Die Polyadditionsreaktion – Herstellung von Kunststoffen

Um einen Kunststoff aus einer Vielzahl an Polymeren aufzubauen, gibt es im Wesentlichen drei „Herstellungsverfahren“: Polymerisation, Polyaddition und Polykondensation. Alle diese Herstellungsverfahren haben gleich, dass aus Monomeren sogenannte Polymere entstehen. Bei der Polyaddition reagieren mind. zwei unterschiedliche Monomere miteinander, während bei der Polymerisation die Polymere aus dem immer gleichen Monomer hergestellt werden. Bei der Polykondensation reagieren zwei unterschiedliche Monomere miteinander unter Abspaltung eines kleinen Moleküls (z.B. Wasser).

Die Polyadditionsreaktion

Wie bei der Polykondensation weisen die Monomere auch bei der Polyaddition reaktionsfähige funktionelle Gruppen auf. Ähnlich wie bei der Polykondensation entstehen bei bifunktionellen Gruppen lineare, thermoplastische Polymere und bei trifunktionellen Gruppen vernetzte, duroplastische Makromoleküle. Durch Polyaddition entstandene Kunststoffe nennt man Polyaddukte

Polyaddition
Abbildung: Polyaddition von Diisocyanaten mit mehrwertigen Alkoholen bildet Polyurethane

Anders als bei der Polykondensation entstehen bei der Polyaddition keine Nebenprodukte (durch Abspaltung kleinerer Moleküle bei der Addition), sondern es entsteht nur das entsprechende Polymer.Bei der Polyaddition wird (ähnlich wie bei der Startreaktion in der Polymerisationsreaktion) das Monomer in einen reaktiven Zustand überführt, meist durch die Polarisierung der funktionellen Gruppe (wobei hier in der Regel ein Kohlenstoffatom „positiviert“ wird, so dass ein „Nukleophil“ angreifen kann). Typische Reaktionsprodukte der Polyadditionsreaktion sind Polyurethane, Aldole und Epoxidharze.

Im ersten Schritt der Polyaddition wird die „Reaktivität“ der Monomere erhöht. Dies erfolgt in der Regel unter dem katalytischen Einfluss von Säuren oder Basen. Dabei kommt es in der Regel immer zu einer „Wanderung“ eines Wasserstoffatoms, wobei eine Polarisierung (mit einer Positiverung des Kohlenstoffatoms) der funktionellen Gruppe erfolgt. Wie auch bei der Polykondensation ist die Polyaddition eine Stufenreaktion und unterliegt daher den gleichen kinetischen Gesetzmäßigkeiten, wie die Polykondensation. Stufenreaktion bedeutet, dass nicht nur Edukte (=> Monomere) an der Polyaddition teilnehmen, sondern gebildete Dimere über die funktionellen Gruppen mit anderen „Fragmenten“ reagieren können. Zur „Aktivierung“ einer Polyadditionsreaktion wird neben des Katalysators auch Aktivierungsenergie in Form von Wärme benötigt (teilweise ist Raumtemperatur ausreichend).

Damit eine Polymerkette entsteht bzw. eine Polymerkette „wächst“, werden bei der Polyaddition zwei funktionelle Gruppen benötigt, (jeweils als Endgruppe am Monomer). Eine Addition bedeutet, dass die funktionelle Gruppe eine Doppelbindung (z.B. C=O) aufweisen muss, welche mit einer geeigneten funktionellen Gruppe eines anderen/weiteren Monomers reagiert. Anders als bei der Polymerisation (die immer exotherm abläuft), ist die bei der Polyaddition frei werdende Wärme unterschiedlich groß (teilweise wird keine Wärme abgegeben).

Im Gegensatz zur Polymerisationsreaktion kann die Polyaddition nicht durch Zugabe von Radikalfängern „abgebrochen“ werden. Wie erwähnt, werden bei der Polyaddition Monomere mit jeweils zwei funktionellen Gruppen benötigt. Damit ein Kettenwachstum abläuft, müssen diese funktionellen Gruppen in einem bestimmten Mengenverhältnis vorliegen. Damit eine Polyaddition abläuft wird in der Regel „Wärme“ benötigt, die Reaktion läuft als nur einer gewissen Temperatur ab (dies kann auch Raumtemperatur sein). Daher kann eine Polyadditionsreaktion durch Abkühlen unter diese Temperaturschwelle „gestoppt“ werden (Achtung: steigt die Temperatur an,  so läuft die Reaktion weiter ab, bis die funktionellen Gruppen bzw. Monomere nicht mehr in einem zueinander passenden Verhältnis vorliegen).