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Was ein Polymer ist

Ein Polymer ist ein sehr langes Molekül aus vielen sich wiederholenden oder ähnlichen Bausteinen, wie eine Perlenkette. Cellulose, Lignin, Kunststoffe, Kautschuk und Proteine sind alle so aufgebaut.

Polymere oder makromolekulare Verbindungen bestehen aus Makromolekülen, die aus vielen sich wiederholenden konstitutionellen Einheiten aufgebaut sind. Ihre Eigenschaften hängen nicht nur von der Chemie der Einheit ab, sondern auch von der Kettenlänge, der Kettenform und der Anordnung der Ketten.

Formen von Makromolekülen und Arten von Copolymeren. Die Perlen stehen für Einheiten.

Makromolekül und Repetiereinheit

Das kleine Molekül, aus dem ein Polymer aufgebaut ist, heißt Monomer. Wenn sich Monomere verbinden, wird jedes zu einer Einheit der Kette. Die Zahl der Einheiten in einer Kette ist der Polymerisationsgrad: Bei Holzcellulose geht er in die Tausende.

Ein Monomer ist die niedermolekulare Verbindung, aus der ein Polymer entsteht. Die konstitutionelle Repetiereinheit ist das kleinste Fragment, dessen Wiederholung die Kette beschreibt. Der Polymerisationsgrad entspricht der Zahl der Einheiten in einem Makromolekül; die Molmasse eines Makromoleküls ist gleich dem Polymerisationsgrad mal der Masse der Einheit zuzüglich der Masse der Endgruppen. Oligomere enthalten wenige Einheiten, und ihre Eigenschaften ändern sich mit jeder hinzukommenden Einheit merklich.

Natürlich, halbsynthetisch, synthetisch

Manche Polymere stellt die Natur her: Cellulose, Lignin, Stärke, Proteine. Andere entstehen durch chemische Veränderung natürlicher Polymere: So werden aus Cellulose Acetat und Viskose gewonnen. Wieder andere bauen Chemiker vollständig aus Monomeren auf: Polyethylen, Nylon, Phenol-Formaldehyd-Harze.

Nach ihrer Herkunft unterscheidet man natürliche Polymere (Polysaccharide, Lignin, Proteine, Naturkautschuk), halbsynthetische (künstliche), die durch chemische Modifizierung natürlicher Polymere gewonnen werden (Celluloseester, Viskose), und synthetische, die aus Monomeren hergestellt werden. Nach der Hauptkette unterscheidet man Kohlenstoffkettenpolymere (eine Kette aus Kohlenstoffatomen, wie bei Polyethylen) und Heterokettenpolymere (Sauerstoff, Stickstoff und andere Atome in der Kette, wie bei Cellulose, Polyestern und Polyamiden).

Kettenform

Eine Kette kann ein gerader Faden sein, sich wie ein Baum verzweigen oder mit ihren Nachbarn zu einem durchgehenden Netz verwachsen. Die Form entscheidet über das Wesentliche: ob das Polymer schmilzt und ob es sich löst.

Polymere sind linear, verzweigt oder vernetzt (dreidimensional). Lineare und verzweigte Polymere lösen sich unter geeigneten Bedingungen, und viele schmelzen auch (Cellulose zersetzt sich vor dem Schmelzen); vernetzte Polymere lösen sich nicht, sondern quellen nur begrenzt und erreichen nie den Zustand des viskosen Fließens. Im Holz liegen alle drei nebeneinander vor: lineare Cellulose, verzweigte Hemicellulosen und Lignin, das Lehrbücher als dreidimensionales (stark verzweigtes, teilweise vernetztes) Polymer beschreiben.

Homopolymere und Copolymere

Sind alle Einheiten gleich, handelt es sich um ein Homopolymer. Enthält die Kette zwei oder mehr verschiedene Einheiten, ist es ein Copolymer. Die Einheiten können sich abwechseln, zufällig gemischt sein, in langen Blöcken aufeinander folgen oder als Seitenketten anhängen.

Copolymere werden nach der Verteilung der Einheiten eingeteilt: statistische, alternierende, Block- und Pfropfcopolymere (Seitenketten einer Zusammensetzung sind auf eine Hauptkette anderer Zusammensetzung gepfropft). Natürliche Heteropolysaccharide wie Glucomannane sind im Grunde Copolymere. Das Aufpfropfen synthetischer Ketten auf Cellulose dient dazu, ihre Eigenschaften zu modifizieren.

Thermoplaste und Duroplaste

Manche Kunststoffe werden beim Erwärmen weich und lassen sich erneut aufschmelzen: Das sind Thermoplaste. Andere härten beim ersten Erhitzen dauerhaft aus, weil sich ihre Ketten zu einem Netzwerk verbinden: Das sind Duroplaste. Harze für Sperrholz und Spanplatten gehören zur zweiten Gruppe.

Thermoplastische Polymere (Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat) erweichen beim Erwärmen reversibel. Duroplastische Polymere bilden beim Härten ein Netzwerk und verlieren irreversibel die Fähigkeit zu schmelzen und sich zu lösen; hierzu gehören gehärtete Phenol-Formaldehyd-, Harnstoff-Formaldehyd- und Epoxidharze.

Wichtige Fakten

Monomer → Polymer
Repetiereinheit
Cellulose
linear
Hemicellulosen
verzweigt
Lignin
3D, teilweise vernetzt
Thermoplast
wieder aufschmelzbar
Duroplast
irreversibel vernetzt

Quellen zu diesem Kapitel

  1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
  2. Евстигнеев Э.И. и др. Химия древесины и синтетических полимеров. Ч. 1. Строение, свойства, химические реакции и производные целлюлозы: учебно-методическое пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2010.
  3. Odian G. Principles of Polymerization. 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2004.
  4. IUPAC. Compendium of Polymer Terminology and Nomenclature (IUPAC Recommendations 2008). Cambridge: RSC Publishing, 2009.