Polymere: Definition, Klassifizierung und Polymerisationsmethoden

Polymere

1. Definition

In der Chemie sind Polymere Makromoleküle (meist organischen Ursprungs), die durch die Verbindung von kleineren Molekülen, den sogenannten Monomeren, gebildet werden.

2. Klassifizierung

2.1. Abhängig von der Herkunft

Natürliche Polymere: In der Natur gibt es viele Polymere und Biomoleküle, aus denen Lebewesen bestehen. Diese sind polymere Makromoleküle. Zum Beispiel: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide (z.B. Zellulose und Chitin), Gummi oder Naturkautschuk, Lignin, etc.

Semi-synthetische Polymere: Polymere, die durch die Verarbeitung natürlicher Polymere gewonnen werden. Zum Beispiel: Gummi, Nitrocellulose, etc.

Synthetische Polymere: Viele industrielle Polymere werden aus Monomeren gewonnen. Zum Beispiel: Nylon, Polystyrol, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen usw.

2.2. Nach Polymerisationsmechanismus

Polykondensate: Die Polymerisationsreaktion beinhaltet bei jedem Schritt die Bildung eines Moleküls mit niedrigem Molekulargewicht, z.B. Wasser.

Additionspolymere: Bei der Polymerisation wird keine niedermolekulare Verbindung freigesetzt. Diese Polymerisation wird durch einen Katalysator gestartet, der die Kohlenstoff-Doppelbindung in den Monomeren trennt. Die freien Elektronen der Monomere verbinden sich dann miteinander, bis die Reaktion abgeschlossen ist. In der folgenden Tabelle können wir diese beiden Arten der Polymerisation unterscheiden:

Kondensationspolymerisation

Additionspolymerisation

Wachstumsreaktion nur an der Kette

Hat eine sich wiederholende Einheit

Zwei beliebige molekulare Arten können reagieren

Monomer-Konzentration verringert sich kontinuierlich während der Reaktion

Das Monomer verschwindet am Beginn der Reaktion

Schnell gebildet, das hohe Polymer Molekulargewicht ändert sich wenig während der Reaktion

Das Polymer Molekulargewicht steigt kontinuierlich während der kurzen Reaktionszeit

Kurze Reaktionszeiten führen zu hohen Renditen, haben aber wenig Einfluss auf das Molekulargewicht

Lange Reaktionszeiten sind für den Erhalt hoher Molekulargewichte wesentlich

Diese beiden Methoden sind auch unter den Namen bekannt:

Polymere, die in Etappen gebildet werden: (Kondensation) kann etc. mit einem Oligomer reagieren, wie ein Dimer mit einem Trimer.

Polymere, die durch Kettenreaktion gebildet werden: (Addition) Jede Kette wächst in einer Form zum ersten Mal Dimere, dann Trimere, Tetramere, etc.

2.3. Nach chemischer Zusammensetzung

Organische Polymere: Sie haben Kohlenstoffatome in der Hauptkette.

Vinyl-Polymere: Die Hauptkette der Moleküle besteht ausschließlich aus Kohlenstoff.

Unter ihnen lassen sich unterscheiden:

• Polyolefine: Gebildet durch die Polymerisation von Olefinen. Beispiele: Polyethylen und Polypropylen
• Styrolkunststoffe: Einschliesslich Styrol zwischen deren Monomeren. Beispiele: Polystyrol und Styrol-Butadien-Kautschuk
• Halogenierte Vinylpolymere: Einschliesslich Halogenatome (Chlor, Fluorid ...) in ihrer Zusammensetzung. Beispiele: PVC und PTFE
• Acrylpolymere: Beispiele: PMMA

Vinyl- oder organische Polymere: Neben Kohlenstoffatomen sind Sauerstoff oder Stickstoff in seinem Rückgrat.

Einige Unterkategorien von Bedeutung:

• Polyurethane
• Polyamide
• Polyester

Anorganische Polymere: Unter anderem:

• Beispiel basierend auf Schwefel: Polysulfide
• Silizium-Basis. Beispiel: Silikon

2.4. Nach Anwendungen

Auf der Grundlage ihrer Eigenschaften und Verwendungszwecke können die Polymere eingeteilt werden in:

Elastomere: Sind Materialien mit sehr niedrigem Elastizitätsmodul und hoher Erweiterbarkeit, d.h. sie verformen sich stark, wenn sie einer Belastung ausgesetzt werden, nehmen aber ihre ursprüngliche Form wieder an, wenn die Belastung beseitigt wird. Bei jedem Zyklus von Expansion und Kontraktion absorbieren Elastomere Energie, eine Eigenschaft, die man Resilienz nennt.

Kunststoffe: Sind Polymere, die sich bei einer ausreichend intensiven Belastung irreversibel verformen und nicht in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass sich der Begriff Kunststoff manchmal fälschlicherweise auf alle Polymere bezieht.

Fasern: Sie haben eine hohe Elastizität und eine geringe Dehnbarkeit, so dass die Dimensionen der daraus hergestellten Gewebe stabil bleiben.

Beschichtungen: Sind Stoffe, meist Flüssigkeiten, die auf die Oberfläche anderer Materialien aufgetragen werden, um ihnen eine bestimmte Eigenschaft zu verleihen, wie z.B. Abriebfestigkeit.

Klebstoffe: Sind Stoffe, die einen hohen Zusammenhalt und eine hohe Adhäsion aufweisen, so dass sie zwei oder mehr Stellen dauerhaft miteinander verbinden können.

2.5. Nach Verhalten bei Temperaturerhöhung

Zur Einordnung von Polymeren kann man sie einfach empirisch über eine bestimmte Temperatur hinaus erhitzen. Je nachdem, ob das Material schmilzt und fließt oder nicht, unterscheidet man zwei Arten von Polymeren:

Thermoplaste: Sie fließen (werden flüssig), wenn sie erhitzt werden, und verhärten sich wieder (werden wieder fest), wenn sie abkühlen. Die molekulare Struktur hat nur wenige (oder keine) Querverbindungen. Beispiele: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC)

Duroplaste: Sie fließen gar nicht, sondern zersetzen sich beim Erhitzen chemisch, anstatt zu fließen. Dieses Verhalten ist auf eine Struktur mit vielen Querverbindungen zurückzuführen, welche die relative Verschiebung der Moleküle verhindern.

Die Klassifizierung Thermoplast/Duroplast ist unabhängig von der Klassifizierung Elastomere/Kunststoffe/Fasern. Es gibt Kunststoffe, die thermoplastisches Verhalten aufweisen, und andere, die sich wie Duroplaste verhalten. Dies ist in der Tat der Hauptarm der Gruppe von Kunststoffen, und oft bezieht man sich eigentlich nur auf "duroplastische Kunststoffe", wenn man von "thermostabil" spricht. Dies sollte jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass auch Elastomere in Duroplaste (die meisten) und Thermoplaste (eine Minderheit, aber mit sehr interessanten Anwendungen) unterteilt werden können.

2.6. Nach Monomer

Homo- oder: Makromoleküle, die durch die Wiederholung von identischen Monomeren gebildet werden.

Z.B. Cellulose, Gummi, Polyethylen, PVC, etc.

Copolymere: Sie sind Makromoleküle, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Monomeren bestehen.

Z.B. Seide, Bakelite, etc.

Unter den Copolymeren kann man die folgende Sub-Klassifizierung unterscheiden:

• Zufällige Copolymere: Monomere sind zufällig gruppiert.

• Alternierende Copolymere: Monomere wechseln sich ab.

• Block-Copolymere: Monomere sind in Blöcken zusammengefasst.

• Copolymere gepfropft: Monomeren, um eine Hauptkette eines Monomers zugesetzt, sind Verzweigungen der anderen.

2.7. Nach seiner molekularen Struktur

Linear: Geformt von langen unverzweigten Ketten von Makromolekülen (Polyethylen, Seide, Thermoplaste).

Verzweigt: Die Hauptkette ist seitlich mit Schnüren verbunden.

Kreuz und quer: Verbinden benachbarten linearen Ketten quer in verschiedenen Positionen durch kovalente Bindungen (Elastomere).

Fachwerkträger: Makromoleküle sind Epoxid gebildet durch Ketten und Filialen verflochten in den drei Richtungen des Raumes (Bakelit, Duroplaste).

3. Polymerisationsmethoden

Suspensionspolymerisation: Die Offiziere werden in Wasser gelegt, um zu reagieren. Die Monomere sind unlöslich, was daher zu einer Suspension in Wasser führt. Um zu vermeiden, dass das Polymer sich im Wasser löst, wird ein wenig Polyvinylalkohol hinzugefügt.

Emulsionspolymerisation: Sie wird auch in Wasser durchgeführt, aber dieses Mal sind die Monomere in Alkohol löslich, aber nicht aus einem Emulgator (Seife, Waschmittel). Unter diesen Bedingungen ist das Monomer emulgiert, also werden Emulgator-Tröpfchen erzeugt, die durch diese stabilisiert werden. Es bildet eine Art von Latex. Dann fällt das Polymer gebildet wird und Brechen der Emulsion.

Masse-Polymerisation: Bei dieser Art wird kein Mittel benötigt, um zu reagieren, sondern die Monomere reagieren nur.