3D Viewer: Kunststoffe – Monomere und Polymere

×

Kunststoffe – Monomere und Polymere

Monomer, Polymer, Makromolekül

Kunststoffe bestehen aus Makromolekülen: Sehr viele kleine Monomer-Moleküle verknüpfen sich über Elektronenpaarbindungen zu einer langen Kette. Den Stoff aus solchen Ketten nennt man Polymer (griechisch poly = viel, meros = Teil).

• Repetiereinheit (auch Wiederholeinheit): das Kettenstück, das sich immer wiederholt.
• Polymerisationsgrad: die Zahl der verknüpften Monomer-Moleküle je Makromolekül – bei Kunststoffen etwa hundert bis einige hunderttausend. Bei Polyethen ist er gleich der Zahl n der Repetiereinheiten; bei PET, PA 6.6 und PUR enthält jede Repetiereinheit zwei Monomer-Bausteine, der Polymerisationsgrad ist dann 2n.
• Der Viewer zeigt nur einen kurzen Kettenausschnitt; blass gezeichnete Enden bedeuten: Dort geht die Kette weiter. Der Knopf „Strukturformeln“ zeigt Monomer-Molekül und Repetiereinheit; die eckigen Klammern mit dem Index n stehen für die vielfache Wiederholung (n = Zahl der Repetiereinheiten).

Drei Wege zum Makromolekül

• Polymerisation: Die C=C-Doppelbindung jedes Monomer-Moleküls öffnet sich; mit den beiden frei gewordenen Bindungsmöglichkeiten knüpft es an seine Nachbarn an. Alle Atome bleiben erhalten: Monomer und Polymer haben dieselbe Verhältnisformel (Ethen und Polyethen: CH₂); die Summenformel von Polyethen schreibt man (C₂H₄)_n.
• Polykondensation: Zwei funktionelle Gruppen reagieren miteinander, ein kleines Molekül – meist Wasser – wird abgespalten. Carboxy- und Hydroxy-Gruppe bilden eine Esterbindung (Polyester wie PET), Carboxy- und Amino-Gruppe eine Amidbindung (Polyamide wie PA 6.6). Das Makromolekül enthält deshalb weniger Atome als die Monomer-Moleküle zusammen.
• Polyaddition: Zwei funktionelle Gruppen reagieren ohne Abspaltung. Das H-Atom der Hydroxy-Gruppe wandert zum Stickstoff-Atom der Isocyanat-Gruppe, aus der C=N-Doppelbindung wird eine Einfachbindung, das Sauerstoff-Atom bindet an das Kohlenstoff-Atom: Es entsteht eine Urethanbindung (–O–CO–NH–), das Produkt ist ein Polyurethan.

Bifunktionell heißt kettenbildend

Monomer-Moleküle bilden nur dann eine Kette, wenn jedes an zwei Stellen reagieren kann – es ist bifunktionell. Bei der Polymerisation liefert die C=C-Doppelbindung beide Stellen; bei Polykondensation und Polyaddition trägt jedes Monomer-Molekül zwei funktionelle Gruppen, meist eine an jedem Ende, beim Dimethylsilandiol beide am Silicium-Atom. Ein Molekül mit nur einer funktionellen Gruppe würde die Kette beenden. Der Knopf „Reaktive Stelle im Monomer-Molekül“ hebt diese Stellen hervor.

Thermoplaste: lange Ketten ohne Querverbindungen

Der Viewer zeigt alle zehn Kunststoffe als unvernetzte Ketten. PE, PP, PVC, PS, PTFE, PMMA, PET und PA 6.6 sind Thermoplaste: Ihre Makromoleküle hält nur zwischenmolekulare Wechselwirkung zusammen – Van-der-Waals-Kräfte, bei Polyamiden und Polyurethanen zusätzlich Wasserstoffbrücken zwischen N–H- und C=O-Gruppen benachbarter Ketten. Beim Erwärmen lockern sich diese Wechselwirkungen, die Ketten gleiten aneinander vorbei: Der Kunststoff wird weich und formbar, beim Abkühlen wieder fest. Deshalb lassen sich Thermoplaste einschmelzen und wiederverwerten (Ausnahme PTFE: Seine Schmelze ist so zäh, dass der Stoff gepresst und gesintert wird).

• Seitengruppen bestimmen Beweglichkeit und Haftung der Ketten: Polyethen ohne Seitengruppen – nur schwache Van-der-Waals-Kräfte zwischen unpolaren Ketten – ist zäh und biegsam; die sperrigen Phenyl-Gruppen des Polystyrols behindern die Kettenbewegung – hart und spröde; die polaren C–Cl-Bindungen des PVC verstärken die Van-der-Waals-Kräfte (zusätzliche Dipol-Dipol-Kräfte) – ohne Weichmacher hart und steif.
• PTFE: Verglichen mit Polyethen sind alle H-Atome durch F-Atome ersetzt. Die C–F-Bindung ist sehr stabil, die Fluor-Hülle schirmt die Kette ab: äußerst reaktionsträge, hitzebeständig, an der Oberfläche haftet fast nichts.
• Vernetzte Ketten (Elektronenpaarbindungen zwischen den Ketten) ergeben Duroplaste (engmaschig, hart, nicht schmelzbar) oder Elastomere (weitmaschig, gummielastisch). Polyurethane und Silikone werden für die meisten Anwendungen vernetzt; unvernetzt bleiben etwa thermoplastisches Polyurethan (Schuhsohlen) und Silikonöle. Die Vernetzung zeigt der Viewer nicht.

Silikone: Gerüst aus Silicium und Sauerstoff

Silikone sind Kunststoffe, deren Makromoleküle ein anorganisches Rückgrat haben: abwechselnd Silicium- und Sauerstoff-Atome (Siloxan-Kette); beim Polydimethylsiloxan trägt jedes Silicium-Atom zwei Methyl-Gruppen. Ausgangsstoff ist Dichlordimethylsilan; vereinfacht dargestellt reagiert es zunächst mit Wasser (Hydrolyse): Die beiden Chlor-Atome jedes Moleküls werden durch Hydroxy-Gruppen ersetzt, Hydrogenchlorid wird frei. Das Dimethylsilandiol kondensiert dann: Je zwei Si–OH-Gruppen bilden eine Si–O–Si-Brücke, ein Wasser-Molekül wird abgespalten. Die Si–O-Bindung ist sehr stabil, die Kette zugleich ungewöhnlich beweglich – Silikone bleiben über einen großen Temperaturbereich elastisch.