Polymer

Ein Polymer [polyˈmeːr] (altgriech. πολύ polý „viel“; μέρος méros, „Teil“) ist eine chemische Verbindung, die aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekül) besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten (den sogenannten Monomeren) bestehen. Das Adjektiv polymer bedeutet entsprechend aus vielen gleichen Teilen aufgebaut. Obwohl mit diesem Begriff meist kovalent gebundene Stoffe beschrieben werden, die auch als Makromoleküle bezeichnet werden, ist es oft vorteilhaft, auch Salze und Metalle in die Definition mit einzubinden. Auch hier ist der gesamte Stoff aus vielen gleichen Teilchen, den Formeleinheiten aufgebaut.

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Definition (im Sinne des Chemikaliengesetzes)

Ein Polymer ist ein Stoff, dessen Moleküle aus verketteten Monomereinheiten bestehen.

Dieser Stoff gilt dann als Polymer

• wenn eine einfache Gewichtsmehrheit von Molekülen mit mindestens drei Monomereinheiten enthalten ist
• welche mit einer weiteren Monomereinheit oder einem anderen Reaktanten verknüpft sind
• und mittels Atombindung (kovalente/Elektronenpaarbindung) eine Bindung eingegangen sind.

Ebenfalls gilt ein Stoff als Polymer, wenn davon abweichend

• weniger als eine einfache Gewichtsmehrheit von Molekülen enthalten ist
• welche in einem bestimmten Molmassenbereich liegen
• wobei die Abweichungen bei der molaren Masse im Wesentlichen auf die Unterschiede in der Anzahl der Monomereinheiten zurückgehen.

Eine Monomereinheit im Sinne dieser Begriffsbestimmung ist die gebundene Form eines Monomers in einem Polymer.

Alternative Definition

Polymere sind „Stoffe, deren Molekulargewichte bei gleicher prozentualer atomarer Zusammensetzung in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen und auch gleichen inneren Aufbau aufweisen. Dabei ist die gleiche innere Struktur über das ganze Makromolekül verteilt. Weiter umfasst die Definition eines Polymeren die Eigenschaft, dass ein Polymermolekül aus n Einheiten sich nicht von einem Polymermolekül aus n-1 oder n+1 Grundbausteinen unterscheiden lässt.“^[1] Hierunter fallen auch anorganische Makromoleküle, z. B. aus Elementen wie Schwefel, oder anorg. Verbindungen [-A^- - B^+ -A^- - B^+ -]. Diese können von B, Si, Al, Ti, Ge, P, As mit S oder O₂ gebildet werden. Silikone (Polysiloxane) fallen auch hierunter.

Einteilung

Polymere können je nach der Anzahl der Grundmonomere eingeteilt werden. Wichtig ist jedoch, dass mindestens eine monomere Substanz die Kette aufbaut.

• Homopolymer: Im einfachsten Fall besteht das Polymer nur aus einer Monomerart, z. B. PE, PP, PVC und PA6.
• Copolymere sind aus verschiedenen Monomeren aufgebaut, wie z. B. Polyester, Polyurethane und auch einige Polyamide (PA 66).

Außerdem unterscheidet man organische und anorganische Polymere. Die organischen Polymere lassen sich weiter unterteilen in

• Biopolymere oder natürliche Polymere: Sie sind die Grundbausteine der lebenden Organismen.
• chemisch modifizierte Polymere entstehen durch die Weiterverarbeitung von Biopolymeren, z. B. Nitrocellulose, Celluloid oder Stärkederivate
• synthetische Polymere: Zu den synthetischen Polymeren, die durch Polymerisationsverfahren industriell oder im Labormaßstab hergestellt werden, gehören Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, etc.

Andere Polymere:

• Geopolymere

Polymerchemie

Die Kettenbildung, das heißt die Verbindung einzelner Monomere, geschieht durch Polyreaktionen (wie z. B. Polymerisation, Polykondensation oder Polyaddition). Dabei verbinden sich die Monomere zu Polymeren.

Polymere aus unterschiedlich gebauten Monomeren nennt man Heteropolymere oder Copolymere.

Die meisten Kunststoffe sind Polymere, bei denen der Kohlenstoff für die molekulare Kettenbildung sorgt.

Man unterscheidet isotaktische Polymere, bei denen alle Substituenten einer Polymerkette die gleiche stereoelektronische Konformation haben, wie z. B. isotaktisches Polystyrol mit Konfiguration R-R-R-R-R-… oder S-S-S-S-S-… Bei ataktischen Polymeren sind die Substituenten wahllos geordnet (eine Art Racemat). Als syndiotaktisch bezeichnet man Polymere, deren Substituenten abwechselnd aus R und S bestehen.

Beispiele

• Synthetische Polymere auf Kohlenstoffbasis:
  • PE (Polyethylen)
  • PP (Polypropylen)
  • PVC (Polyvinylchlorid)
  • PS (Polystyrol); besser bekannt in geschäumtem Zustand als Styropor^® (BASF AG)
  • PTFE (Polytetrafluorethylen); Handelsname: Teflon^® (E. l. Du Pont de Nemours and Company)
  • PMMA (Polymethylmethacrylat); Handelsname: Plexiglas^® (Evonik Röhm GmbH)
  • PA (Polyamid), z. B. PA66 (Handelsname: Nylon^®) oder PA6 (Handelsname: Perlon^®)
  • Polyester, zu dieser Produktgruppe gehören auch PC (Polycarbonat) (Handelsname: Makrolon^® (Bayer AG)) und PET (Polyethylenterephthalat)
  • PEG (Polyethylenglykol)
  • Dendrimere; stark verzweigte Strukturen mit Selbstähnlichkeit
• Synthetische Polymere auf anderer Basis:
  • Auch das Silizium ist in der Lage, stabile Verbindungen mit sich selbst einzugehen. Dabei entstehen Silikone.
• Biopolymere:
  • Proteine (Enzyme, Haare, Seide)
  • DNA (Erbsubstanz)
  • RNA
  • Kohlenhydrate (Zellulose, Holz, Papier, Stärke, Chitin)
  • Polyhydroxyalkanoate (Biopolyester als Energie- und Kohlenstoff-Speicher von Bakterien)

Ökologische Erwägungen

Gesundheitsrisiken gehen praktisch nie vom Polymer selbst aus.

Ein Beispiel dafür ist das PVC: Erst bei der Verbrennung entsteht das giftige und stark ätzende Gas Chlorwasserstoff, das sich in Wasser unter Bildung von Chlorwasserstoffsäure (Salzsäure) löst. Außerdem entstehen bei Schwelbränden in größeren Mengen polychlorierte Dibenzodioxine und -furane. Das Polymer PVC selbst ist lebensmittelecht und wird auf Grund seiner ausgezeichneten Gasdichtigkeit in der Medizin zum Beispiel für Blutkonserven verwendet.

Weitere Probleme können durch Zusatzstoffe entstehen, die praktisch in jedem Kunststoffgegenstand enthalten sind, wie z. B. Weichmacher. Diese werden überwiegend bei PVC eingesetzt.

Polymerphysik

Nach ihren physikalischen Eigenschaften unterteilt man die Polymere in:

1. Die Thermoplaste,
2. die Elastomere und
3. die Duroplaste.

Bei den Thermoplasten unterscheidet man noch zwischen (teil)kristallinen und den amorphen Thermoplasten. Polymere werden theoretisch u. a. beschrieben durch das Freely-Jointed-Chain-Modell oder das Wormlike-Chain-Modell.

Polymerelektronik

(siehe Hauptartikel Organische Elektronik)

Hier werden leitende (elektrisch aktive) Polymere 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 beispielsweise:

• Funktionsschichten: UV-Filter
• Displays: OFETs, OLEDs
• RFID-Tags
• Solarzellen
• Sensoren und Aktoren
• Brennstoffzellen
• Akkus

Eine andere Anwendung ist die Verarbeitung von Polymeren mit Hilfe der Elektronik beim Elektrospinnen.

Quellen

1. ↑ Kunz: Polymerisationstechnik. S. 11.

Literatur

• Lechner, Gehrke, Nordmeier: Makromolekulare Chemie. 3. Auflage. Birkhäuser, Basel 2003, ISBN 3-7643-6952-3.