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2024 | Buch

Einführung und grundlegende Begriffe Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen

verfasst von: Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Ausgezeichnet mit dem Literaturpreis des VCI

Polymere sind einzigartige Moleküle und weisen Eigenschaften auf wie keine andere Materialklasse auf dieser Welt. Sie begegnen uns im täglichen Leben nicht nur in Form der bekannten, großvolumigen Kunststoffe wie PE oder PP oder der vielen weiteren, zum Teil hochgradig angepassten Spezialpolymere, sondern auch in der Natur als polymere Biomoleküle wie beispielsweise DNA. Unser Leben wäre daher so, wie wir es kennen, ohne Makromoleküle nicht nur vollkommen anders, sondern biologisch gar nicht möglich.

Dieses Lehrbuch beschäftigt sich daher umfassend mit der Synthese, der Charakterisierung, den Eigenschaften und den Anwendungen von Polymeren. Ziel ist es, breite Kenntnisse der Grundbegriffe der makromolekularen Chemie und der einzigartigen Eigenschaften dieser Verbindungsklasse zu vermitteln. Auch umweltrelevante Themen wie Biopolymere und Mikroplastik, die in einem zeitgemäßen Lehrbuch nicht fehlen dürfen,werden behandelt.

Aufbauend auf den Grundkenntnissen der organischen Chemie und der Thermodynamik präsentiert das Buch ein leicht verständliches und dennoch tiefgehendes Bild dieser sehr dynamischen und immer wichtiger werdenden Wissenschaft in der Schnittmenge von Chemie, Physik, Ingenieurwissenschaften und dem Life-Science-Sektor. Das Verständnis des Textes können Leserinnen und Leser dieses Werkes am Ende eines jeden Kapitels durch eine Auswahl an Übungsaufgaben überprüfen.

Beim Verfassen des Buches wurde großer Wert auf gute Lesbarkeit trotz der erforderlichen Detailtiefe gelegt – ein Buch, das sich für Studierende der Chemie und verwandter Studiengänge genauso eignet wie für den angewandten Naturwissenschaftler im industriellen Umfeld. Als erstes und bisher einziges Lehrbuch der Polymerchemie wurde daher bereits die erste Auflage dieses Werks 2015 mit dem Literaturpreis des Fonds des Verbandes der Chemischen Industrie ausgezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einführung und grundlegende Begriffe
Zusammenfassung
Unter den vielen Bereichen der Chemie sind die Polymerwissenschaften eine noch vergleichsweise junge Disziplin. Zwar ist der empirische Umgang mit hochmolekularen, aus Naturstoffen hergestellten Materialien seit Jahrhunderten dokumentiert, jedoch lieferten erst die bahnbrechenden Arbeiten des späteren Nobelpreisträgers Hermann Staudinger in den 1920er-Jahren die Basis für ein systematisches Verständnis dieser Materialklasse (Staudinger 1920). Innerhalb weniger Jahrzehnte haben sich die Polymerwissenschaften zu einem akademisch außerordentlich lebendigen wie technisch-industriell hochgradig relevanten Arbeitsgebiet entwickelt, das nicht zuletzt von seinem sehr stark interdisziplinären Ansatz geprägt wird. Hierbei weisen sie wie nur wenige Bereiche der Chemie Kontaktpunkte zu nahezu allen anderen naturwissenschaftlichen Disziplinen auf.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
2. Polymere in Lösung
Zusammenfassung
Polymere weisen – besonders im Vergleich zu den Monomeren, aus denen sie aufgebaut sind – besondere Eigenschaften auf. So lösen sich Polymere wie z. B. Stärke oder Polypropylenoxid sehr viel schlechter in Wasser als ihre Grundbausteine Glucose bzw. Propylenoxid. Auch beobachtet man, dass viele Polymere Lösemittel oder Wasser aufnehmen, ohne sich darin zu lösen. So nehmen beispielsweise Baumwollsocken beim Waschen Wasser auf, ohne dass sie sich in der Waschmaschine auflösen. Um dies verstehen und beschreiben zu können, widmet sich dieses Kapitel der Beschreibung der Kettengestalt und der Konsequenzen, die sich daraus für das Verhalten in Lösung ergeben. Ebenso wird die Thermodynamik von Polymerlösungen im Vergleich zu Lösungen niedermolekularer Stoffe diskutiert, um ein Verständnis der eingangs erwähnten Löslichkeitsunterschiede zu gewinnen.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
3. Polymeranalytik: Molmassenbestimmung
Zusammenfassung
Eine wesentliche Kenngröße makromolekularer Stoffe ist ihre Molmasse bzw. ihr Polymerisationsgrad. Das folgende Kapitel wird sich der Frage widmen, wie man die Molmassen von Polymeren sowie ihre Verteilung mathematisch beschreiben und experimentell messen kann. Viele der im Folgenden beschriebenen Verfahren wurden extra zu diesem Zweck entwickelt und sind außerhalb der Polymerchemie daher nur wenig verbreitet. Zusätzlich zur Molmasse haben wir in ► Kap. 2 bereits beschrieben, dass die Größe von Polymeren (z. B. von Knäueln in der Schmelze oder in Lösung) vom Polymerisationsgrad abhängt. Daher werden zudem einige Methoden beschrieben, die sich dieser Fragestellung widmen.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
4. Polymere im festen Zustand
Zusammenfassung
Der weitaus größte Teil aller weltweit hergestellten Polymere wird in fester Form – also als klassisches Material – eingesetzt. Darum ist die Diskussion der Festkörpereigenschaften von Polymeren, ihrer Morphologie und der Auswirkungen dieser Eigenschaften auf die Anwendbarkeit ein wesentlicher Bestandteil dieses Buches.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
5. Teilkristalline Polymere
Zusammenfassung
Nach der grundlegenden Einführung von Polymeren im festen Zustand wird in diesem Kapitel der teilkristalline Zustand diskutiert. Fragen wir uns zunächst, welche Polymere überhaupt kristallisieren können.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
6. Amorphe Polymere
Zusammenfassung
Die Grundlagen zum Thema „amorphe Polymere“ wurden bereits in ► Kap. 4 eingeführt. Im Folgenden werden einige besondere Verhaltensweisen und Eigenschaften näher beschrieben.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
7. Polymere als Werkstoffe
Zusammenfassung
Polymere als Werkstoffe haben vielfältige Erscheinungsformen. Jeder kennt Fußbodenbeläge aus Polyvinylchlorid, Scheiben aus Plexiglas (Polymethylmethacrylat) und deren besonders gelungene Variante als Dach des Münchener Olympiastadions. Ebenso vertraut werden viele mit der Verstärkung von Polymeren durch den Verbund mit Glasfasern sein. Polymere werden auch zunehmend als Materialien in der Medizin, beispielsweise als Knochen- und Organersatz, diskutiert. Man kann sich leicht vorstellen, dass daran ganz andere Anforderungen gestellt werden als beispielsweise an einen gewöhnlichen PVC-Schlauch im chemischen Labor. Bereits diese wenigen Beispiele zeigen, wie vielfältig und zum Teil gegensätzlich die Anforderungen an einen Werkstoff in seiner jeweiligen Anwendung sind und dass es einen „idealen“, für alle Anwendungen geeigneten Werkstoff nicht geben kann.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
8. Stufenwachstumspolymerisation
Zusammenfassung
Die synthetischen Verfahren zur Herstellung von Polymeren aus ihren Monomeren werden in Stufen- und Kettenwachstumsreaktionen eingeteilt. Diese beiden Polymeraufbaureaktionen unterscheiden sich grundlegend bezüglich des Mechanismus, der Zwischenprodukte, des Anstiegs der Molmasse mit dem Umsatz sowie bezüglich der Aktivierungsenergien der Elementarschritte.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
9. Radikalische Polymerisation
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundgesetze der radikalischen Polymerisation vorgestellt. Es werden typische Monomere, Initiatoren sowie Übertragungs- und Abbruchreagenzien besprochen. Ferner werden die kinetischen Gesetze, der Polymerisationsgrad sowie die Molmassenverteilung abgeleitet.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
10. Ionische Polymerisation
Zusammenfassung
Die ionische Polymerisation läuft ebenso wie die radikalische Polymerisation nach einem Kettenmechanismus ab, wobei die Reaktionsträger Kationen (kationische Polymerisation) oder Anionen (anionische Polymerisation) sind. Wegen der Elektroneutralität der Lösung ist die Zahl der Reaktionsträger und der korrespondierenden Gegenionen stets gleich. Ob ein Monomer mit einer C,C-Doppelbindung anionisch oder kationisch polymerisierbar ist, hängt von der Elektronendichte der Doppelbindung ab, die von den benachbarten Substituenten bestimmt wird. Haben die Substituenten Donor-Wirkung (OR, NR2, C6H4–CH3), lässt sich das Monomer bevorzugt kationisch polymerisieren. Monomere mit Akzeptor-Substituenten (CN, COOR, CONR2) können dagegen anionisch polymerisiert werden. Da die wachsenden Ketten gleichsinnig geladen sind, können diese sich nicht gegenseitig, z. B. durch Kombination, abbrechen, d. h., sie bleiben aktiv. Bei vollständiger Abwesenheit von Abbruchreaktionen spricht man von einer lebenden Polymerisation (s. Abschn. 10.2.6). Durch Zusatz weiteren Monomers können diese Ketten daher verlängert werden. Durch Addition eines anderen polymerisationsfähigen Monomers lassen sich daraus Blockcopolymere aufbauen. Außerdem können die Molmassen durch das Verhältnis [M]/[I] kontrolliert werden.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
11. Katalytische Polymerisation
Zusammenfassung
Nahezu die Hälfte aller weltweit hergestellten Polymere (nach Produktionsvolumen) wird durch katalytische Polymerisationsreaktionen in Gegenwart von Übergangsmetallverbindungen hergestellt. Insbesondere Polypropylen und ein erheblicher Teil des Polyethylens werden auf diese Art und Weise produziert. Dieses Kapitel wird daher die Grundlagen dieser industriell enorm wichtigen, aber auch akademisch äußerst interessanten und vielseitigen Chemie darstellen. Da die Koordination des Monomers an ein Metallatom eine wesentliche Rolle im katalytischen Zyklus einnimmt, wird diese Polymerisationstechnik auch als koordinative Polymerisation oder Koordinationspolymerisation bezeichnet.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
12. Ringöffnende Polymerisation
Zusammenfassung
Die ringöffnende Polymerisation (ROP) ist ein wichtiger Weg zu Polymeren. Sie unterscheidet sich sowohl von der radikalischen (► Kap. 9) und ionischen Polymerisation (► Kap. 10) als auch von der Stufenwachstumspolymerisation (► Kap. 8). So entstehen, mit Ausnahme bei der Polymerisation des Leuchs-Anhydrids (◘ Abb. 12.41 und 12.42), keine niedermolekularen Nebenprodukte. Des Weiteren fehlt die Triebkraft durch die exotherme Umwandlung von C, C-Doppelbindungen in C, C-Einfachbindungen, welche den Entropieverlust bei der Polymerisation wettmacht. Ein gemeinsames Merkmal der ringöffnenden Polymerisationen ist, dass die Monomere Ringe sind. Die Ringgröße kann hierbei variieren. Je nach Größe und Art des Ringes kann die Ursache für die Polymerisierbarkeit verschieden sein. So lassen sich kleine Ringe (3-, 4- bzw. 5-gliedrige) aufgrund der bei der Öffnung freiwerdenden Ringspannung polymerisieren. Beispielsweise beträgt diese Ringspannungsenthalpie bei Oxiranen 116 kJ/mol. Auch bei 7- und 8-gliedrigen Lactonen oder Lactamen ist die freiwerdende Enthalpie der entscheidende Faktor, auch wenn die Ringspannungsenthalpie hier nur ca. 16 kJ/mol beträgt. Spannungsfreie 6-gliedrige Ringe lassen sich meist nicht ringöffnend polymerisieren. Die ringöffnende Polymerisation von Disulfiden, Siliconen und Carbonaten hingegen ist vor allem auf den bei der Polymerisation dieser Monomere auftretenden Anstieg der Entropie zurückzuführen. Dieser Entropieanstieg beruht auf der Zunahme der Rotationsfreiheitsgrade bei der Überführung von Ringen in freie Ketten (Nuyken und Pask 2013).
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
13. Copolymerisation
Zusammenfassung
Werden zwei verschiedene Monomere M1 und M2 gemeinsam polymerisiert, können daraus formal folgende Strukturen entstehen (◘ Abb. 13.1).
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
14. Wichtige Polymere durch Kettenwachstumspolymerisation
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die technisch wichtigsten Polymere und Copolymere, die durch Kettenwachstumspolymerisation hergestellt werden, vorgestellt. Der Weltmarkt für Polyolefine (inkl. Polyethylen, Polypropylen und diverse Coplymere) wurde im Jahr 2018 auf etwa 160 Millionen Tonnen geschätzt. Der Weltmarkt für synthetische Elastomere, die zumeist mittels Kettenwachstumspolymerisation hergestellt werden, belief sich im gleichen Zeitraum auf etwa 16 Millionen Tonnen. Technisch bedeutsame Polymere, die durch Stufenwachstumspolymerisation entstehen, werden in ► Abschn. 8.​5 beschrieben.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
15. Chemie an Polymeren
Zusammenfassung
Viele Makromoleküle enthalten auch nach der Polymerisation noch chemisch reaktive Gruppen. Daher sind auch Makromoleküle unter Umständen reaktive Chemikalien. Durch die polymere Struktur ergeben sich jedoch einige Besonderheiten im Vergleich zu niedermolekularen Reagenzien. Hierauf wird in diesem Kapitel näher eingegangen.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
16. Technische Verfahren
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden technisch relevante Polymerisationsverfahren ausführlicher dargestellt. Der Fokus liegt auf Verfahren für Kettenwachstumspolymerisationen. Besondere Aufmerksamkeit gilt den heterogenen Verfahren, nämlich der Suspensions- und Emulsionspolymerisation. Die Gasphasenpolymerisation wird dagegen in ► Abschn. 11.​5 behandelt.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
17. Grundlagen der Kunststoffverarbeitung
Zusammenfassung
Mit Ausnahme der funktionalen Polymere, die in ► Kap. 19 diskutiert werden, werden Polymere als klassische Materialien für alle möglichen Gegenstände – von der Plastiktüte bis zur medizinischen Prothese – verwendet. Hierzu muss man, ausgehend von einem in Lösung, Schmelze oder Dispersion hergestellten Makromolekül, zu einem Formkörper mit bestimmter Geometrie kommen, der bestimmten Anforderungen in seiner geplanten Anwendung genügt. Das Anforderungsprofil für den Alltagseinsatz des Materials hat zum einen Auswirkungen auf die Chemie des Materials, beispielsweise zum Erreichen bestimmter mechanischer, thermischer oder chemischer Eigenschaften, andererseits natürlich aber auch auf die Form des Gegenstandes. Zur Formgebung polymerer Substanzen wurden in den letzten Jahrzehnten diverse Verarbeitungstechnologien entwickelt. Jedoch lässt sich nicht jede gewünschte Form durch jedes formgebende Verfahren erhalten. Ebenso kann nicht jedes polymere Material durch jedes Verfahren bearbeitet werden. In diesem Spannungsfeld zwischen Form, Material und Verarbeitungstechnik gehören daher auch Kenntnisse der Kunststoffverarbeitung zum Grundwissen eines Polymerchemikers. Das folgende Kapitel wird daher einen kurzen, einführenden Überblick in die wesentlichen Grundbegriffe der Kunststoffverarbeitung geben. Für weitergehende Details, die den Rahmen dieses Buches sprengen würden, wird auf die entsprechende Fachliteratur verwiesen (Kaiser 2007; Michaeli 2010).
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
18. Elastomere
Zusammenfassung
Wesentliche Eigenschaft von Elastomeren – im Gegensatz zu Thermoplasten – ist ihre weitgehende reversible Dehnbarkeit. So lassen sich manche Elastomere bis auf das 7-Fache ihrer ursprünglichen Länge dehnen und zeigen ein großes Rückstellvermögen. Deshalb ist dieser Werkstoffklasse ein eigenes Kapitel gewidmet.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
19. Funktionale Polymere
Zusammenfassung
Klassische polymere Materialien wie Polyethylen und Polyamid sind jedem von uns aus einer Vielzahl von Anwendungen im täglichen Leben bekannt. Genauso allgegenwärtig, aber weniger bekannt, sind die sogenannten funktionalen Polymere. Im Gegensatz zu den in den vorangegangenen ► Kap. 13, ► Kap. 14 und ► Kap. 15 diskutierten Strukturen gehören diese Polymere nicht zu den festen Werkstoffen („Plastik“), sondern es handelt sich bei ihnen um Systeme, die meistens in Lösung eingesetzt werden und hier einen bestimmten physikalischen Effekt bewirken. Meistens nehmen wir daher nicht das Polymer selbst wahr, sondern vielmehr seinen Effekt bzw. seine Funktion – daher der Name funktionale Polymere. Sie werden auch als polymere Wirk- oder Effektstoffe bezeichnet (Göthlich et al. 2005). Trotz ihrer Unauffälligkeit sind sie aus vielen Bereichen unseres täglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. So werden sie zum Beispiel in Waschmitteln, Pharmaprodukten oder Kosmetika eingesetzt.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
20. Flüssigkristalline Polymere
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Flüssigkristalle definiert, Methoden zu ihrer Charakterisierung beschrieben und schließlich flüssigkristalline Polymere vorgestellt.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
21. Polymere und Umwelt
Zusammenfassung
Im Jahr 2018 wurden weltweit ca. 348.000.000 t (348 Millionen Tonnen!) Kunststoffe produziert und eingesetzt, die meisten davon in China. Für die nächsten Jahre wird mit einem weiteren Wachstum von 4–5 % gerechnet. Vor dem Hintergrund dieser gewaltigen Mengen muss die Frage nach der Umweltverträglichkeit von polymeren Materialien gestellt werden. Dies muss nicht nur in den Zusammenhang mit den dabei anfallenden Abfallmengen, sondern auch in den weiteren Kontext der Themenfelder Recycling, Energie und nachwachsende Rohstoffe diskutiert werden. Zwischen all diesen Feldern bestehen enge Beziehungen und Wechselwirkungen, die hierbei nicht ignoriert werden dürfen, die aber dennoch in vielen Diskussionen, die hier aktuell geführt werden, nicht genügend berücksichtigt werden.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
22. Ausgewählte Entwicklungen in den Polymerwissenschaften
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden einige ausgewählte Entwicklungen diskutiert, die uns in den letzten Jahren aus verschiedensten Gründen aufgefallen sind. Diese Auswahl ist subjektiv. Das ein oder andere Thema mag auch mittelfristig im Bereich der Laborkuriositäten bleiben; diese Beispiele sind vor allem wegen ihrer Originalität interessant.
Sebastian Koltzenburg, Michael Maskos, Oskar Nuyken
Backmatter
Metadaten
Titel
Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen
verfasst von
Sebastian Koltzenburg
Michael Maskos
Oskar Nuyken
Copyright-Jahr
2024
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-64601-4
Print ISBN
978-3-662-64600-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-64601-4

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