Viele bekannte Produkte aus dem Alltag bestehen aus Kunststoff: Die Trinkflasche aus Kunststoff, der Fußboden aus PVC (Polyvinylchlorid) oder das Styropor, was als Verpackungsmaterial dient. Das sind einige von vielen Kunststoffprodukte, die nicht mehr wegzudenken sind.
Aus chemischer Sicht sind Kunststoffe Polymere.
Polymere - Definition
Ein Polymer ist ein Makromolekül, das aus Monomeren besteht. Die Monomere bilden große kettenförmige oder verzweigte Moleküle.
Das Wort Polymer kommt aus dem Altgriechischen. Es setzt sich zusammen aus dem Wort Poly, das mit "viel" übersetzt wird, und aus dem Wort Meros, welches "Teil" bedeutet.
Kunststoffe bestehen aus synthetischen Polymeren. Beispiele für solche Polymere sind Polyethylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid. Es existieren jedoch auch natürliche Polymere. Diese sogenannten Biopolymere kommen in vielen Organismen vor und sind dort grundlegende Verbindungen. Proteine, die DNA und das Polysaccharid Stärke sind Beispiele für Biopolymere.
Klassifizierungen der Polymere
Polymer ist ein Begriff für eine Reihe verschiedener Verbindungen. Sie lassen sich anhand ihres chemischen Aufbaus einteilen. Dabei kannst Du Homopolymere und Copolymere unterscheiden:
- Homopolymere sind Makromoleküle, die nur aus einer einzigen Art Monomer aufgebaut sind.
- Copolymere hingegen sind Makromoleküle, welche aus zwei oder mehr verschiedene Monomeren bestehen.
Polymere lassen sich zudem in synthetische, natürliche und chemisch modifizierte Polymere unterscheiden. Chemisch modifizierte Polymere sind im Grunde Biopolymere. Diese Biopolymere werden jedoch verändert, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten. Nitrocellulose, auch Cellulosenitrat genannt, ist ein Beispiel für ein chemisch modifizierter Polymer. Durch eine Reaktion von Cellulose mit Nitriersäure bildet sich Nitrocellulose.
Bei der Nitrierung von Cellulose werden ein oder mehrere Hydroxygruppen mit Nitrogruppen verbunden. Es entsteht ein Salpetersäureester.
Abbildung 1: Reaktion von Cellulose mit Salpetersäure zu Nitrocellulose
Durch Einführung der Nitrogruppe wird Cellulose destabilisiert. Aufgrund dessen findet Nitrocellulose, auch Schießbaumwolle genannt, Verwendung als Sprengstoff oder als Pyrowatte.
Des Weiteren lassen sich Polymere anhand ihrer physikalischen Eigenschaften einteilen. Die Polymere werden in Thermoplasten, Elastomere und Duroplasten unterteilt.
Thermoplasten
Thermoplasten sind Polymere, die sich bei bestimmten Temperaturen formen lassen.
Kunststoffe, die bei einer bestimmten Temperatur verformbar sind, werden Thermoplasten genannt.
Durch Erhöhung der Temperatur wird der thermoplastische Zustand des Polymers erreicht. Hier lassen sich die Kunststoffe verformen. Nach Abkühlen ist die Form des Kunststoffs nicht mehr veränderbar. Der Vorgang ist reversibel und kann nach Bedarf wiederholt werden. Thermoplasten sollten jedoch nicht so stark erhitzt werden, dass ihr Zersetzungspunkt überschritten wird.
Thermoplasten bestehen aus langen, linearen und unverzweigten Polymerketten. Zwischen den langen Polymerketten herrschen nur schwache Wechselwirkungskräfte.
Abbildung 2: Thermoplasten bilden lineare Polymerketten, die nicht miteinander verbunden sind.
Beispiele für Thermoplasten sind Polyvinylchlorid, der für Kabel, Rohre und viele Haushaltsgegenstände verwendet wird, und Polyurethane. Polyurethane sind eine Gruppe von Kunststoffe, die die Urethan-Gruppe enthalten. Sie werden häufig im Bauwesen als Schaumgummi genutzt.
Polyurethane sind eine Gruppe von Kunststoffe, die die Urethan-Gruppe enthalten. Die Formel der Urethan-Gruppe siehst Du in Abbildung 3.
Abbildung 3: Strukturformel der Urethan-GruppeQuelle: researchgate.net
Duroplasten / Duromere
Kunststoffe, die durch Erwärmung nicht mehr verformbar ist, werden Duroplasten genannt. Nachdem Duroplasten ausgehärtet sind, ist ihre Form nicht mehr veränderbar.
Duroplasten treten als harte, unformbare Kunststoffe auf. Eine mechanische Bearbeitung dieser Kunststoffe, wie beispielsweise Bohren, ist möglich. Im Vergleich zu den Thermoplasten ist die Form von Duroplasten durch Erhitzen nicht modifizierbar. Denn diese Polymere haben keine thermoplastische oder thermoelastische Phase, sondern zersetzen sich ab einer bestimmten Temperatur.
Die Polymerketten der Duroplasten sind dreidimensional miteinander vernetzt. Zwischen den Polymerketten bestehen kovalente Bindungen. Somit bilden die Polymerketten ein engmaschiges Netz.
Abbildung 4: Engmaschig vernetzte Polymerketten der Duroplasten.
Elastomere
Formfeste Kunststoffe, die sich elastisch verformen lassen, werden als Elastomere bezeichnet.
Elastomere bestehen aus langen Polymerketten, die weitmaschig miteinander vernetzt sind. Diese Struktur ist der Grund, warum Elastomere elastisch verformbar sind. Denn die Polymerketten lassen sich bis zu einem gewissen Grad gegeneinander verschieben.
Somit kann sich ein Elastomer verformen, wenn Du Druck- und Zugkräfte auf ihn ausübst. Nach Beendigung der ausgeübten Kräfte bildet der Kunststoff wieder seine anfängliche Form. Zudem besitzen Elastomere einen Glasübergangspunkt, der unterhalb der Raumtemperatur liegt.
Der Glasübergangspunkt ist definiert als die Temperatur, bei der ein Polymer von einem gummielastischen, zähflüssigen Zustand in eine harte, spröde Beschaffenheit übergeht.
Abbildung 5: Weitmaschig vernetzte Polymerketten der Elastomere
Mit steigender Temperatur nimmt die Elastizität dieser Polymere zu. Jedoch existiert auch hier eine Zersetzungstemperatur.
Styrol-Butadien-Kautschuk, welcher bei Transportbändern und bei Dichtungen genutzt wird, und Naturkautschuk sind beispielsweise Elastomere. Naturkautschuk stammt von dem Milchsaft mehrere Kautschukpflanzen. Der größte Teil wird zur Produktion von Gummi verwendet.
Synthetische Polymere
Synthetische Polymere werden industriell oder im Labor hergestellt. Beispiele für synthetische erzeugt Polymere sind Polyethylen, Polystyrol und Polyvinylchlorid. Häufig werden synthetische Polymere für Kunststoffe genutzt. Das ist auch der Unterschied zu natürlichen Polymeren. Diese Polymere existieren in der Natur, insbesondere in Lebewesen sind sie zentrale Bestandteile und erfüllen grundlegende Funktionen. Die Synthese von natürlichen Polymeren erfolgt prinzipiell in den Lebewesen.
Herstellung von synthetischen Polymeren
Synthetische Polymere werden durch unterschiedliche Reaktionsarten hergestellt. Zur Herstellung von Polymeren werden die Polymerisation, die Polykondensation und die Polyaddition genutzt.
Wenn Du mehr über die verschiedenen Reaktionsmechanismen zur Herstellung von Polymeren wissen willst, dann lies gerne die entsprechenden Artikel durch
Für die Polymerisation werden in der Regel ungesättigte Moleküle als Monomere verwendet. Diese Monomere werden verknüpft, indem sich die Mehrfachbindung auflöst. Es kommt zu einer Kettenreaktion und es bilden sich lange Polymerketten. Es gibt die radikalische, die kationische und die anionische Polymerisation. Polyethylen ist ein Beispiel für ein Polymer, der über eine Polymerisation synthetisiert wird.
Abbildung 6: Kationische Polymerisation von PolyethylenQuelle: lernhelfer.de
Bei der Polykondensation werden die Monomere verknüpft und währenddessen kleine, niedermolekulare Verbindungen, wie zum Beispiel Wasser, abgespalten. Es ist eine Kondensationsreaktion, die stufenweise über stabile und dennoch reaktive Zwischenprodukte abläuft. Polyethylenterephtalat wird beispielsweise über eine Polykondensation hergestellt.
Bei der Polyaddition werden die Polymere über eine nucleophile Addition dargestellt. Die Monomere haben zwei verschiedene funktionelle Gruppen, wovon eine funktionelle Gruppe eine Doppelbindung enthalten muss. Die Übertragung eines Protons ermöglicht die Verbindung der Monomere. Ein Beispiel ist Polyurethan.
Struktur der Polymere
Polymere können Seitenketten besitzen. Je nachdem, wie diese Seitenketten in der Polymerkette räumlich angeordnet sind, kannst Du drei Arten unterscheiden. Der Begriff Taktizität beschreibt diese verschiedene Anordnung der Substituenten. Die Taktizität beeinflusst die Kristallstruktur. Ataktische Polymere weisen häufig eine amorphe Struktur auf. Syndiotaktische und isotaktische Makromoleküle hingegen liegen teilkristallin vor.
Amorphe Substanzen besitzen eine ungeordnete Struktur. Eine Fernordnung existiert nicht. Nur eine Nahordnung ist bei solchen Stoffen vorhanden.
Teilkristalline Materialien haben sowohl kristalline Abschnitte mit einer geordneten Struktur als auch amorphe Abschnitte.
Wenn alle Seitenketten eines Polymers in dieselbe Richtung zeigen, liegt ein isotaktisches Polymer vor.
Abbildung 7: Isotaktischer Polymer
Syndiotaktische Polymere sind Polymere, bei denen die Seitenketten abwechselnd nach vorne und hinten im Raum ausgerichtet sind.
Abbildung 8: Syndiotaktischer Polymer
Bei ataktischen Polymeren ist die Anordnung der Seitenketten in der Polymerkette zufällig.
Abbildung 9: Ataktischer Polymer
Elektrisch leitfähige Polymere
Der größte Teil der synthetischen Polymeren ist nicht elektrisch leitfähig. Dementsprechend wirken diese Kunststoffe elektrische Isolatoren. Jedoch sind einige Polymere elektrisch leitfähig. Diese werden intrinsisch leitfähige Polymere genannt. Ermöglicht wird die Leitfähigkeit durch ein System aus konjugierten Doppelbindungen. Dadurch können sich Ladungsträger innerhalb des Moleküls frei bewegen.
Bei einem System aus konjugierten Doppelbindungen kommen in der Polymerkette abwechselnd eine Doppelbindung und eine Einfachbindung. Durch diesen Aufbau sind die Elektronen der beteiligten Atome delokalisiert. Das heißt, die Elektronen können keinem einzelnen Atom zugeordnet werden.
Natürliche Polymere
Biopolymere werden in den Zellen von Lebewesen produziert. Diese natürlichen Polymere haben zahlreiche Funktionen in den Lebewesen, wie das Speichern von Energie oder Aufgaben im Stoffwechsel. Nachfolgend siehst Du zwei Beispiele für Biopolymere.
Proteine, auch Polypeptide genannt, bestehen aus Aminosäuren. Die Aminosäuren kannst Du Dir als Monomere vorstellen. Sie werden durch eine Peptidbindung verknüpft, sodass es zu langen Peptidketten kommt. Proteine sind beispielsweise als Enzyme im Stoffwechsel beteiligt oder dienen als Strukturproteine zum Aufbau von Gewebe und Zellen.
Ein weiteres natürliches Polymer ist Stärke. Stärke ist ein Polysaccharid, das aus Glucose-Einheiten aufgebaut ist. Glucosemoleküle sind die Monomere und werden durch eine glykosidische Bindung verbunden. Pflanzen nutzen Stärke zur Speicherung von Energie.
Wiederverwertung von Polymeren
Beim Recycling von Kunststoffen und damit bei der Wiederverwertung von Polymeren werden drei Verfahrensweisen genutzt.
- Die werkstoffliche Verwertung ist ein Verfahren, bei dem die Kunststoffe erneut genutzt werden. Gebrauchte Kunststoffe werden eingeschmolzen oder zerkleinert und anschließend zu neuen Produkten verarbeitet. Eine bekannte Anwendung der werkstofflichen Verwertung der Kunststoffe ist das Recycling von Einweg-Trinkflaschen oder Folien. Du musst jedoch beachten, dass dieses Verfahren nur genutzt werden kann, wenn die Produkte nur aus einer Art von Polymer bestehen.
- Eine weitere Möglichkeit zum Aufbereiten von alten Kunststoffen ist die rohstoffliche Verwertung. Bei dieser Methode werden die Polymere durch eine Pyrolyse in ihre Monomere aufgespalten. Nach einer Auftrennung der verschiedenen Monomeren können diese zur Herstellung neuer Kunststoffe verwendet werden. Die rohstoffliche Verwertung wird überwiegend bei Polymeren wie Polyethylen und Polypropylen genutzt.
- Schließlich können Polymere auch thermisch verwertet werden. Bei der thermischen Verwertung werden die Kunststoffe verbrannt und somit Wärmenergie aus den Polymeren gewonnen.
In Lebewesen, wie dem menschlichen Körper, existieren Wege zum Abbau und zur Wiederverwertung von Biopolymeren. Ein Beispiel sind Proteine, die nach Erfüllung ihrer Funktion abgebaut werden. Zunächst werden die nicht mehr benötigten Proteine markiert und anschließend durch Lysosome und Enzyme namens Proteasome in die einzelnen Aminosäuren zerlegt. Die Aminosäuren können anschließend für neue Proteine wiederverwendet werden oder der Körper baut sie über verschiedene Stoffwechselwege weiter ab.
Polymere - Das Wichtigste
- Polymere sind Makromoleküle, die sich aus Monomeren zusammensetzen.
- Polymere sind anhand ihrer physikalischen Eigenschaften in Thermoplasten, Elastomere und Duroplasten unterteilt.
- Synthetische Polymere können durch die Polymerisation, Polykondensation und Polyaddition erzeugt werden.
- Je nachdem, wie die Seitenketten in einem Polymer räumlich angeordnet sind, sind isotaktische, syndiotaktische und ataktische Polymere zu unterscheiden.
- Biopolymere, wie Proteine und Polysaccharide, werden in den Zellen von zahlreichen Lebewesen und Organismen hergestellt und haben viele Funktionen.
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