Eigenschaften und Anwendungsbereiche von Polymeren. Wo werden Kunststoffe verwendet?

Was sind Polymere?

Polymere sind eine besondere Art von chemischen Substanzen, die sich durch ihre hohe Molekülmasse auszeichnen. Sie haben auch eine spezifische Struktur – sie bestehen aus sich mehrfach wiederholenden Einheiten, die Wiederholeinheiten genannt werden. Die hohe Molekülmasse bedeutet, dass die Abtrennung oder Anfügung einer einzelnen Wiederholeinheit die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Verbindung nicht wesentlich verändert. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu Oligomeren (Stoffe, die aus einer geringen Anzahl von Wiederholeinheiten bestehen) – bei ihnen kann eine solche Änderung beispielsweise zu einem anderen Schmelzpunkt als zuvor führen.

Polymere werden in erster Linie mit Kunststoffen in Verbindung gebracht. In Wirklichkeit ist diese Gruppe von Verbindungen jedoch viel breiter gefächert. Neben synthetischen Polymeren, die die Bausteine von Kunststoffen sind, gibt es auch natürliche Polymere, die in der Natur vorkommen. Sie sind einer der Grundbausteine von lebenden Organismen.

Chemische Eigenschaften der Polymere

Jede Substanz kann ihre eigenen, individuellen Eigenschaften haben. Es ist jedoch möglich, einige chemische Eigenschaften von Polymeren zu identifizieren, die für alle Verbindungen dieser Art gemeinsam sind. Hier stellen wir sie vor:

• Widerstandsfähigkeit gegen chemische Stoffe. Ein Beispiel hierfür sind die für Verpackungen verwendeten Kunststoffe, mit denen die darin enthaltenen Chemikalien nicht reagieren.
• Elektrische und thermische Isolierung. Polymere sind gute Isolierstoffe. Sie werden daher bevorzugt für Schutzschichten auf Kabeln oder Steckdosen verwendet. Die mit der Wärmebeständigkeit verbundenen Eigenschaften ermöglichen den Einsatz von Kunststoffen im Haushalt, z.B. in Kochtopfgriffen.
• Hohe Festigkeit bei geringem Gewicht. Einige Kunststoffe sind sogar schwimmfähig.
• Leichte Verarbeitung. Polymere lassen sich auf vielfältige Weise verarbeiten. Sie können zu dünnen Schichten (z.B. Textilfasern) und festen Skelettstrukturen verarbeitet werden. Sie lassen sich leicht in eine bestimmte Form bringen.

Wie entstehen Polymere?

Die Bildung von Polymeren kann auf zwei Arten erfolgen: Polymerisation und Polykondensation.

Beim ersten Verfahren findet eine Kettenreaktion statt, bei der sich die Monomere miteinander verbinden. Dabei entstehen keine Nebenprodukte. Damit die Polymerisation stattfinden kann, muss ein Initiator verwendet werden, eine Substanz, die die Reaktion in Gang setzt und danach selbst unwiederbringlich verbraucht wird. Die sich verbindenden Monomere können sich ursprünglich in der festen, flüssigen oder gasförmigen Phase befinden. Zu den durch Polymerisation hergestellten Kunststoffen gehören:

• Polyethylen LDPE und HDPE,
• Polyvinylchlorid (PVC),
• Polypropylen (PP),
• Polystyrol (PS).

Bei der Polykondensation entsteht ein Makromolekül, d.h. ein Polymer, und als Nebenprodukt eine andere Substanz, z.B. Wasser, Ammoniak oder Chlorwasserstoff. Bei dieser Reaktion wird die Polymerkette schrittweise gebildet. Zu den häufigsten Kunststoffen, die durch Polykondensation hergestellt werden, gehören:

• Polyamide,
• Phenol-Aldehyd-Harze,
• Epoxidharze,
• einige Polyester.

In den nachfolgenden Phasen der Kunststoffherstellung sind häufig verschiedene Arten von Zusatzstoffen wie Stabilisatoren oder Modifikatoren erforderlich.  Dank ihnen lassen sich Materialien mit spezifischen Eigenschaften herstellen. Eine breite Palette an Additiven für Kunststoffe finden wir im Angebot der Gruppe PCC, das auf dem Produktportal verfügbar ist.

Welche Arten von Polymeren gibt es?

Alle Polymere können nach mehreren Kriterien eingeteilt werden – nach Herkunft, Form und Anordnung der Moleküle, Homogenität der chemischen Struktur und Aufbau.

Polymere Polymere können unterschiedlicher Herkunft sein:

• synthetisch – diese werden dann durch 100%ige chemische Synthese einzelner Wiederholeinheiten hergestellt;
• natürlich – diese werden von lebenden Organismen produziert; dies sind z.B. Zellulose, Proteine oder Nukleinsäuren;
• natürlich, aber durch chemische Reaktionen verändert, z. B. Celluloseacetat oder modifizierte Stärke – das sind modifizierte Polymere.

Die einzelnen Arten von Polymeren unterscheiden sich auch im Hinblick auf ihre Kettenstruktur. Hier unterscheidet man unter anderem zwischen linearen, verzweigten, leiterförmigen oder vernetzten Polymeren. Polymermoleküle können auch ungewöhnliche Formen haben – angeordnet wie Kettenglieder oder ein Baum.

Eine weitere Unterteilung berücksichtigt, wie viele Wiederholeinheiten in einer Kette enthalten sind. Wenn eine Kette aus einem einzelnen Block von Wiederholeinheiten besteht, handelt es sich um Homopolymere. Sind es zwei oder mehr, werden solche Verbindungen als Copolymere bezeichnet.

Die meisten Polymere sind organische Verbindungen. Es gibt jedoch auch eine recht große Gruppe anorganischer Polymere, d.h. solcher, die keine Kohlenstoffverbindungen enthalten. Dazu gehören Polysulfide, Polysiloxane oder Polyphosphazene. Bezüglich anderer Strukturformen werden bei den organischen Polymeren unterschieden:

• Polyolefine, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen und lange Kohlenstoffketten enthalten – zu dieser Gruppe gehören unter anderem Polyethylen, Polystyrol und Polypropylen;
• Vinylpolymere – auch hier sind lange Kohlenstoffketten vorhanden, aber diese Stoffe werden durch Aufbrechen von Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen gebildet, ein Beispiel ist Polyvinylchlorid;
• Polyether – Polymere, in denen Etherbindungen vorhanden sind;
• Polyamide – Polymere mit Amidbindungen (-NH-C(O)-);
• Polyurethane – mit Urethanbindungen (-NH-C(O)-O-);
• Polyester – mit Esterbindungen (-C(O)-O-);
• Polycarbonate – mit Karbonatbindungen (-O-C(O)-O-).

Ein wichtiges Merkmal, das die Anwendungen von Polymeren beeinflusst, ist ihre molekulare Anordnung. Die Substanzen können eine amorphe Form haben, ohne jegliche Struktur oder Ordnung. In diesem Fall sind sie in der Regel transparent, so dass sie beispielsweise für Verpackungen oder Kontaktlinsen verwendet werden können. Bei anderen Arten von Polymeren sind die Atome in Mustern angeordnet und bilden kristalline Strukturen. Ein solches Material ist undurchsichtig. Der Kristallisationsgrad einiger Polymere kann bis zu einem gewissen Grad kontrolliert werden, durch die Veränderung ihrer Eigenschaften: Erhöhung ihrer Festigkeit, Steifigkeit und chemischen Beständigkeit.

Polymere – Beispiele für Anwendungen von Kunststoffen in der Industrie und im Bauwesen

Die Namen der gebräuchlichsten Polymere (Polyester, Polyamid oder Polyethylen) wurden oben bereits genannt. Nun ist es an der Zeit, die Informationen zu ordnen und zu zeigen, wofür die einzelnen Arten von Materialien verwendet werden.

Es gibt heute praktisch keinen Bereich, in dem Polymere nicht verwendet werden. Sie kommen in der Medizin, der Elektronik, der Kosmetik und wahrscheinlich auch in Ihrem Haushalt vor. Am häufigsten werden sie jedoch in der Industrie und im Bauwesen eingesetzt. Hier finden Sie ausgewählte Beispiele für die Anwendung von Polymeren in diesen Branchen:

• Phenoplaste – Kunststoffe, die auf der Basis von Harzen hergestellt werden, die aus der Polymerisation von Phenol und Formaldehyd entstehen; sie werden zur Herstellung von Werkzeuggriffen, Brems- und Kupplungsbelägen, als Zusatz zu Lacken, Klebstoffen und Bindemitteln verwendet;
• Epoxidharze – wärmehärtende Kunststoffe, die z.B. bei der Herstellung von Laminaten, Klebstoffen für Metall, Korrosionsschutz- und Isolierlacken verwendet werden;
• Polyethylen – ein Bestandteil vieler Verpackungsmaterialien: Folien, Milchkartons, Einwegbeuteln;
• Polypropylen – ein beliebter Bestandteil von Verkabelungen, medizinischen Geräten, technischen Geweben, Teppichen, Rohren und Spielzeug;
• Polyvinylchlorid, das u.a. für Bodenplatten, Rohre und Schläuche sowie als Bestandteil von Klebstoffen und Lacken verwendet wird;
• Polyamid – wird bei der Herstellung von Nylonfasern sowie von Zahnrädern, Druckrohren und anderen Maschinenteilen, Verpackungsfolien und Teppichen verwendet;
• Polycarbonat – eignet sich aufgrund seiner hohen Festigkeit zur Herstellung von transparenten Scheiben: in besonders bewachten Gebäuden, Flugzeugen, Astronautenhelmen oder Formel-1-Fahrzeugen;
• Polyurethan – wird zur Herstellung von Schaumstoffen für die Möbel-, Automobil- und Textilindustrie sowie für Abdichtungen in der Bauindustrie verwendet.

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