Lebewesen erzeugte Polymere werden Biopolymere genannt und haben essentielle Bedeutung für das Leben.
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[3] und in der Textiltechnik als anorganische Polymere.[4][5][6]
Die Bildung von Polymeren aus einzelnen Monomeren erfolgt über verschiedene Arten von Polyreaktionen, wie Kettenpolymerisationen, Polykondensation oder Polyaddition.
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.
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.
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 ist blau markiert. |
Ausschnitt aus einer Polymerkette von trans-1,4-Polybutadien. Eine C4-Einheit ist blau markiert. |
Die makroskopischen physikalischen Eigenschaften eines Polymers sind eng mit den Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander verknüpft.
Statistischer Knäul |
Verhakungen mehrerer Moleküle mit knäulartigen Teilstrukturen |
![]() Polyethylen: Zickzack-Konformation der Moleküle in dichten Kettenpackungen |
Lamellen mit Tie-Molekülen |
Sphärolith |
Helix |
p-Aramid, rot gepunktet: Wasserstoffbrückenbindungen |
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):
In der Polymerphysik beschäftigt man sich unter anderem mit
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 Steigerung der Schmelzenthalpie und eine Verminderung 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).[9]
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.[10] 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.[11]
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.
Polymere werden in der Regel als gesundheitlich unbedenklich eingestuft.[12][13] 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.[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 die Selbstassemblierung des Tabakmosaikvirus.
Zur Bestimmung von Polymeren, Copolymeren und Polymermischungen kann die analytische Pyrolyse, gekoppelt mit der Gaschromatographie (Py-GC/MS) eingesetzt werden.[16]