Polymere, Klassifikation und Neue Materialien: Ein Überblick

Polymere: Definition und Aufbau

Ein Polymer ist ein Makromolekül, das aus langen Ketten sich wiederholender Einheiten, bekannt als Monomere, aufgebaut ist.

Klassifikation von Polymeren

Klassifikation nach der Quelle

• Natürliche Polymere: Werden in der Natur oder von Lebewesen gebildet (z. B. Proteine, Zellulose).
• Künstliche Polymere (Semisynthetisch): Werden aus natürlichen Polymeren durch chemische Modifikation gewonnen (z. B. Zelluloid).
• Synthetische Polymere: Sind das Ergebnis menschlicher Entwicklung und Herstellung (z. B. Polyvinylchlorid).

Klassifikation nach physikalischen Eigenschaften

• Elastomere: Materialien mit hoher Elastizität (z. B. Gummi).
• Kunststoffe (Plastomere): Verformen sich irreversibel, wenn eine Kraft mit einer gewissen Intensität angewendet wird (betrifft die meisten Polymere).
• Duroplaste: Sind Stoffe von hoher Härte und Steifigkeit (z. B. Bakelit).

Klassifikation nach dem Verhalten bei Wärme

• Thermoplaste: Gehen bei hohen Temperaturen in den flüssigen Zustand über und härten beim Abkühlen wieder aus.
• Duroplaste: Schmelzen nicht durch Hitze. Erreichen sie eine bestimmte Temperaturgrenze, zersetzen sie sich und verlieren ihre chemische Struktur.

Spezifische Polymerarten

Natürliche und künstliche Polymere

Die chemische Zusammensetzung natürlicher Polymere ist sehr vielfältig:

• Die Monomere von Proteinen sind Aminosäuren.
• Das Monomer der Zellulose ist Glukose.
• Das Monomer von Kautschuk ist Isopren.

Das am weitesten verbreitete natürliche Polymer ist Zellulose.

Wichtige künstliche Polymere sind:

• Nitrocellulose: Wird durch die Behandlung von Zellulose mit Salpetersäure gewonnen.
• Rayon: Ein sehr flexibles Zellulosepolymerisat.
• Vulkanisierter Gummi: Wird aus natürlichem Gummi durch Erhitzen einer Mischung aus Gummi und Schwefel gewonnen.

Wichtige synthetische Polymere

Die meisten synthetischen Polymere werden aus Erdöl gewonnen. Sie dienen oft als Dämmstoffe für Strom und Wärme und können leicht geformt werden. Die am häufigsten verwendeten sind:

• Nylon: Ein synthetisches Polymer, das aus langen Ketten von Monomeren mit Amid-Verbindungen besteht.
• Polystyrol: Eine Gruppe von Thermoplasten, die in drei Formen auftreten: Standard-Polystyrol, Glas-Polystyrol und expandiertes Polystyrol (Styropor).
• Polyurethan: Wird durch einen Kondensationsprozess von Polyester synthetisiert.
• Polyester: Polymere mit Esterbindungen.
• PVC (Polyvinylchlorid): Ein thermoplastisches Polymer, das in zwei Varianten vorliegt: starr (z. B. für Türen) und flexibel (z. B. für Kabel).
• Polyethylen: Eines der häufigsten Polymere, das auf Ethylen basiert und in langen, linearen Ketten vorliegt.
• Methacrylat: Bekannt für seine hohe Steifigkeit und Transparenz.

Neue Technologien und Materialien

Fortschritte bei elektrischen Materialien

Fortschritte in der Physik haben zur Entwicklung neuer Materialgruppen geführt:

• Halbleiter: Materialien, deren Widerstand gegen den Stromfluss von externen Faktoren wie Temperatur, mechanischer Beanspruchung oder Beleuchtungsstärke abhängt (z. B. Silizium).
• Supraleiter: Materialien, die die Fähigkeit besitzen, elektrischen Strom ohne jeglichen Widerstand zu leiten (z. B. Titan, Kupfer).
• Piezoelektrische Materialien: Materialien, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln können und umgekehrt.

Nanotechnologie und Nanoröhrchen

Die Nanotechnologie umfasst die Bereiche Wissenschaft und Technik, in denen Materialien, Substanzen und Geräte von sehr geringer Größe (im Nanometerbereich) untersucht und manipuliert werden.

Nanoröhrchen (Nanotubes): Sie sind röhrenförmige Strukturen aus Kohlenstoff mit Durchmessern von wenigen Nanometern. Ihre physikalischen Eigenschaften umfassen:

• Halbleitende und supraleitende elektrische Leistung.
• Hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Spannung.
• Große Fähigkeit zur Wärmeleitung.

Weitere innovative Werkstoffe

• Silikone: Polymere, deren Ketten nicht aus Kohlenstoff, sondern aus Silizium gebildet werden.
• Intelligente Werkstoffe (Smart Materials): Materialien, die reversibel und kontrollierbar auf verschiedene externe chemische oder physikalische Reize reagieren. Ein besonderer Fall sind Formgedächtnis-Materialien, die fähig sind, sich an ihre ursprüngliche räumliche Struktur zu „erinnern“ und nach einer Verformung dorthin zurückzukehren.
• Hybrid-Materialien: Bestehen aus einem Basismaterial (der Matrix) mit dem Zusatz bestimmter Fasern. Die Matrix sorgt für Stabilität und Festigkeit, während die Fasern eine größere Elastizität verleihen.