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Polymerisation

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Aufmacherbild für Elastormer: Ein Autoreifen

Grundprinzip

Die Polymerisation ist einer von drei möglichen Mechanismen, nach denen sich Monomere zu einem Polymer vereinigen können. Die beiden anderen Mechanismen sind die Polyaddition und die Polykondensation.

Von einer Polymerisation spricht man, wenn sich die Monomere quasi durch "Aufklappen" ihrer C=C-Doppelbindungen untereinander verknüpfen. Meistens spielen dabei Radikale eine besondere Rolle, wie die folgende Abbildung zeigt.

Grundprinzip der Polymerisation

Grundprinzip der radikalischen Polymerisation

Radikalischer Mechanismus

Hier ist das Grundprinzip der radikalischen Polymerisation dargestellt. In dem Bild sieht man vier Alken-Moleküle R-CH=CH2 (Doppelbindung zwischen den beiden ersten C-Atomen) sowie ein Starter-Radikal. Die Alken-Moleküle sind stark vereinfacht dargestellt; wichtig sind hier nur die C=C-Doppelbindungen. Bei der Polymerisation "klappen" die Doppelbindungen auf, wodurch einfach besetzte Kugelwolken bzw. Orbitale entstehen, die dann die Verbindung zu benachbarten Alken-Einheiten herstellen. Das zuletzt "angebaute" Alken-Molekül hat wieder ein einfach besetztes Orbital ("einsames Elektron"), so dass sich ein weiteres Alken-Molekül anlagern kann. Einzelheiten dazu siehe: radikalische Polymerisation.

Kationischer Mechanismus

Aber nicht nur Radikale können als Starter für eine solche Polymerisation eingesetzt werden. Auch Kationen eignen sich gut dafür. Bei der kationischen Polymerisation lagert sich beispielsweise ein Proton an die C=C-Doppelbindung eines Alken-Derivats, und es entsteht ein Carbenium-Ion als Zwischenprodukt. Dieses Carbenium-Ion hat jetzt elektrophile Eigenschaften, kann sich also selbst wieder an ein anderes Alken-Molekül anlagern, wobei ein größeres Carbenium-Ion entsteht, das sich wieder an ein Alken anlagern kann und so weiter. Einzelheiten dazu siehe: kationische Polymerisation.

Anionischer Mechanismus

Auch wenn es auf den ersten Blick unwahrscheinlich ist: Auch ein Anion kann sich an eine C=C-Doppelbindung anlagern. Dazu muss allerdings eines der beiden C-Atome stark positiv polarisiert sein. Dies geschieht durch funktionelle Gruppen im Molekül, welche die Elektronendichte der Doppelbindung stark verringern, also durch Gruppen mit einem starken -I-Effekt. Einzelheiten dazu siehe: anionische Polymerisation.

Die Polymerisation liefert viele bekannte Kunststoffe

Der Großteil der heutigen Kunststoffe wird durch Polymerisation gewonnen, allein Polyethylen (PE) hat einen Marktanteil von ca. 30%.

Nach dem Prinzip der Polymerisation von Ethen-Derivaten werden folgende wichtige Kunststoffe synthetisiert:

In der Kunststoff-Industrie spielen aber auch Butadien und Butadien-Derivate eine wichtige Rolle:

  • Polybutadien aus Butadien-Monomeren (Buta-1,3-dien)
  • Synthetischer Kautschuk aus Isopren-Monomeren (2-Methyl-buta-1,3-dien)
  • Neopren aus Chloropren-Monomeren (2-Chlor-2-methyl-buta-1,3-dien)
Copolymerisation

Bei der Polymerisation können auch zwei oder drei verschiedene Monomere miteinander reagieren, es entsteht dann ein Copolymerisat. Hier zwei Beispiele:

  • Styrol-Acrylnitril besteht aus Styrol- und Acrylnitril-Monomeren
  • ABS besteht aus Acrylnitril-, Buta-1,3-dien- und Styrol-Monomeren

Kunststoffe aus mehreren Monomeren können auch Misch-Eigenschaften haben. So hat beispielsweise ein Styrol-Butadien-Copolymer sowohl die Eigenschaften eines Elastomers (Polybutadien) wie auch die eines Thermoplasten (Polystyrol).