Polymere

Wort zusammengesetzt aus dem griech. »poly« für »viel/viele« und »meros« für »Teil«. Sammelbegriff für Werkstoffe, deren Struktur von Makromolekülen (Molekül) mit jeweils Tausenden von Atomen gebildet wird. Die Makromoleküle werden während eines als »Polymerisation« oder »Polyaddition«, bezeichneten ehemischen Prozesses aus kleinen Molekülen (den Monomeren) zu Ketten zusammengefügt. Weit fortgeschrittene Kenntnisse über Molekülbau (Molekül), molekulare Ordnung und Eigenschaften polymerer Werkstoffe, zu denen praktisch alle Kunststoffe gehören, gestatten heute die Herstellung »maßgeschneiderter« Materialien. Sehr oft wird der chemischen P. Struktur durch Einwirkung äußerer Kräfte mechanischer, elektrischer oder magnetischer Art eine übermolekulare Struktur aufgezwungen. Ein wichtiges Ziel der P. forschung ist, im Sinne eines »Konstruierens mit Molekülen« aus Einzelmolekülen komplexe Architekturen entweder direkt aufzubauen oder Makromoleküle zu entwerfen, die durch Selbstorganisation unter kontrollierten Bedingungen eine gewünschte Überstruktur ausbilden. Laserphysik und -technikFestkörperphysik, Makromoleküle mit hohen Molekularmassen, die durch die Aneinanderlagerung einer Vielzahl von gleichen oder unterschiedlichen Grundbestandteilen gebildet und durch Polymerisation, Polyaddition oder Polykondensation synthetisiert werden.

Der Grad der Polymerisation ist die Anzahl der in einem Makromolekül vereinigten Grundbausteine (Monomere). Dimere bzw. Trimere bestehen aus zwei bzw. drei Monomeren, Oligomere sind Polymere mit einem Polymerisationsgrad geringer als ca. 100, Hochpolymere haben einen wesentlich höheren Polymerisationsgrad. Die Makromoleküle eines Polymers unterliegen einer Molekularmassenverteilung. Der Mittelwert der Molekularmasse kann experimentell bestimmt werden.

Die Primärstruktur der Polymere (Konfiguration) wird bestimmt durch die Verknüpfung der benachbarten Monomere (siehe Abb.). In Abhängigkeit von der Anordnung der Grundbausteine werden lineare, verzweigte und vernetzte Polymere unterschieden. Der einfachste Fall ist die lineare Kette wie beim Polyethylen. Besteht ein Polymer aus einem einheitlichen Grundbestandteil, wird es als Homopolymer bezeichnet. Geringe strukturelle Abweichungen an den Kettenenden oder den Verzweigungen werden dabei toleriert. Kopolymere (Heteropolymere) bestehen aus verschiedenen Grundbestandteilen. Bei den Kopolymeren wird zwischen statistischen und alternierenden Kopolymeren unterschieden. Besondere Formen von Kopolymeren sind Blockkopolymere, bei denen die Grundbestandteile A und B längere Folgen in der Hauptkette bilden (z.B. A-A-A-B-B-B-B-A-A-A-B-B-B-B) und Pfropfkopolymere (Graftcopolymers), bei denen an die aus dem Grundbestandteil A bestehende Hauptkette Nebenketten aus dem Grundbestandteil B angesetzt sind.

Eine spezielle Eigenschaft von Polymeren ist die Stereoisomerie. Makromoleküle können bei gleicher Strukturformel und gleicher Molekülmasse eine unterschiedliche räumliche Anordnung der Atome und Atomgruppen aufweisen. Dabei wird zwischen ataktischen Polymeren (keine räumliche Ordnung) und eutaktischen Polymeren (vollständige räumliche Ordnung) unterschieden. Bei isotaktischen Polymeren haben alle Molekülteile mit der gleichen Chiralität (Händigkeit) die gleiche chemische Zusammensetzung. Bei syndiotaktischen Polymeren wechseln sich unterschiedliche Chiralitätszentren regelmässig ab. Sind im Molekül noch Doppelbindungen vorhanden (z.B. beim Polyethylen), sind Kettenverknüpfungen in cis- oder trans-Stellung möglich.

Die Sekundärstruktur (Konformation) entsteht durch die Wechselwirkung benachbarter Makromoleküle oder auch verschiedener Kettensegmente eines Makromoleküls. Diese Wechselwirkungen können Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte, Ionenbindungen oder auch hydrophobe Wechselwirkungen sein. Diese Wechselwirkung führen meist zur Bildung von statistischen Polymerknäueln mit völlig regelloser Orientierung der einzelnen Segmente der Makromoleküle. Auch Helixstrukturen und regelmässig gefaltete Molekülketten (teilkristalline Bereiche) sind möglich. Die Biegsamkeit einer Kette kann quantitativ durch die Persistenzlänge l_p beschrieben werden. In Abschnitten, die kleiner als die Persistenzlänge sind, ist keine Biegsamkeit der Polymerkette mehr vorhanden. Ein Makromolekül kann als Kette einzelner zueinander beweglicher Glieder angesehen werden, wobei die Glieder als effektive Segmente l_e bezeichnet werden. Für eine elastische Deformation und unter Annahme einer gleichmässigen Verteilung der Biegsamkeit gilt .

Als Tertiärstruktur wird die regelmässig auftrende Folge von knäuelartigen und geordneten Bereichen bezeichnet, wie sie z.B. bei Proteinen auftritt.

Wird ein Polymer erhitzt, lassen sich drei charakteristische Temperaturen angeben, bei denen Veränderungen im strukturellen Aufbau erfolgen. Die Glasübergangstemperatur T_g bezeichnet die Temperatur, bei der der Übergang vom glasartigen oder kristallinen Zustand in den elastischen Zustand erfolgt. Unterhalb T_g ist die Beweglichkeit der einzelnen Polymerketten zueinander stark eingeschränkt. Die Schmelztemperatur T_s liegt oberhalb der Glastemperatur. Das Schmelzen eine Polymers erfolgt wegen der statischen Verteilung der Makromolekülmassen in einem mehr oder weniger breiten Temperaturinterval (polymere Schmelzen). Bei weiterer Temperaturerhöhung (bei einigen Polymeren bereits während des Schmelzens) treten ab der Zersetzungstemperatur T_z chemische Veränderungen im Aufbau der Makromoleküle ein.

Polymere Elektrete besitzen eine permanente elektrische Ladung. Polymere, die dissoziationsfähige Gruppen enthalten und beim Auflösen in Wasser Makroionen bilden, werden als Polyelektrolyte bezeichnet. Photopolymere enthalten lichtempfindliche Molekülgruppen und sind photosensitiv.

Polymermischungen (Polymerblends, Compounds) sind Mischungen zweier oder mehrere Polymere, die eine gemeinsame Schmelze bilden und als festes Granulat weiterverarbeitet werden können. In interpenetrierenden Netzwerken überlagern und verbinden sich die Strukturen zweier unmischbarer Polymere.

Füllstoffe (Graphit, Kreide) werden Polymeren zugesetzt, um gewünschte mechanische, optische oder elektronische Eigenschaften zu erhalten (leitfähige Polymere). Als Weichmacher werden flüssige oder feste Verbindungen bezeichnet, die in das Polymer zur Erzielung gewünschter physikalischer Eigenschaften wie Elastizität oder Dehnbarkeit eingearbeitet werden.

Gestreckte Polymere sind Polymere, die während der Verarbeitung (z.B. Spritzen) eine Parallelorientierung der Polymerketten erhalten und damit verstärkt anisotrope Eigenschaften besitzen.

Polymere: Kurzbezeichnungen für Polymere (nach DIN 7728).

Polymere: Verschiedene Konfigurationen von Polymeren.