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Polymere sind Makromoleküle, die aus vielen identischen oder ähnlichen Baueinheiten – den Monomeren – aufgebaut sind. Die Herstellung von Polymeren aus Monomeren nennt man Polymerisation.
Radikalische Kettenpolymerisation
Die radikalische Polymerisation ist das technisch wichtigste Verfahren. Sie verläuft in drei Schritten:
1. Startreaktion
Ein Initiator (z. B. Dibenzoylperoxid) zerfällt in Radikale, die an ein Monomer addieren:
$$\ce{R-O-O-R ->[Wärme] 2R-O^{.}}$$$$\ce{R-O^{.} + H2C=CH2 -> R-O-CH2-CH2^{.}}$$2. Kettenwachstum (Propagation)
Das Radikal addiert weitere Monomere. Die Kette wächst unter Erhalt des Radikals am Kettenende:
$$\ce{R-O-(CH2-CH2)_{n}^{.} + H2C=CH2 -> R-O-(CH2-CH2)_{n+1}^{.}}$$3. Abbruchreaktion (Termination)
Zwei wachsende Ketten reagieren miteinander – entweder durch Rekombination oder Disproportionierung:
Rekombination:
$$\ce{P_{n}^{.} + P_{m}^{.} -> P_{n+m}}$$Disproportionierung:
$$\ce{P_{n}^{.} + P_{m}^{.} -> P_{n} + P_{m}}$$Technisch wichtige Polyolefine
| Kunststoff | Monomer | Summenformel des Monomers | Anwendungen |
|---|---|---|---|
| PE | Ethen | $C_2H_4$ | Folien, Verpackungen, Rohre |
| PP | Propen | $C_3H_6$ | Autoteile, Textilfasern |
| PS | Styrol | $C_8H_8$ | Verpackungen, Dämmstoffe |
| PVC | Vinylchlorid | $C_2H_3Cl$ | Rohre, Fensterprofile, Kabel |
| PMMA | Methylmethacrylat | $C_5H_8O_2$ | Plexiglas®, Acrylglas |
Polykondensation
Bei der Polykondensation reagieren Monomere unter Abspaltung kleiner Moleküle (meist Wasser) miteinander. Die Monomere tragen mindestens zwei funktionelle Gruppen.
Beispiel: Polyamid (Nylon-6,6)
Aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure entsteht Nylon-6,6:
$$\ce{n H2N-(CH2)6-NH2 + n HOOC-(CH2)4-COOH ->}$$$$\ce{-> [-NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO-]_{n} + (2n-1) H2O}$$Die Peptidbindung ($-CO-NH-$) ist identisch mit der Bindung in Proteinen.
Weitere Beispiele
| Polymer | Monomere | Austrittsprodukt | Verwendung |
|---|---|---|---|
| PET | Terephthalsäure + Ethylenglykol | Wasser | Getränkeflaschen, Textil |
| Polycarbonat | Bisphenol A + Phosgen | HCl | Brillengläser, CDs |
| Polyamid | Diamin + Dicarbonsäure oder Aminocarbonsäure | Wasser | Textilfasern, Zahnräder |
Polyaddition
Die Polyaddition ähnelt der Polykondensation, jedoch erfolgt die Verknüpfung ohne Abspaltung eines Nebenprodukts. Ein wichtiges Beispiel sind Polyurethane.
Polyurethane
Durch Reaktion von Diisocyanaten mit Diolen entstehen Polyurethane:
$$\ce{n OCN-R-NCO + n HO-R'-OH -> [-NH-CO-O-R'-O-CO-NH-R-]_{n}}$$Polyurethane werden als Hart- und Weichschäume, Lacke und Klebstoffe eingesetzt.
Copolymerisation
Werden zwei verschiedene Monomere gemeinsam polymerisiert, entstehen Copolymere mit maßgeschneiderten Eigenschaften:
- ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): Schlagzäher Thermoplast für Gehäuse
- SBS (Styrol-Butadien-Styrol): Elastomer für Schuhsohlen
- SAN (Styrol-Acrylnitril): Transparenter, kratzfester Kunststoff
Recycling und Umweltaspekte
Kunststoffe sind chemisch stabil und biologisch kaum abbaubar. Die Recyclingquoten steigen:
| Verfahren | Beschreibung |
|---|---|
| Werkstofflich | Sortieren, Reinigen, Einschmelzen zu Granulat |
| Rohstofflich | Pyrolyse oder Hydrierung zu Erdölersatzprodukten |
| Energetisch | Verbrennung zur Strom- und Wärmegewinnung |
Biologisch abbaubare Polymere wie PLA (Polymilchsäure) aus Maisstärke oder PHA (Polyhydroxyalkanoate) aus Bakterien gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Übungen
- Zeichnen Sie das Fragment der Polymerkette, das bei der radikalischen Polymerisation von Styrol entsteht (drei Monomereinheiten).
- Erklären Sie den Unterschied zwischen Kettenpolymerisation, Polykondensation und Polyaddition.
- Warum eignet sich PVC nicht für die Herstellung von Getränkeflaschen?
- Berechnen Sie die molare Masse eines Polyethylen-Makromoleküls mit dem Polymerisationsgrad $n = 5000$.