polymer

Polymerer (eksempler)
Den repeterende enhet av polymeren polypropylen .
Cellulose er en polymer og det viktigste strukturelle elementet i planter.

En polymer [ poliˈmeːɐ̯ ] (fra gammelgresk πολύ , polý 'mye' og μέρος , méros 'del') er et kjemisk stoff som består av makromolekyler . Makromolekylene til disse stoffene består av en eller flere strukturelle enheter, de såkalte konstitusjonelle repetisjonsenhetene eller gjenta enhetene. Adjektivet polymer følgelig betyr “består av mange (like deler)”. I mange tilfeller består en polymer av ikke-identiske makromolekyler fordi antall repeterende enheter og dermed molekylmassen til molekylene varierer. Syntetiske eller halvsyntetiske polymerer er hovedkomponenten i fremstillingen av plast . Polymerer produsert av levende vesener kalles biopolymerer og er av avgjørende betydning for livet.

Klassifisering

Polymerer kan deles inn i naturlige og syntetiske polymerer.

• Naturlige polymerer ( biopolymerer ) syntetiseres i levende ting og danner de grunnleggende byggesteinene i organismer. Disse polymerene inkluderer proteiner ; de danner for eksempel hår og silke . De polysakkarider omfatter cellulose , stivelse, og kitin . Nukleinsyrer oppfyller mange biologiske funksjoner, slik som deoksyribonukleinsyre som et genetisk materiale.
• Syntetiske polymerer er stoffer produsert industrielt eller i laboratorieskala gjennom polyreaksjoner , inkludert polyetylen , polystyren og polyvinylklorid . Kjemisk modifiserte polymerer skyldes videre prosessering av biopolymerer, for eksempel nitrocellulose , celluloid eller stivelsesderivater.

Polymerer kan klassifiseres etter antall grunnleggende materialer ( monomerer ) som de er bygget fra.

• Homopolymerer består av bare en type monomer som polyetylen , polypropylen , polyvinylklorid eller polykaprolaktam . En naturlig homopolymer er naturgummi som polyisopren .
• Kopolymerer består av forskjellige monomerer, slik som akrylnitril-butadien-styren- kopolymer (ABS), styren-akrylnitril (SAN) eller butylgummi . De fleste biopolymerer er kopolymerer.
• Polymerblandinger dannes ved å blande forskjellige homopolymerer og / eller kopolymerer. De produseres vanligvis ved intensiv mekanisk blanding av smeltede polymerer, noe som resulterer i et homogent materiale. En spesiell form for en blanding er en polymerlegering .

Videre kan være organisk av uorganiske forskjellige polymerer. I motsetning til organiske polymerer inneholder uorganiske polymerer ingen karbonatomer i hovedkjeden til polymeren. De uorganiske polymerene inkluderer polysiloksaner , polyfosfazener eller polysilazaner . Mens briller ikke regnes som polymerer i de fleste kjemiske lærebøker, anses briller og i noen tilfeller keramikk og basalt som uorganiske polymerer i andre lærebøker og i tekstilteknologi .

Syntetiske polymerer

Polymerkjemi

Dannelsen av polymerer fra individuelle monomerer skjer via forskjellige typer polyreaksjoner , slik som kjedepolymerisasjoner , polykondensering eller polyaddisjon .

Struktur av polymerer

Makromolekylene som dannes under syntesen har forskjellige grunnleggende strukturer som bestemmer de fysiske egenskapene til polymeren. Lineære makromolekyler som bare består av en polymerkjede ( hovedkjede ) kan dannes. Når det gjelder polyetylen , er hovedkjeden en langkjedet n- alkan . Avhengig av reaksjonsbetingelsene, forgrenede makromolekyler med en hovedkjede og side er kjedene også dannes , i tilfelle av polyetylen, ville disse være alkylrester . I tillegg til kjedelengden bestemmer forgreningsgraden også polymerens tetthet, styrke og smeltepunkt. Meget forgrenede polymerer er amorfe , molekylene i det faste stoffet interagerer med hverandre på en uordnet måte . Spesielt uforgrenede makromolekyler danner en delvis krystallinsk struktur som et fast stoff , merket med rødt i figuren nedenfor. Mens forgrenede og uforgrenede polymerer vanligvis er termoplaster , har mange elastomerer et vidvinklet nettverk mellom "hovedkjedene". Tett nettverk fører derimot til termohærdere . Nettverk og grener er vist i figurene som røde prikker.

lineær makromolekyl

forgrenet makromolekyl

halvkrystallinsk struktur av lineære polymerer

bredmasket tverrbundet polymer

tettmasket tverrbundet polymer

Polymerer som er bygget opp fra bare en (ekte eller imaginær) monomertype kalles homopolymerer . Polymerer laget av to eller flere forskjellige typer monomerer er kopolymerer . Polymerer som polyetylentereftalat , som nødvendigvis er laget av to forskjellige monomerer, blir vanligvis sett på som homopolymerer, siden bare en karakteristisk repeterende enhet kan dannes om gangen.

Homo- og kopolymerer (eksempler)
Homopolymer polystyren : En konstitusjonell repeterende enhet som gjentas n ganger i makromolekylet.	Homopolymer poly (dimetylsiloksan) , en silikon . Den hovedkjeden består av silisium- og oksygenatomer.	Kopolymer styren-butadien-gummi : Monomerene styren og 1,3-butadien danner to konstitusjonelle repeterende enheter , som kan alternere i hvilken som helst rekkefølge i et makromolekyl, som vist i illustrasjonen.	Polyetylentereftalat har bare en karakteristisk konstitusjonell repeterende enhet, selv om to monomerer må brukes til syntesen.

Når det gjelder kopolymerer, kan sekvensen av de konstitusjonelle repeterende enhetene styres via en syntetisk vei. Den er delt inn i tilfeldige og vekslende kopolymerer, blokk-kopolymerer, podekopolymerer og gradient-kopolymerer. I figuren nedenfor er bipolymerer vist skjematisk, Ⓐ og Ⓑ symboliserer de to repeterende enhetene.

Tilfeldig kopolymer	Gradient kopolymer	Graft kopolymer
Vekslende kopolymer	Blokk kopolymer

Gjentatte enheter kan ha substituenter ("rester") og blir ofte identifisert med bokstaven R i figurene. Hvis monomerenhetene er asymmetriske, er det en taktikk av arrangementene i makromolekylet. Polymerene kan deles inn i ataktiske, isotaktiske og syndiotaktiske polymerer. Et eksempel på taktikker er polystyren med en fenylgruppe som en rest, mens den klassiske syntesen fører til ataktisk, amorf plast, resulterer syndiotaktisk syntese i et krystallinsk polystyren med økende økonomisk betydning.

isotaktisk

syndiotaktisk

ataktisk

Når det gjelder polymerer som er umettede i hovedkjeden , forekommer cis eller trans taktiske polymerer analogt med cis - trans- isomerismen , som i tilfelle naturlig gummi eller butadiengummi . Stereospesifikke polymerisasjoner fører ofte til høyere mekanisk styrke, høyere krystallinitet, høyere tetthet og høyere termisk stabilitet.

Snitt fra en polymerkjede av cis -1,4- polybutadien . En C 4- enhet er merket med blått .

Snitt fra en polymerkjede av trans -1,4-polybutadien. En C 4- enhet er merket med blått .

Solide strukturer

De makroskopiske fysiske egenskapene til en polymer er nært knyttet til interaksjonene mellom polymerkjedene.

Statistisk ball

Forvikling av flere molekyler med kulelignende underkonstruksjoner

• Ataktiske polymerer, polymerer med høy grad av forgrening og tilfeldige kopolymerer danner amorfe , glasslignende strukturer i fast tilstand . I smelte og løsning har langkjedede molekyler en tendens til å danne et stadig skiftende "statistisk floke", se Gauss-kjeden (Fritt ledd-kjede-modell). I fast tilstand er de respektive konformasjonene av molekylene frosset. Forvikling og sammenvikling av kjedemolekyler med hverandre fører til en "mekanisk binding" mellom kjedene. Intermolekylære og intramolekylære mindre valensbindinger forekommer bare på steder der molekylære segmenter er nær nok til hverandre. Den uregelmessige strukturen til molekylene forhindrer en nærmere ordning. Slike ordninger kalles noen ganger "spaghettistruktur".

Polyetylen: sikksakk-konformasjon av molekylene i tett kjedepakning

Lameller med slipsmolekyler

Sfærulitt

Helix

p -aramid , stiplet rødt: hydrogenbindinger

• Lineære polymerer med en vanlig struktur, med liten forgrening og stereoregulære (iso- og syndiotaktiske) polymerer har en delvis krystallinsk struktur i fast tilstand . Når det gjelder polymerer med en enkel struktur, slik som polyetylen , i et idealisert syn, er store områder ikke til stede som et virvar, men i en sikksakkformasjon. Flere sikksakkformasjoner danner tette kjedepakninger og er derfor krystallinske i disse områdene. Slike krystallitter kalles lameller og er mye tynnere (ofte rundt 10 nm) enn polymerene er lange. De dannes av mer eller mindre vanlige folder av en eller flere molekylære kjeder. Det er amorfe strukturer mellom lamellene. Individuelle molekyler kan danne viklinger mellom lamellene, men de kan også være involvert i dannelsen av to (eller flere) lameller (bindemolekyler). Flere lameller danner en overbygning, en sfærulitt , ofte med en diameter i området fra 0,05 til 1 mm.

Typen og arrangementet av (funksjonelle) rester av repeteringsenhetene påvirker eller bestemmer krystalliniteten og styrken til de sekundære valensbindinger. Med isotaktisk polypropylen danner molekylene en spiral . Som med en sikksakkformasjon, tillater helixpakninger med tett kjetting. Særlig sterke intermolekylære interaksjoner oppstår når rester av de repeterende enhetene tillate hydrogenbindinger til form, slik tilfellet er med p- aramid , f.eks . Krystalliniteten og overbygningen er alltid avhengig av forholdene de dannes under, se også krystallisering av polymerer . Sammenlignet med amorfe strukturer fører delvis krystallinske strukturer til en høyere stivhet, tetthet, smeltetemperatur og holdbarhet av en polymer.

• Tverrbundne polymerer med bred maske er elastomerer og kan, i likhet med termoplaster, ikke smeltes uten spaltning. Termoplastiske elastomerer er derimot reversibelt "fysisk tverrbundet" via sekundære valenser og kan smeltes. En variant er blokk-kopolymerer, hvor et hardt segment av polymeren har en tendens til å krystallisere, og et mykt segment med en amorf struktur. De harde segmentene sørger for et bredt nettet, fysisk nettverk.

bredmasket tverrbundet polymer

Bredmasket tverrbundet polymer under strekkbelastning

Krystallitter som "tverrbinding": en variant av en termoplastisk elastomer

delvis krystallinsk termoplastisk elastomer under strekkbelastning

Polymerfysikk

Klassifiseringen av polymermaterialene er basert på DIN 7724 basert på skjæremodulens temperaturprofil og strekk stilt til romtemperatur. Det er basert på den mekaniske oppførselen i driftstemperaturområdet og eksistensen av et smelteområde (strømningsområde):

1. Termosetter
2. Elastomerer
3. Termoplast
4. Termoplastiske elastomerer

I polymerfysikk handler man blant annet om

• Gjennomsnittlig molar masse , molar massefordeling
• Krystallisering og krystalliseringskinetikk
• Overflateegenskaper til polymerer
• Reologi , dvs. strømningsadferd og viskositet

Temperaturbestandige polymerer

Den temperaturbestandigheten av en polymer avhenger av strukturen av monomerene anvendes, stabiliteten av bindingene mellom monomerene og interaksjoner mellom polymerkjedene. Høy varmebestandighet kan oppnås ved å øke fusjonens entalpi og senke fusjonens entropi . Når det gjelder amorfe polymerer, bør glassovergangstemperaturen og, i tilfelle av delvis krystallinske polymerer, glasset og smeltetemperaturen være så høy som mulig. For å oppnå temperaturmotstand kan CH-bindinger og CC-bindinger erstattes av bindinger mellom karbon og heteroatomer som fluor, nitrogen eller oksygen eller med mer stabile aromatiske bindinger. En annen mulighet er konstruksjonen av polymerer med to parallelle og sammenkoblede hovedkjeder (stigepolymerer).

Ledende polymerer

En forutsetning for polymerens elektriske ledningsevne er tilstedeværelsen av konjugerte pi-elektron-systemer . Imidlertid er slike polymerer i utgangspunktet fortsatt isolatorer, i beste fall halvledere. Ledningsevnen, sammenlignbar med metalledere, setter bare inn når polymerene er oksydativt eller reduktivt dopet . De første undersøkelsene ble utført på polyacetylen , hvis ledningsevne ble oppnådd ved doping med arsenpentafluorid eller jod . I tillegg øker ledningsevnen når polymerens krystallinitet øker. Ytterligere eksempler på ledende polymerer er dopet polypyrrol , polyfenylensulfid , polytiofen og organometalliske komplekser med makrosykliske ligander slik som ftalocyanin . Oksidativ doping oppnås med arsenikk pentafluoride, titantetraklorid , brom eller jod, mens reduktiv doping oppnås med natrium - kalium legeringer eller dilitium benzophenonate. Doping skaper ladninger på polymerkjedene, som blir avlokalisert over kjedene ved π-konjugasjonen. Forklaringen på ledningsevnen til polymerer er imidlertid veldig kompleks. Forsøk er blitt gjort for å beskrive den ladningstransport langs en polyen kjede med soliton konsept eller med modellen av bipolarons ( ladnings parene holdt sammen i en liten plass).

Ledende, dvs. elektrisk aktive, polymerer brukes til å bygge polytroniske applikasjoner. I motsetning til molekylær elektronikk blir ikke informasjonen behandlet i individuelle molekyler, men i ulikt dopet volum.

Slike elektroniske applikasjoner er:

• Skjermer: OFET , OLED
• RFID- koder
• Solceller
• Sensorer og aktuatorer
• Brenselsceller
• Litiumpolymerbatterier
• Elektrolytiske kondensatorer

En annen applikasjon er prosessering av polymerer ved hjelp av elektronikk i elektrospinning .

Helsevurdering

Polymerer er generelt klassifisert som ufarlige for helsen. Plast kan derfor i prinsippet brukes i medisinsk sektor (f.eks. Som implantater ) eller i næringsmiddelindustrien (som emballasje ). Imidlertid må det tas hensyn til at det bare brukes ufarlige katalysatorer i produksjonsprosessen, at ingen skadelige monomerer blir etterlatt osv.

Supramolekylære polymerer

Et relativt nytt felt av polymerkjemi som omfatter supramolekylære polymerer, dvs. polymerer der blokkene ikke gjør ved kovalente bindinger , men ved relativt svake intermolekylære bindinger som hydrogenbindinger , ionebindinger , metall-ligandinteraksjoner , Van der Waals eller hydrofobe interaksjoner holdes sammen. Disse intermolekylære bindingene kan brytes lett (ved forhøyede temperaturer), men kan også trekke seg raskt (ved avkjøling). På grunn av denne reversibiliteten er supramolekylære polymerer en ny klasse med selvhelende materialer. En annen konsekvens av de svake intermolekylære bindingene er den lave viskositeten til smelter av supramolekylære polymerer, noe som kan være fordelaktig i produksjon og prosessering, men også i visse anvendelser som blekkskriverutskrift.

Mens kovalent bundne polymerer spiller en hovedrolle i naturen (DNA, polypeptider, cellulose), er relativt få naturlig forekommende supramolekylære polymerer kjent. Et eksempel på supra polymerisasjon i naturen er den selvsammensetningen av den tobakkmosaikkvirus .

Eksempler og symboler

• Syntetiske polymerer:
  • Polyetylen (PE)
  • Polypropylen (PP)
  • Polyvinylklorid (PVC)
  • Polystyren (PS), bedre kjent i skummet tilstand som Styropor ^® (handelsnavnet BASF )
  • Polytetrafluoretylen (PTFE), handelsnavn er Teflon ^® (E. I. Du Pont de Nemours and Company) eller Tefal ^®
  • Polymetylmetakrylat (PMMA), under handelsnavnet Plexiglas ^® ( Evonik Industries AG )
  • Polyakrylnitril (PAN), som en kopolymer med polymetylmetakrylat for fremstilling av tekstilfibre
  • Polyakrylamid (PAA) som gel (tidligere), flokkuleringsmiddel og andre.
  • gruppen polyamider , som PA66 under handelsnavnet Nylon ^® , som PA6 under handelsnavnet Perlon ^® eller som PA12G under handelsnavnet Lauramid ^®
  • gruppen av aramider (polyaramider, aromatiske polyamider), inkludert tekstilfibrene poly ( p- fenylentereftalamid) (PPTA, handelsnavn: Kevlar ^® , Twaron ^® ) og poly ( m- fenylentereftalamid) (PMPI, handelsnavn: Nomex ^® , Teijinconex ^® )
  • Polyketoner, slik som polyeterketoner (PEK)
  • Polyester , tilhører også denne produktgruppen
    • Polykarbonater (PC) med handelsnavn Lexan eller Makrolon ^® ( Covestro )
    • Polyetylentereftalat (PET)
  • Polyetylenglykol (PEG)
  • gruppen av polyuretaner (PU)
  • Silikoner , nærmere bestemt poly (organo) siloksaner
  • Melaminharpiks (MF), en polymer basert på melamin og formaldehyd
• Biopolymerer:
  • Proteiner , som enzymer , hår , silke
  • Karbohydrater som cellulose , tre , papir , stivelse , kitin
  • DNA , det genetiske materialet
  • RNA
  • Polyhydroxyalkanoates , bio-polyester som energi og karbonlagring for bakterier

litteratur

• Manfred D. Lechner, Klaus Gehrke, Eckhard H. Nordmeier: Makromolekylær kjemi. En lærebok for kjemikere, fysikere, materialforskere og prosessingeniører. 5. utgave, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-41768-9 .
• J. Kahovec, RB Fox, K. Hatada: Nomenklatur for vanlige enkeltstrengede organiske polymerer (IUPAC-anbefalinger 2002). I: Ren og anvendt kjemi . 74, 10, 2002, s. 1921-1956, doi: 10.1351 / pac200274101921 , online versjon .
• Ulf W. Gedde: Polymer Physics. Chapman & Hall, London et al. 1995, ISBN 0-412-62640-3 .
• H. Cherdron, F. Herold, A. Schneller: Teknisk viktige temperaturbestandige polymerer , Kjemi i vår tid , 23. år 1989, nr. 6, s. 181-192, ISSN  0009-2851 .
• Klaus Menke, Siegmar Roth: Metalliske ledende polymerer I og II , Kjemi i vår tid, 20. år 1986, nr. 1, s. 1-10, nr. 2, s. 33-43, ISSN  0009-2851 .
• Michael Dröscher: Order of States in Polymers . I: Kjemi i vår tid . teip 10 , nei. 4 , 1976, s. 106-113 , doi : 10.1002 / ciuz.19760100403 . 
• Dietrich Braun: Den lange veien til makromolekylet - polymerforskning før Hermann Staudinger . I: Kjemi i vår tid . teip 46 , nr. 5 , 2012, s. 310-319 , doi : 10.1002 / ciuz.201200566 . 

weblenker

Wiktionary: Polymer  - forklaringer av betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• VDMA polymerelektronikk
• Kjemisk bakgrunn
• Introduksjon og visning i kjemien til polymerene (engelsk)

Individuelle bevis

1. ↑ Innføring på polymer . I: IUPAC Compendium of Chemical Terminology ("Gullboken") . doi : 10.1351 / goldbook.P04735 Versjon: 2.3.3.
2. ↑ Oppføring på polymerblanding . I: IUPAC Compendium of Chemical Terminology ("Gullboken") . doi : 10.1351 / goldbook.P04736 Versjon: 2.3.1.
3. ↑ Hans-Georg Elias: Makromolekyler. John Wiley & Sons, 2003, ISBN 978-3-527-62654-0 . Volum 4, s. 165.
4. ↑ Chokri Cherif (red.): Tekstilmaterialer for lette konstruksjoner Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4 , s. 14f.
5. ↑ Hilmar Fuchs , Wilhelm Albrecht (red.): Nonwovens - Råvarer, produksjon, applikasjon, egenskaper, testing. 2. utgave, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-31519-2 , s. 42.
6. ↑ Wolfgang Bobeth (Ed.): Tekstilfibre. Tekstur og egenskaper . Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York 1993, ISBN 3-540-55697-4 , typer tekstilfibre i figur 1.1; se feste bak
7. ↑ ^{a b} Bernd Tieke: Makromolekylær kjemi. 3. utgave, Wiley-VCH, Weinheim 2014, s. 295f.
8. ^ ^{A b} Wolfgang Kaiser : Syntetisk kjemi for ingeniører. 3. utgave, Carl Hanser, München 2011, s. 84.
9. ↑ Harald Cherdron, Friedrich Herold, Arnold Schneller: Teknisk viktige temperaturresistente polymerer. I: Kjemi i vår tid. 23, 1989, s. 181-192, doi: 10.1002 / ciuz.19890230602 .
10. ↑ CK Chiang, YW Park, AJ Heeger, H. Shirakawa, EJ Louis, AG MacDiarmid: Ledende polymerer: Halogen-dopet polyacetylen . I: The Journal of Chemical Physics . teip 69 , nr. 11 , 1978, s. 5098-5104 , doi : 10.1063 / 1.436503 . 
11. ^ GG Wallace, TE Campbell, PC Innis: Putting function in fashion: Organisk ledende polymerfibre og tekstiler . I: Fibre og polymerer . teip 8 , nei 2 , 2007, s. 135-142 , doi : 10.1007 / BF02875782 . 
12. ↑ Peter Elsner, Peter Eyerer: Domininghaus - Kunststoffe: Properties and Applications . Red.: Thomas Hirth. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-16173-5 . 
13. ↑ Plastanbefalinger fra BfR. Hentet 13. november 2019 . 
14. ^ TFA de Greef, EW Meijer: Materials Science: Supramolecular Polymers . I: Natur. 453, s. 171-173.
15. ↑ orf.at: materialforskning - selvhelbredelse gjennom lys , tilgjengelig 21. april 2011; Mark Burnworth, et al.: Optisk helbredende supramolekylære polymerer. i: Nature, bind 472, s. 334-337, doi: 10.1038 / nature09963