Polymer

Der Begriff „Polymer“ bezeichnet ein Makromolekül, das aus mehreren Molekülen eines (oder sogar mehrerer) Atomtypen (oder gleich atomare Gruppen) besteht. Dabei ist zu beachten, dass sich viele der chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht ändern, wenn man eine (oder mehrere) ähnliche konstitutionelle Einheiten hinzufügt oder entfernt.

Moderne Polymere entstehen heute in der Regel durch einen als Polykondensation oder Polymerisation bekannten Prozess.

Ein entscheidender Punkt, in dem sich andere Materialien von Polymeren unterscheiden, ist die sogenannte in Ketten organisierte Struktur aller in ihnen enthaltenen Moleküle – in der Regel handelt es sich um lange lineare Strukturen von miteinander verbundenen Atomen (bzw. ihren Gruppen), in denen eine bestimmte regelmäßige Struktur erkennbar ist. Diese kann wiederum (aber muss nicht) aufgrund einer Verzweigung unterbrochen werden (dann handelt es sich um sogenannte verzweigte oder vernetzte Polymere, bzw. direkt um sogenannte Polymernetze).

Die oben genannte Information ist wichtig, da wir sonst auch Diamanten (oder das heute so populäre Graphen) als Polymere berücksichtigen könnten, da deren Molekulargewichte ebenso hoch sind.

Um die Informationen vollständig zu machen – lange Zeit wurden als Polymer nur makromolekulare Stoffe bezeichnet, die aus Molekülen mit der Formel Xn bestehen („die Zahl n gibt an, wie oft sich die Struktur wiederholt). Wir dürfen jedoch nicht vergessen, dass heute auch Stoffe ohne chemischen Ursprung als Polymere bezeichnet werden: zum Beispiel Nukleinsäuren und verschiedene Proteine. Dies ist natürlich so, weil ihre Molekülstruktur aus einer gigantischen Anzahl sehr ähnlicher, sich ständig wiederholender Struktureinheiten besteht.

Um den Bereich der modernen Chemie und der Polymere übersichtlicher zu gestalten, haben sich die Wissenschaftler glücklicherweise entschieden, die Dinge klar und deutlich zu unterscheiden: Zum Beispiel fallen heute alle Polymere biologischen Ursprungs unter den Begriff Biopolymere (oder auch biomakromolekulare Stoffe). Ein Beispiel – das wahrscheinlich bekannteste Biopolymer ist Cellulose, das etwa tausend Glukoseeinheiten enthält. Das ist auch der Grund, warum Cellulose eine so große relative Molekülmasse hat (rund 200.000).

Beispiele der häufigsten chemischen Polymere aus der Praxis

Der bekannteste Vertreter gewöhnlicher chemischer Polymere ist wahrscheinlich Polyethylen, das so dargestellt werden kann:

H―(CH₂)n―H

respektive:

H―(CH₂―CH₂)n―H

wenn jemand betonen möchte, dass es durch die Polymerisation von Ethen/Ethylen entstanden ist.

Ein weiteres ziemlich bekanntes Polymer ist das sogenannte Polybutadien (es handelt sich dabei um den ältesten synthetischen Kautschuk):

H―(CH₂―CH═CH―CH₂)n―H

Wir können aber auch Polybutadien mit einer Hydroxylgruppe als Endung haben (HTPB), das dann so aussieht:

HO―(CH₂―CH═CH―CH₂)n―OH

Ein weiteres gutes Beispiel für ein modernes (und nicht mehr ganz einfaches) Polymer ist auch Polyvinylchlorid (PVC):

H―(CH₂―CHCl)n―H

Welche Strukturen können Polymere annehmen?

Alle oben genannten Polymere sind unverzweigte und gerade Strukturen. Wenn wir uns jedoch mit einem komplexeren Polymer vertraut machen möchten, ist der natürliche Kautschuk sicherlich ein guter Vertreter, den viele sehr gut kennen. Der natürliche Kautschuk basiert auf der monomeren Einheit des Kohlenwasserstoffs Isopren (oder es kann auch synthetisches Polystyrol sein).

Polymere aller Art müssen natürlich nicht nur einfache und lineare Stoffe erzeugen. Selbst zwischen den Verbindungen der Monomereinheiten können chemische Bindungen entstehen – diese erzeugen dann die spezifische und unverwechselbare räumliche/ebene Struktur des betreffenden Polymers.

Alle Polymere können natürlich auch aus mehr als einem Monomer bestehen, daher werden sie als Copolymere bezeichnet. Die Moleküle können hier eine regelmäßige Struktur ihrer Monomereinheiten haben oder nicht. Daraus folgt logisch, dass sowohl Nukleinsäuren als auch Proteine aus dieser Sicht klare Copolymere sind.

Welche mechanischen Eigenschaften haben Polymere?

Der wichtigste Faktor, der die Menschheit bei allen chemischen Polymeren interessiert, sind zweifellos ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Diese bestimmen nämlich, wie sich das betreffende Polymer in der Makrowelt und in größerem Maßstab verhalten wird.

• Zugfestigkeit – Diese Eigenschaft des betreffenden Materials (und Polymere sind da keine Ausnahme) bestimmt, wie groß die Dehnung ist, die das Polymer aushält, bevor es bricht. Es ist eine sehr wichtige Sache, weil sie in der Regel der wichtigste Faktor ist. Allgemein kann gesagt werden, dass die Zugfestigkeit eines bestimmten Polymers mit der Länge seiner Kette / der Schaffung einer komplexeren Netzwerkstruktur wie bei Cellulose zunimmt.
• Elastizitätsmodul – gibt an, wie elastisch ein bestimmtes Polymer ist. Er ist für Fasern einer bestimmten Länge und Dicke definiert. Dieser Wert ist zudem nicht fix und ändert sich stark mit der Temperatur.