Umfassender Leitfaden zu Polymeren: Elastomere, Schaumstoffe, Fasern & Harze

Elastomere: Eigenschaften und Herstellung

Elastomere sind Polymere, die eine große elastische Verformung entwickeln können, wenn sie relativ geringen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Einige Elastomere dehnen sich um 500 % oder mehr aus und kehren danach in ihre ursprüngliche Form zurück. Elastomere bestehen aus langen, vernetzten Molekülketten. Ihre elastischen Eigenschaften beruhen auf zwei Merkmalen: 1) Die langen Moleküle sind im ungestreckten Zustand dicht gefaltet, und 2) der Vernetzungsgrad ist deutlich geringer als bei Duroplasten.

Produktionstechnik von Elastomeren

Synthetische Elastomere werden durch Polymerisationsverfahren hergestellt, die denen für thermoplastische und duroplastische Polymere ähneln.

Polymerisationsmethoden

Die Additionspolymerisation (oder Kettenpolymerisation) erfolgt durch die Öffnung der Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen der Monomere, wodurch diese sich mit anderen Monomermolekülen verbinden können. Die Bindungen entstehen an beiden Enden der Makromoleküle, die sich zu langen Ketten aus einfachen, sich wiederholenden Einheiten erweitern.

Die Polykondensation (oder Stufenwachstumspolymerisation) ist ein Prozess, bei dem zwei Monomere unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (oft Wasser, das kondensiert) zu einem neuen, größeren Molekül reagieren. Dies wird auch als Polykondensation bezeichnet, da Wasser als Nebenprodukt der Reaktion gewonnen wird.

Beispiele für Elastomere

• Polybutadien: Besitzt sehr gute Elastizität und wird überwiegend (zu 92 %) in der Reifenherstellung verwendet.
• Butadien-Styrol-Kautschuk (SBR): Im Verhältnis 6:1 (Butadien zu Styrol) weist SBR eine mittlere Elastizität und hohe Alterungsbeständigkeit auf. Seine Beständigkeit gegen Lösungsmittel und Abrieb macht es sehr nützlich für die Reifenherstellung.
• Polyisopren (cis-1,4): Auch bekannt als Naturkautschuk.
• Isopren-Copolymer und 2-Methylpropen (IIR): Sehr oxidationsbeständig, geringe Elastizität, geringe Gasdurchlässigkeit und gute Reißfestigkeit. Wird in Blasen, inneren Reifenschläuchen, für Schwingungsdämpfer und Kabelummantelungen verwendet.
• Neopren (Poly-2-Chlor-1,3-Butadien): Sehr beständig gegen Oxidation, organische Lösungsmittel und hohe Temperaturen, bedingt durch die C-Cl-Bindungen. Seine Elastizität ist durchschnittlich. Wird zur Herstellung von Schläuchen und Rohren für den Transport verwendet.

Kalanderverfahren: Herstellung flexibler Platten

Das Kalanderverfahren ist ein kontinuierlicher Prozess zur Umwandlung von Thermoplasten und Elastomeren in flexible und halbstarre Platten geringer Dicke. Dabei wird das vorverarbeitete Material durch den Luftspalt zwischen zwei oder mehr parallel angeordneten Zylindern geführt, wodurch ein Rohmaterialblatt entsteht. Dessen Eigenschaften werden anschließend durch eine Reihe von Kalibrierzylindern, Kühlung, Weiterverarbeitung und Aufwicklung angepasst.

Schaumstoffe: Poröse Polymere

Polymerschaum ist eine Mischung aus Polymer und Gas, die dem Material eine poröse oder zelluläre Struktur verleiht. Er wird auch als Zellpolymer, geschäumtes Polymer oder Blähpolymer bezeichnet. Die häufigsten Polymerschäume sind Polystyrol und Polyurethan. Ihre wichtigsten Eigenschaften sind: niedrige Dichte, hohe Festigkeit pro Gewichtseinheit und gute Wärmedämmung.

Klassifizierung von Schaumstoffen

• Elastomerschaum: Eine Polymermatrix aus Kautschuk, die elastische Verformung ermöglicht.
• Flexibler Schaum: Eine Polymermatrix, die sehr plastisch ist, wie z.B. Weich-PVC.
• Starrer Schaum: Das Polymer ist ein starrer Thermoplast (z.B. Polystyrol) oder ein Duroplast (z.B. Phenolharz).

Schäumverfahren

Die in Polymerschaumstoffen verwendeten Gase sind Luft, Stickstoff und Kohlendioxid. Das Gas wird mit verschiedenen Methoden, den sogenannten Schäumverfahren, in das Polymer eingebracht. Dazu gehören:

1. Mechanisches Schäumen: Eine flüssige Harzmischung wird durch mechanische Bewegung mit Luft vermischt, woraufhin das Polymer durch Hitze oder chemische Reaktion aushärtet.
2. Physikalisches Schäumen: Ein physikalisches Treibmittel (ein Gas wie Stickstoff oder Pentan) wird unter Druck in der Polymerschmelze gelöst. Wenn der Druck reduziert wird, entweicht das Gas aus der Lösung und expandiert.
3. Chemisches Schäumen: Das Polymer wird mit Chemikalien, sogenannten chemischen Treibmitteln, vermischt, die sich bei hohen Temperaturen zersetzen und Gase in der Mischung freisetzen.

Polystyrol-Schaumstoffe

Polystyrol-Schaumstoffe erhalten ihre Form durch Extrusion und Spritzguss.

Polyurethan-Schaumstoffe

Polyurethan-Schaumstoffe werden in einem einstufigen Prozess hergestellt, bei dem zwei Flüssigkeiten gemischt und sofort in eine Form oder eine andere Struktur eingebracht werden. Dabei wird das Polymer synthetisiert und gleichzeitig die Form des Endprodukts geschaffen.

Vernetzte Polyethylen-Schaumstoffe

Vernetzte Polyethylen-Schaumstoffe (PE-Schaum) basieren auf Polyethylen. Für die Schaumbildung wird entweder eine chemische Reaktion mit Hilfe von Katalysatoren genutzt oder das Produkt wird energiereichen Strahlungsquellen wie Gammastrahlen ausgesetzt. Im Allgemeinen erhält man eine Familie von Kunststoffschaumstoffen oder PE-Schaumstoffen mit geschlossenen, kleinen Zellen, die eine gute Beständigkeit gegen Temperatur und UV-Strahlen aufweisen, aber kaum recycelbar sind.

Zusatzstoffe in Polymeren

Zusatzstoffe verändern die molekulare Struktur des Polymers oder fügen eine zweite Phase hinzu, um die Eigenschaften des Kunststoffs und die Verarbeitung in einem Verbundwerkstoff zu verbessern.

Klassifizierung von Zusatzstoffen

• Additive werden nach ihrer Funktion klassifiziert, z.B. als Füllstoffe, Weichmacher, Farbstoffe, Schmiermittel, Flammschutzmittel, Vernetzer, UV-Licht-Absorber und Antioxidantien.
• Füllstoffe: Werden in Form von Partikeln oder Fasern einem Polymer zugesetzt, um dessen mechanische Eigenschaften zu verändern oder einfach nur die Kosten zu senken. Sie werden auch verwendet, um die Formstabilität und Wärmebeständigkeit zu verbessern. Füllstoffe, die zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften dienen, werden als Verstärker bezeichnet. Die auf diese Weise gebildeten Verbindungen werden als faserverstärkte Kunststoffe bezeichnet, die eine höhere Steifigkeit, Festigkeit und Härte als das ursprüngliche Polymer aufweisen. Beispiele für in Polymeren verwendete Füllstoffe sind Cellulosefasern und Pulver.
• Weichmacher: Sind Chemikalien, die einem Polymer zugesetzt werden, um es weicher und flexibler zu machen und sein Fließverhalten während der Verarbeitung zu verbessern. Der Weichmacher wirkt, indem er die Glasübergangstemperatur unter die Umgebungstemperatur senkt. Unterhalb dieser Temperatur ist das Polymer hart und spröde, oberhalb dieser Temperatur ist es weich und flexibel.
• Farbstoffe: Für Polymere gibt es zwei Haupttypen: Pigmente und Farbstoffe. Pigmente sind fein pulverisierte, unlösliche Materialien, die in sehr niedrigen Konzentrationen gleichmäßig im Polymer verteilt werden müssen. Farbstoffe sind Chemikalien, die meist in flüssiger Form aufgetragen werden und im Polymer löslich sind.
• Schmierstoffe: Werden dem Polymer zugesetzt, um die Reibung zu verringern und den Fluss an der Formschnittstelle zu erleichtern.
• Flammschutzmittel: Sind Chemikalien, die Polymeren zugesetzt werden, um deren Entflammbarkeit durch eines der folgenden Verfahren oder eine Kombination davon zu reduzieren:
• Vernetzer: Sind eine Vielzahl von Inhaltsstoffen, die Vernetzungsreaktionen auslösen oder als Katalysatoren diese erleichtern.
• UV-Licht-Absorber und Antioxidantien: Dies sind Zusatzstoffe, die die Empfindlichkeit des Polymers gegenüber Abbau durch UV-Licht und Oxidation verringern.

Fasern durch Polyaddition

Die wichtigsten Fasern, die durch Polyaddition entstehen, sind Polyurethan-Elastomerfasern, die aus der Polyaddition von Diisocyanaten mit Diolen resultieren. Die ersten Polyaddukt-Fasern wurden aus Polyoxymethylen und Polyoxyethylen gewonnen, die jeweils aus Formaldehyd und Ethylenoxid hergestellt wurden. Die Bildung dieser Produkte wird als Polyaddition und nicht als Polymerisation bezeichnet, da bei jedem Reaktionsschritt Wasserstoffatome von einem Monomer zu einem anderen migrieren, gefolgt von der Verknüpfung der beiden Moleküle, die freie Valenzen durch den Protonentransfer aufweisen.

Polyurethan-Fasern werden oft in Kombination mit anderen Fasern verwendet, um dem Endprodukt Elastizität zu verleihen.

Fasern durch Polykondensation

Polyesterfasern

Das Basismaterial für Polyesterfasern sind lineare thermoplastische Polykondensate, die chemisch aus einer Dicarbonsäure und einem Di-Alkohol gebildet werden. In diesen Produkten dienen die Estergruppen als Brücken in den makromolekularen Ketten. Celluloseester und andere Polyester, bei denen die Estergruppen in Seitenketten vorliegen, werden hier nicht berücksichtigt.

Der Mechanismus des Prozesses zur Bildung eines linearen Polyesters besteht aus der wiederholten Kondensation von bifunktionellen Monomeren.

Polyesterfasern sind elastisch und sehr widerstandsfähig gegen Zug und Berührung, wobei ihre mechanischen Eigenschaften denen von Polyamidfasern ähneln. Sie sind sehr stabil gegenüber Licht, Säuren, Oxidationsmitteln und Lösungsmitteln, jedoch weniger beständig gegenüber konzentrierten und heißen Basen, die Polyester verseifen. Sie absorbieren weniger Wasser.

Polyamidfasern

Polyamidfasern können durch zwei verschiedene Verfahren gewonnen werden, die zu zwei verschiedenen Arten von Polyamiden führen. Eine Methode ist die Polykondensation von Diaminen mit Dicarbonsäuren, die beide mindestens vier Methylengruppen in ihren Molekülen aufweisen. Die andere Produktionsart ist die Autopolykondensation von Aminosäuren (oder deren Lactamen) mit mindestens fünf Methylengruppen. Ist die Anzahl der Methylengruppen geringer, reicht dies nicht aus, um die Kondensation zu wichtigen Textilprodukten zu ermöglichen.

Polytetrafluorethylen-Fasern (PTFE)

Das Tetrafluorethylen-Monomer wird in der Industrie durch Pyrolyse von Difluorchlormethan gewonnen, das durch Behandlung von Chloroform mit Antimonfluorid erhalten wird:

Die Polymerisation von Tetrafluorethylen mit peroxidischen Katalysatoren in Wasser ergibt ein weißes Pulver aus Polytetrafluorethylen.

Die Fasern aus Polytetrafluorethylen (PTFE), bekannt unter Handelsnamen wie Teflon, Fluon oder Hyflon, weisen außergewöhnliche Eigenschaften hinsichtlich thermischer Stabilität und Beständigkeit gegenüber chemischen Agenzien auf.

Olefinfasern

Polyolefine sind eine Gruppe synthetischer Polymere, deren wesentlicher Vorteil in ihrer Wirtschaftlichkeit liegt, da sie aus Nebenprodukten der Erdöldestillation und des Crackens gewonnen werden. Diese Gruppe umfasst Polyethylene, die für technische Textilien, Seile, Filtertücher usw. geeignet sind, sowie Polybutadien und Polypropylen. Nicht alle Polyolefine sind für die Faserherstellung geeignet, sondern nur die isotaktischen.

Polyethylen- und Polypropylenfasern werden durch Schmelzspinnen von Polyolefinen gewonnen, d.h. durch Extrudieren der Schmelze durch feine Düsen.

Polystyrolfasern

Das Styrol-Monomer, auch Vinylbenzol genannt, ist eine Flüssigkeit, die in der Industrie durch die Reaktion von Benzol mit Ethylen in Gegenwart von AlCl₃ (nach einer Friedel-Crafts-Reaktion) gewonnen wird. Dabei entsteht Ethylbenzol, das bei 600 °C in Gegenwart eines ZnO-Katalysators zu Styrol dehydriert wird:

Zu den Eigenschaften von Polystyrolfasern gehören ihre Wasserundurchlässigkeit und ihre hohe elektrische Isolation. Bekannte Marken- und Handelsnamen sind Polyfibre, Algilà, Styroflex usw.

Vinylidenchloridfasern

Vinylidenchloridfasern entstehen durch die Polymerisation und Copolymerisation von Vinylidenchlorid. Dieses wird durch Chlorierung von Vinylchlorid und anschließende Abspaltung von Salzsäure aus 1,1,2-Trichlorethan gewonnen.

Die Polymerisation wird nach dem radikalischen Mechanismus in Gegenwart von Dibenzoylperoxid mittels der Emulsionsmethode eingeleitet. Die Fasern werden durch Extrusion der geschmolzenen Filamente gewonnen.

Diese Copolymere aus Vinylchlorid/Vinylidenchlorid weisen eine hohe chemische und Abriebfestigkeit sowie Wasserundurchlässigkeit auf. Sie sind jedoch nicht sehr hitzestabil; sie beginnen bei etwa 65 °C zu schrumpfen und schmelzen bei etwa 115 °C.

Fasern durch Additionspolymerisation

Die Additionspolymerisation erfolgt durch die Öffnung der Doppelbindungen von ungesättigten Monomereinheiten in einer Kettenreaktion, wodurch Polymere mit der gleichen prozentualen Zusammensetzung entstehen. Jede Additionspolymerisation besteht aus drei Phasen: der Startreaktion, dem Wachstum (oder der Ausbreitung) und dem Kettenabbruch (oder der Termination).

Synthetische Fasern: Herstellung und Eigenschaften

Synthetische Fasern werden durch chemische Polyreaktionen aus niedermolekularen Substanzen rein synthetisch gewonnen.

Synthetische Fasern gehören zur Gruppe der Thermoplaste. Für die Herstellung synthetischer Fasern eignen sich nur lineare oder leicht verzweigte Polymere. Obwohl die Makromoleküle hart und starr sein können, müssen sie bestimmte technologische Eigenschaften wie Elastizität, Dehnung, einfache Pigmentierung oder Färbbarkeit, chemische Stabilität, Witterungs- und biologische Beständigkeit sowie Zug- und Berührungsfestigkeit aufweisen. Nicht alle makromolekularen Produkte sind linear.

Polyesterharze

Diese Harze werden hauptsächlich aus Maleinsäure- und Phthalsäureanhydriden mit Propylenglykol hergestellt und mit Styrol vernetzt. Es ist zu beachten, dass die Verwendung dieser Harze mit Glasfaserverstärkung zunehmend durch andere Materialien ersetzt wird, wie z.B. hochfeste Thermoplaste, Holz, Kohlenstoffstahl, Glas, Plexiglas, Zement, Gips usw.

Epoxidharze

Fast alle kommerziellen Epoxidharze werden aus Bisphenol A (gewonnen aus Phenol und Aceton) und Epichlorhydrin (hergestellt aus Allylalkohol) synthetisiert. Ihre wichtigsten Eigenschaften sind: Beständigkeit gegen hohe Temperaturen (bis zu 500 °C), hohe Haftung auf Metalloberflächen und ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Chemikalien. Epoxidharze werden hauptsächlich für Beschichtungen von Behältern, Fässern, zur Oberflächenveredelung von Geräten und als Klebstoff verwendet.

Duroplasten: Eigenschaften und Anwendungen

Duroplasten sind Materialien, die durch vernetzte Polymerketten gekennzeichnet sind und ein Harz mit einer dreidimensionalen Struktur bilden, das nicht schmilzt. Sie polymerisieren irreversibel unter Druck und Hitze zu einer festen und harten Form.

Tabelle 1: Hauptduroplasten

Phenolharze

Die Reaktion zwischen Phenol und Formaldehyd resultiert in Phenolharzen oder Phenoplasten. Es gibt zwei Arten von Phenolharzen: Resole und Novolake. Resole erhält man, wenn man sie mit einem basischen Katalysator polymerisiert. Das Produkt ist eine Vernetzung zwischen den Ketten, die dreidimensionale Duroplast-Netze ermöglicht. Novolake entstehen unter Verwendung von Säure-Katalysatoren. Hier vernetzen die Ketten nicht, sodass das Produkt löslich und schmelzbar bleibt. Die wichtigsten Eigenschaften von Phenolharz-Duroplasten sind ihre Härte, Steifigkeit und Beständigkeit gegenüber Säuren. Sie besitzen hervorragende Isoliereigenschaften und können kontinuierlich bei Temperaturen bis zu 150 °C eingesetzt werden. Phenolharze werden zur Herstellung von Klebstoffen, Isolierungen, Laminaten für Gebäude, Möbel, Sperrholz und Kfz-Teilen verwendet. Diese Harze sind kostengünstiger und einfacher zu verarbeiten.