Lechner, Gehrke, Nordmeier - Makromolekulare Chemie

Die Makromolekulare Chemie beschäftigt sich mit der Struktur, der Synthese und den Eigenschaften von großen Molekülen. Der Begriff des großen Moleküls ist nicht genau festgelegt; im Allgemeinen werden Moleküle mit Molmassen ab 1000 bis 10.000 g mol⁻¹ als große Moleküle bezeichnet. Ein besonderer Typus von Makromolekülen besteht aus gleichartigen Atomgruppen, sog. Wiederholungseinheiten, die durch Atombindungen (Hauptvalenzbindungen) miteinander verknüpft sind; solche Makromoleküle heißen Polymere, abgeleitet vom griechischen poly – viel und meros – Teil. Die Geschichte der Makromolekularen Chemie ist lang und reicht im Grunde bis ins Altertum zurück, in dem Menschen bereits makromolekulare Stoffe aus der Natur nutzten und verarbeiteten – allerdings noch völlig ohne Wissen um deren makromolekulare Beschaffenheit. Ein erstes konkretes Datum kann mit der Vulkanisierung des natürlichen Kautschuks durch Goodyear angegeben werden (Patenterteilung 15. Juni 1844). H. Staudinger prägte schließlich in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts den Begriff Makromolekül; er entwickelte und publizierte die grundlegenden Vorstellungen über die chemische Struktur der Makromoleküle. Die Behauptung Staudingers, dass es sich bei makromolekularen Stoffen um große Moleküle handelt, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden, war zunächst heftig umstritten. Die später vielfach bewiesenen Vorstellungen Staudingers setzten sich letztlich aber durch, wurden im Jahr 1953 mit dem Chemie-Nobelpreis gewürdigt und ermöglichten seither eine weitere stürmische wissenschaftliche Entwicklung und technische Produktion der Kunststoffe seit Mitte des 20. Jahrhunderts.

Ein Polymer besteht aus einer großen Anzahl kleinerer Moleküleinheiten. Diese Grundbausteine sind miteinander verknüpft und bilden im einfachsten Fall eine lineare Kette. Durch die Vielfalt an Verknüpfungsmöglichkeiten der Grundbausteine entlang der Kette entsteht bereits für ein einzelnes Kettenmolekül eine große Strukturvielfalt. In einem Ensemble vieler Kettenmoleküle kommt überdies eine oft ausgeprägte Uneinheitlichkeit der Kettenlängen und Kettengestalten hinzu. Diese Strukturvielfalt wird in den Polymerwissenschaften beispielsweise unter den Schlagworten Polydispersität, Uneinheitlichkeit und Taktizität erörtert. Als wichtiges Maß für die hieraus resultierende Größe eines Kettenmoleküls im dreidimensionalen Raum wird dessen Kettenendenabstand bzw. Trägheitsradius eingeführt. Verschiedene Modelle für die Kettenkonformation liefern Formelausdrücke für diese Größen. Als wichtiges Maß für die Zusammensetzung einer Probe aus vielen Ketten werden charakteristische Mittelwerte der molaren Masse eingeführt, die sich aus der zugrundeliegenden Verteilungsfunktion der Kettenlängen und Einzelkettenmolekulargewichten ableiten.

In diesem Kapitel werden die prinzipiellen Synthesemöglichkeiten für Makromoleküle vorgestellt. Unter Polyreaktionen zur Bildung von Makromolekülen versteht man chemische Reaktionen, bei denen Monomere und auch oligomere Verbindungen zu linearen, verzweigten oder vernetzten Makromolekülen reagieren. Die strukturellen, thermodynamischen und kinetischen Voraussetzungen für diese Reaktionen werden hier erklärt. Die Synthesemöglichkeiten für wichtige Polymergruppen durch Ketten- und Stufenwachstumsreaktionen werden erläutert. Die wichtigsten chemischen Reaktionen an bereits vorhandenen Makromolekülen, die zur Optimierung von Polymereigenschaften durchgeführt werden, und auch solche, die bei Alterungsprozessen ablaufen können, sind Gegenstand eines weiteren Abschnittes. Neben der Darstellung der Synthese von Polymeren aus petrochemischen Rohstoffen widmet sich ein Abschnitt des Kapitels den wichtigen Biopolymeren und Biokunststoffen. Polymere mit anorganischen Gruppen und technische Verfahren für Polyreaktionen werden in weiteren Abschnitten behandelt.

Wir wissen aus Kap. 2, wie die Mittelwerte des Kettenendenabstandes h und des Trägheitsradius R für flexible Polymermoleküle zu berechnen sind. Um nun über diese einfache Größeninformation hinaus ein volles Bild über die Knäuelgestalt zu erhalten, wollen wir uns nun mit den Verteilungen dieser Größen befassen. Im dreidimensionalen Raum liegen gewöhnliche synthetische Polymere als regellose Zufallsknäuel vor, deren Segmentdichteverteilung und Kettenendenabstandsverteilung durch eine Gaußfunktion beschrieben ist. Diese leitet sich aus der Statistik des zufälligen Irrflugs ab.

In Kapitel 5 werden zunächst die unterschiedlichen Strukturen behandelt, in denen makromolekulare Festkörper und Schmelzen in Erscheinung treten. Das Verständnis der kristallinen und amorphen Zustandsformen bildet die Grundlage für die Betrachtung thermischer Umwandlungen und thermoanalytischer Methoden zur Charakterisierung von Polymeren. Die einzigartigen mechanischen und rheologischen Eigenschaften makromolekularer Festkörper und Schmelzen werden umfassend auf der Basis moderner Theorien und Modelle behandelt, wobei immer wieder Zusammenhänge zwischen der Struktur und den Eigenschaften aufgezeigt und anschaulich erläutert werden. Breiten Raum nehmen dabei auch Prüfmethoden ein, die zur Bestimmung mechanischer und rheologischer Kenngrößen eingesetzt werden. Bei vielen technischen Anwendungen spielen auch optische und elektrische Eigenschaften eine wichtige Rolle. Lichtbrechung, Reflexion, Glanz, Trübung und andere optische Phänomene sind deshalb ebenso Bestandteil dieses Kapitels wie die dielektrischen Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit u.a. intrinsisch leitfähiger Polymere. Polymerblends sind von großer technologischer Bedeutung und Gegenstand vieler wissenschaftlicher Untersuchungen. Die grundlegenden Theorien zur Mischbarkeit von Polymeren werden hier ebenso wie die Morphologie und Methoden zur Herstellung von Polymerblends behandelt. Abgerundet wird das Kapitel durch eine ausführliche Beschreibung der unterschiedlichen Verarbeitungsmethoden.

Kunststoffe haben seit den 1950er-Jahren ein beispielloses Wachstum erreicht. Aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und hervorragenden technischen Eigenschaften haben sie zahlreiche Anwendungsgebiete erobert. Vor diesem Hintergrund spielt die Frage, was mit den Kunststoffen am Ende ihres Lebensweges geschieht, eine entscheidende Rolle. Das vorliegende Kapitel gibt einen Einblick in den Bereich der Verwertung von Kunststoffen. Dabei werden verschiedene Aspekte angesprochen: Rechtlicher Rahmen sowie aktuelle Strategien und Konzepte des Abfallmanagements, Kunststoffe in Abfallströmen, Abfallmanagement unter Berücksichtigung von Abfallerfassung und Abfallvorbehandlung sowie die verschiedenen Verwertungsverfahren.