Was ist ein Polymer? Definition, Typen und Beispiele

Ein Polymer ist ein Makromolekül, d. h. ein Molekül, das aus Hunderten oder Tausenden von Atomen besteht und aus der sukzessiven Vereinigung desselben kleinen Moleküls gebildet wird. Der Begriff „Polymer“ kommt von der Konjunktion des griechischen Präfixes poli , was „viel“ bedeutet, mit dem Suffix mer , was „Teil“ bedeutet. Der Begriff wurde 1833 von dem schwedischen Chemiker Jons Jacob Berzelius geprägt.

Die Entwicklung von Polymeren

Natürliche Polymere werden seit jeher verwendet, aber die Möglichkeit, Polymere zu synthetisieren, ist eine neuere Entwicklung. Das erste Material, das aus einem Polymer entwickelt wurde, war Nitrocellulose . Das Verfahren wurde 1862 vom britischen Chemiker Alexander Parkes entwickelt: Er kombinierte die natürliche Zellulose mit Salpetersäure und einem Lösungsmittel und stellte durch eine anschließende Behandlung mit Kampfer Zelluloid her , ein in der Filmindustrie weit verbreitetes Polymer. Beim Auflösen von Nitrocellulose in Äther und Alkohol entsteht Kollodium ; dieses Polymer wurde als chirurgischer Verband verwendet.

Die Vulkanisation von Kautschuk war ein weiterer Meilenstein in der Entwicklung von Polymeren. Der deutsche Chemiker Friedrich Ludersdorf und der amerikanische Erfinder Nathaniel Hayward fanden heraus, dass die Zugabe von Schwefel zu Naturkautschuk dessen Eigenschaften erheblich verbesserte. Der Prozess der Vulkanisation von Kautschuk durch Zugabe von Schwefel und Anwendung von Hitze wurde 1843 vom britischen Ingenieur Thomas Hancock und 1844 vom amerikanischen Chemiker Charles Goodyear beschrieben.

1926 erklärte Hermann Staudinger die chemische Struktur dieser Materialien und schlug die bis heute gültige Struktur von Polystyrol und Polyoxymethylen vor. Sein Modell stellte fest, dass lange Ketten von Atomen erzeugt wurden, die durch die wiederholte Vereinigung durch kovalente Bindungen eines kleinen Moleküls gebildet wurden. Hermann Staudinger wurde 1953 für seine Arbeiten mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Wie entstehen Polymere?

Die Bildung eines Polymers, dh die Polymerisation, ist eine chemische Reaktion, bei der zwei Bindungen in einem kleinen Molekül erzeugt werden, im Allgemeinen kovalente Bindungen, bei denen andere Einheiten desselben Moleküls verbunden werden. Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt, wodurch eine lange Kette von Atomen entsteht. Das Molekül, aus dem das Polymer besteht, wird als Monomer bezeichnet .

Schauen wir uns ein Beispiel an: Polyethylen, ein weit verbreiteter Kunststoff, der das einfachste Polymer ist.

Das Monomer von Polyethylen ist Ethylen, ein einfaches organisches Molekül mit zwei Kohlenstoffatomen, die durch eine Doppelbindung verbunden sind, zusammen mit zwei Wasserstoffatomen, die an jedes Kohlenstoffatom gebunden sind, wie in der obigen Abbildung gezeigt. Die Kohlenstoffbindungen sind kovalent. Wenn die Doppelbindung gebrochen wird, hat jedes der Kohlenstoffatome eine kovalente Bindung, die verfügbar ist, um andere Atome zu verbinden, die die Struktureinheit bilden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Die wiederholte Vereinigung dieser Struktureinheit erzeugt ein langes lineares Molekül ohne Verzweigungen: Polyethylen (siehe folgende Abbildung).

Ein weiteres Beispiel ist die Gewinnung von Polystyrol, einem Polymer mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Das Monomer von Polystyrol ist Styrol, ein Molekül, das einen Benzolring hat, der mit einer Doppelbindung an zwei Kohlenstoffatome gebunden ist. Wie beim Polyethylen entsteht durch das Aufbrechen der Doppelbindung die Struktureinheit, die bei wiederholter Verknüpfung eine lange Kette zu Polystyrol bildet (siehe folgende Abbildung).

Polymere

In der Natur gibt es viele von Lebewesen erzeugte Materialien und Moleküle, die Polymere sind. Proteine, Nukleinsäuren, DNA, Polysaccharide wie Zellulose sind Beispiele für natürliche Polymere. Wie wir bereits gesehen haben, sind andere Polymere wie Nitrozellulose und vulkanisierter Kautschuk künstliche Polymere, die aus natürlichen Polymeren gewonnen werden. Und künstliche Polymere werden in Laboratorien und in der Industrie durch chemische Reaktionen gewonnen; Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen, Polystyrol, Neopren und Nylon sind einige Beispiele für das breite Spektrum künstlicher Polymere, die in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen.

Künstliche Polymere werden in zwei Kategorien eingeteilt: thermoplastische Polymere und duroplastische Polymere . Polymere können durch eine chemische Reaktion oder aus einem Gemisch fester Substanzen oder aus einer Lösung erhalten werden, in der die Polymerisation durch Wärme oder durch Anwendung von Gammastrahlung in einer irreversiblen Reaktion induziert wird.

• Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, neigen duroplastische Polymere dazu, steif zu sein und sich zu zersetzen oder zu zersetzen, ohne weich zu werden, wenn sie über eine bestimmte Temperatur erhitzt werden. Epoxidharze, Polyester, Acrylharze und Polyurethan sind duroplastische Polymere, genau wie Bakelit, Kevlar und vulkanisierter Gummi.
• Thermoplastische Polymere sind im Gegensatz zu Duroplasten flexibel und erweichen und schmelzen oberhalb einer bestimmten Temperatur, wodurch sie geformt werden können. Einige Beispiele für thermoplastische Polymere sind Nylon, Teflon, Polyethylen und Polypropylen.

Eine der Anwendungen künstlicher Polymere ist die Herstellung von Fasern, aus denen Stoffe hergestellt werden. Diese Polymere müssen eine hohe Elastizität aufweisen, um ihre Handhabung in den Herstellungsverfahren und bei ihrer endgültigen Verwendung zu ermöglichen, und eine geringe Dehnbarkeit, um ihre Abmessungen beizubehalten. Eine weitere Anwendung der Polymere liegt in Klebstoffen; In diesem Fall muss beim Auftragen des Produkts eine Polymerisation stattfinden, beispielsweise durch eine chemische Reaktion mit Wasserdampf in der Luft oder auf den Teilen, auf die der Klebstoff aufgetragen wird, wie dies bei Cyanacrylaten der Fall ist, die in Haushalts-, Industrie- und Wundverschlussanwendungen verwendet werden . Elastomere sind eine weitere weit verbreitete Anwendung von Polymeren; Dies sind Materialien, die sich verformen, wenn eine Kraft ausgeübt wird.

Beschichtungen, Farben, Teile und Komponenten, aus denen Mechanismen und Strukturen bestehen, verschiedene Baumaterialien, elektrische und thermische Isolatoren, sind nur einige der immensen Vielfalt von Polymeranwendungen.

Quellen

JR Wunsch. Polystyrol-Synthese, Produktion und Anwendungen . iSmithers Rapra Publishing, 2020.

Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, Nick R. Schott Kunststofftechnik-Handbuch. Fertigung, Verbundwerkstoffe, Werkzeuge, Hilfsstoffe . Momentum Press, 2012.

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William B. Jensen Der Ursprung des Polymerkonzepts . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.