Die Polymere und ihre Anwendungen

Definition der Polymere

Der Begriff Polymer bezieht sich auf chemische Verbindungen oder Mischungen, die aus wiederkehrenden Molekülen bestehen und durch den Prozess der Polymerisation entstehen. Diese wiederkehrenden Einheiten werden als Monomere bezeichnet. Polymerisation ist eine chemische Reaktion, die zwischen zwei oder mehr Molekülen stattfindet, wobei sie sich verbinden, um eine chemische Verbindung zu bilden, die aus strukturellen, wiederkehrenden Einheiten besteht.

Polymere können sowohl natürliche als auch synthetische Materialien sein, die aus sehr großen Molekülen, den sogenannten Monomeren, zusammengesetzt sind. Polymere bestehen aus einem oder mehreren Typen von Monomeren. Wenn ein Polymer aus verschiedenen Monomeren besteht, bezeichnet man es als gemeinsames Polymer. In lebenden Organismen finden sich zahlreiche Beispiele für Polymere, wie beispielsweise Proteine, Cellulose und Nukleinsäuren. Darüber hinaus sind Polymere auch Bestandteile von Mineralien wie Diamant, Quarz und Feldspat sowie in einigen hergestellten Materialien wie Glas, Papier, Kunststoffen und Gummi zu finden.

Geschichte der Polymere

Die Geschichte der Polymere lässt sich wie folgt zusammenfassen:

• Die Herstellung synthetischer Polymere durch den Menschen unter Verwendung natürlicher Materialien wie Cellulose begann.
• Im letzten Jahrhundert und einem halben wurden wichtige polymere Materialien wie Kunststoffe, Faserstoffe und Kunststoffe entwickelt.
• Zur Herstellung von Plastik wurde Cellulose aus Baumwollfasern des Eukalyptusbaums verarbeitet, um Elefanten zu schützen.
• Bakelit wurde als künstliche Alternative zu natürlichem Lack entwickelt und enthält keine natürlichen Moleküle.
• Bakelit zeichnet sich durch seine Haltbarkeit und Hitzebeständigkeit aus und ist leicht formbar.
• Der Zweite Weltkrieg führte zu einem Anstieg in der Kunststoffproduktion, um knappe natürliche Ressourcen durch Alternativen zu schonen.
• Wallace Carothers erfand 1935 Nylon (die Kunstseide), das in der Herstellung von Fallschirmen, Seilen, Schutzkleidung und Helmen verwendet wurde.
• Nach dem Krieg wurde Kunststoff in großen Mengen produziert und diente als Ersatz für Stahl in Fahrzeugen sowie für Papier und Glas in der Verpackungsindustrie.
• In den 70er und 80er Jahren wuchs die Besorgnis über Kunststoffabfälle, was zur Idee des Recyclings von Kunststoffen führte, indem wiederverwendbare Materialien gesammelt und verarbeitet wurden.
• Wissenschaftler haben kürzlich gezeigt, dass Kunststoffe Substanzen wie Phthalate enthalten, die der menschlichen Gesundheit schaden können.
• Phthalate können in Lebensmittel und Wasser eindringen und beeinflussen die Funktion der Hormondrüsen.

Aufbau von Polymeren

Polymere bestehen aus sich wiederholenden Einheiten von Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff, die durch chemische Bindungen (kovalente und sekundäre Bindungen) verbunden sind. Die Grundbausteine der Polymere werden Monomere genannt, und es gibt verschiedene Arten von Polymeren, wobei jeder Typ eine bestimmte Anordnung und spezifische atomare Zusammensetzung aufweist.

Die Festigkeit, der Schmelzpunkt und die Leitfähigkeit sind Eigenschaften, die das Verhalten von Polymeren und deren interne Struktur beeinflussen. Polymere können organische Materialien sein, die aus Kohlenstoffatomen bestehen, welche vier Elektronen in der äußeren Schale besitzen und somit kovalente Bindungen mit anderen Atomen bilden können.

Das Polymer Polyethylen wird gemäß der folgenden Gleichung synthetisiert: C₂H₄ + C₂H₄ → C₄H₈.

Arten von Polymeren

Es gibt zwei Hauptkategorien von Polymeren: natürliche Polymere und synthetische Polymere. Im Folgenden werden beide erläutert:

Natürliche Polymere

Natürliche Polymere werden in zwei Typen unterteilt, nämlich organische und anorganische Polymere. Organische natürliche Polymere spielen eine wichtige Rolle im Leben, da sie die grundlegenden Baustoffe liefern und an biologischen Prozessen beteiligt sind. Hier sind einige Beispiele:

• Cellulose

Cellulose ist eine Gruppe von Materialien, die in Pflanzen vorkommen und die festen Teile ausmachen. Sie wird als Polysaccharid bezeichnet und besteht aus Zuckermolekülen.

• Lignin und Harze

Lignin stellt ein komplexes dreidimensionales Netzwerk von Polymeren dar. Holzharze sind ebenfalls Polymere, die aus einfachen Kohlenwasserstoffen und Isopren bestehen.

• Proteine und Nukleinsäuren

Polymere von Proteinen bestehen aus Aminosäuren, während Nukleinsäuren aus Nukleotiden bestehen, die komplexe Moleküle sind, die stickstoffhaltige Basen, Zucker und Phosphorsäure enthalten.

• Stärke

Stärke ist eine natürliche Polymer, die aus Glukose besteht und eine wichtige Nahrungsquelle darstellt. Einige Beispiele für anorganische Polymere in der Natur sind Diamant und Graphit, die beide aus Kohlenstoff bestehen. Im Diamanten verbinden sich Kohlenstoffatome, um ein dreidimensionales Netzwerk zu bilden, das ihm die Eigenschaft der Härte verleiht, während Graphit in Schmierprozessen und zur Herstellung von Bleistiften verwendet wird.

Synthetische Polymere

Synthetische Polymere werden durch verschiedene chemische Reaktionen hergestellt. Zu den bekanntesten Beispielen gehören:

• Polyethylen

Polyethylen ist kristallin, transparent und thermoplastisch (es wird bei Hitze glatt). Es findet Anwendung in Farben, Glasherstellung und Behältern.

• Polypropylen

Polypropylen ist ein thermoplastisches Material, das bei der Textilproduktion verwendet wird.

• Polybutadien, Polyisopren und Polychloropren

Diese Materialien finden Anwendung in der Gummiherstellung.

• Polystyrol

Polystyrol ist ein transparentes, gläsernes und plastisches Material, das in der Herstellung von Spielzeugen und plastischen Modellen verwendet wird.

• Polyvinylchlorid

Polyvinylchlorid ist ein synthetisches Polymer, das farblos, fest, plastisch und formbar ist, sowie in Klebstoffen und Malerarbeiten eingesetzt wird.

Physikalische und chemische Eigenschaften von Polymeren

Polymer zeigen eine Vielzahl physikalischer und chemischer Eigenschaften, die wie folgt dargestellt werden:

Physikalische Eigenschaften von Polymeren

Zu den wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Polymeren gehören:

• Sie haben eine hohe Zugfestigkeit aufgrund der Länge der Molekülketten.
• Sie sind unlöslich und können von einem kristallinen in einen teilkristallinen Zustand übergehen.
• Sie leiten Wärme nicht gut und können sich in verschiedene Richtungen und Mengen thermisch ausdehnen.

Chemische Eigenschaften von Polymeren

Zu den wichtigsten chemischen Eigenschaften von Polymeren zählen:

• Sie weisen eine hohe Bindungsstärke aufgrund von Wasserstoff- und Ionenbindungen auf.
• Sie sind äußerst flexibel, bedingt durch die Dipolbindungen zwischen den Seitenketten.
• Sie besitzen einen niedrigen Schmelzpunkt aufgrund der schwachen van-der-Waals-Kräfte, die die Ketten verbinden.
• Sie zeigen eine sehr geringe Durchlässigkeit.

Nomenklatur der Polymere

Der Name eines Polymers leitet sich von dem Monomer ab, das in seiner Struktur enthalten ist. So wird zum Beispiel das Polymer Polyethylen benannt, da es aus dem Monomer Ethen besteht. Im Folgenden wird erklärt, wie die Nomenklatur von Polymeren erfolgt:

• Benennung des Monomers

Zunächst wird der chemische Hauptbestandteil (Monomer) benannt, indem die Anzahl der Kohlenstoffatome gezählt wird. Beispielsweise beginnt der Name einer Verbindung mit einem Kohlenstoffatom mit „Meth“ und bei zwei mit „Eth“. Anschließend werden die Bindungsarten und funktionalen Gruppen wie Alkohole und Ketone angegeben.

• Benennung des Polymers

Der Präfix „Poly“ wird hinzugefügt, gefolgt von dem Monomernamen in Klammern, wenn das Polymer nur aus einem Monomer besteht, beispielsweise poly (Methylmethacrylat). Bei Monomeren, die aus einem Wort bestehen, entfallen die Klammern, wie z.B. Polystyrol.

• Hinzufügen von Komplexität

Gemeinsame Polymere bestehen aus mehr als einem Monomer. Sie werden unter Verwendung bestimmter Bezeichnungen genannt, die kursiv geschrieben werden und auf das Polymer hinweisen, das aus zufällig verteilten Monomeren besteht. Diese Bezeichnungen werden am Anfang des Namens oder zwischen den Monomernamen platziert, z.B. (cyclo-Polystyrol-graft-Polyethylen).

• Strukturbezogene Nomenklatur

Die Benennung von Polymeren kann auch nach ihrer Struktur erfolgen, anstatt nach den enthaltenen Monomeren. Diese erfolgt spezifisch nach der Wiederholungseinheit (strukturierte Subeinheit), die durch die Zerlegung der Polymerstruktur in die kleinste mögliche wiederkehrende Einheit erhalten wird, z.B. 1-bromoethan-1,2-diyl.

Anwendungen und Verwendungszwecke von Polymeren

Polymere finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, darunter Industrie, Medizin, Landwirtschaft, Ingenieurswesen und biomedizinischen Anwendungen. Diese werden im Folgenden erläutert:

Anwendungen von Polymeren in der Industrie

Verschiedene Arten von Polymeren werden in der Industrie eingesetzt, wie folgt:

• Polypropylen

Polypropylen wird in der Textilherstellung, Verpackungsmaterialien, Schreibwaren, Seilen und Spielzeug verwendet. Außerdem findet es Anwendung bei der Kunststoffproduktion und in der Luftfahrttechnik sowie im Bauwesen.

• Polystyrol

Polystyrol wird in der Herstellung von Verpackungsmaterialien, Glasbehältern und Spielzeugen verwendet. Es ist ebenfalls in der Produktion von Containern, Brillen, Schränken und Einwegprodukten enthalten und wird zudem in der Isolierung eingesetzt.

• Bakelit

Bakelit wird zur Herstellung von elektrischen Schaltern, Isoliermaterialien, Feuerwaffen und Küchengeräten wie Bechern und Kaffeekannen genutzt, ferner auch in der Produktion von Spielzeug, Schmuck und Computerplatten.

• Polyvinylchlorid

Polyvinylchlorid wird zur Herstellung von Rohren für Abwassersysteme verwendet und dient als elektrischer Isolator, da es in der Produktion von elektrischen Kabeln eingesetzt wird.

• Polyvinylchlorid

Es wird in der Bekleidungs- und Möbelindustrie eingesetzt und findet Anwendung in der Herstellung von Vinylböden sowie Türen und Fenstern.

• Urea-Formaldehyd-Harze

Diese Harze werden zur Herstellung von Formen, bruchsicheren Behältern, Klebstoffen, laminierten Platten und Formen verwendet.

• Glyptal

Glyptal findet Verwendung in verschiedenen Arten von Farben und Lacken.

Anwendungen von Polymeren in der Medizin

Polymere haben in der Medizin verschiedene Anwendungen, etwa:

• Anwendung in Arzneimittelabgabesystemen, Gefäßstützen, chirurgischen Nähten und Geräten zur Thrombosebehandlung.
• Verwendung in der Behandlung von Aneurysmen, okklusiven arteriellen Erkrankungen und Kieferorthopädie.
• Anwendung in der Dialyse.
• Nutzung zur Stabilisierung von Knochen und Reparatur von Bändern und Sehnen.
• Unterstützung in der Arzneimittelentwicklung durch Reaktion auf externe Reize wie mechanischen Stress, elektrische Einwirkungen und Temperaturänderungen.
• Verwendung in der plastischen Chirurgie zur Vergrößerung des Schädels und Gesichts.
• Anwendung als Ersatz für die Nucleus pulposus.

Anwendungen von Polymeren in der Landwirtschaft

In der Landwirtschaft finden sich folgende Anwendungen für Polymere:

• Produktion von Wasser ohne negative Auswirkungen auf natürliche Ressourcen.
• Verbesserung der Qualität von Insektiziden und Erhöhung der Effizienz von Herbiziden.
• Bereitstellung von Belüftung und Abdeckung, wenn sie dem Boden zugesetzt werden, was das Pflanzenwachstum und die Gesundheit unterstützt.
• Entfernung von Metallionen aus Boden und Wasser.

Anwendungen von Polymeren in Ingenieuranwendungen

Polymere finden in zahlreichen Ingenieuranwendungen Verwendung, wie:

• Bauwesen, Transport und Elektronik.
• Chemische Verarbeitung, da Polymere alternative Materialien zu verschiedenen Metallen und Legierungen darstellen.
• Elektronik- und Maschinenbau.

Anwendungen von Polymeren in biomedizinischen Anwendungen

Polymere spielen eine Rolle in der Herstellung von biomedizinischen Materialien, etwa:

• Herzklappen und Blutgefäße, gefertigt aus Dacron, Teflon und Polyurethan.
• Herstellung von chirurgischen Fäden und Implantaten.
• Produktion von Augenlinsen und Geräten zur Behandlung des Glaukoms.

Zukunft der Polymere im Leben des Menschen

Polymere sind für das Leben der Menschen und dessen Zukunft von entscheidender Bedeutung. Sie verbessern den Lebensstandard durch ihre niedrigen Kosten, verleihen Leichtigkeit, Sicherheit und Haltbarkeit. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle bei der Schaffung von Lösungen für die Herausforderungen, die die Menschheit in Zukunft in Bezug auf Energie, Ressourcen, Nahrung, Gesundheit, Transport, Infrastruktur und Kommunikation gegenübersteht. Dies wird deutlich durch:

• Verwendung in medizinischen Geräten und künstlichen Organen.
• Einsatz zur Energieversorgung und Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien.
• Beitrag zur Schaffung einer wirtschaftlichen Umgebung durch ihre Nutzung in der Vorratshaltung, Essensverpackungen und Lederwaren.
• Anwendung in der Elektronik- und Elektroindustrie, zum Beispiel bei Steckdosen, Isolation von Drähten und Kabeln sowie in der Keramikindustrie.
• Verwendung in der Stammzelltechnologie.
• Anwendung in der Verpackungsindustrie.
• Einsatz in der Automobil- und Raumfahrtindustrie.
• Mitwirkung an der Entwicklung von Computern und Smartphones.
• Unterstützung der Reduzierung fossiler Brennstoffe.