Struktur von Kunststoffen

Wie im einführenden Kapitel erwähnt, hat sich die Chemie der Kunststoffe in den letzten 100 Jahren von der Strukturaufklärung des Bakelits bis zu den heutigen modernen Kunststoffen (z.B. Nanotubes) als bedeutender Teilbereich entwickelt. Auch wenn im alltäglichen Sprachgebrauch das Wort „Kunststoff“ nicht genau definiert ist, verstehen wir im Grunde unter diesem Begriff die gleichen Stoffe.

Unter Kunststoffen verstehen wir sehr große Moleküle, die aus kleinen Bausteinen (= den Monomeren) zusammengesetzt werden. 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).

Dabei können die Monomere selbst lineare oder verzweigte Moleküle sind, so dass in einem Polymer die einzelnen Strukturteile vernetzt oder unvernetzt vorliegen. Je nach Verzweigungsgrad des Polymers unterscheidet man Thermoplasten und Duroplasten. Allerdings gibt es zwischen den beiden Vernetzungsgraden (Ja/nein) noch einen „mittleren“ Vernetzungszustand, solche Polymere werden als Elastomere bezeichnet.

Bevor wir uns nun mit der Struktur von Kunststoffen näher befassen, noch ein Hinweis: Inzwischen werden bei vielen Kunststoffen auch Zusatzstoffe wie Weichmacher oder Flammschutzmittel hinzugefügt. Dies hat natürlich auch Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften.

Die Struktur von Kunststoffen

Kunststoffe bestehen überwiegend aus Monomeren, die der Organischen Chemie angehören. Daher enthalten Kunststoffe im Wesentlichen Kohlenstoff und Wasserstoffatome, daneben noch Stickstoff-, Sauerstoff- und Halogenatome. Das Grundelement Kohlenstoff, dass in den meisten Kunststoffen enthalten ist, bildet die Grundstruktur (das Skelett) der Verbindung. Daher können die „klassischen“ Kunststoffe (wie Polystyrol, Polypropylen oder Polyethylen) bzw. deren Struktur auch mit den „Struktur- und Bindungsregeln“ der organischen Chemie analysiert werden. So können wie bei organischen Stoffen die Kohlenstoffkette in Kunststoffen linear, verzweigt oder vernetzt sein und haben daher -ähnlich wie organische Stoffe- voneinander völlig verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften.

Wie bei einem „Verbund“ aus kleinen Molekülen zu einer größeren Einheit unterscheiden wir Primär- (z.B. Atombindung) und Sekundärbindungen. Diese Bindungen bestimmen die Eigenschaft des jeweiligen Kunststoffes. Die Primärbindung zwischen den einzelnen Atom- und Atomgruppen innerhalb des Monomers beeinflusst im wesentlichen die chemischen Eigenschaften (z.B. Säurebeständigkeit), während die Sekundärbindung stark die physikalischen Eigenschaften (z.B. Temperaturbeständigkeit) beeinflusst.

Zwischen Kohlenstoffatomen und Wasserstoff-, Sauerstoff- und Halogenatomen handelt es sich bei den Primärbindungen um Atombindungen (Elektronenpaar-Bindung). Die Atombindung basiert darauf, dass beide Bindungspartner „Elektronen“ gemeinsam teilen (Elektronendichte befindet sich zwischen beiden Bindungspartnern) und dadurch zusammengehalten werden. Ohne nun tief in die Bindungstheorien einzugehen (MO-Theorie, LCAO-Methode) gilt: Je stärker die Überlappung der „Orbitale“ der beiden Bindungspartner ist, umso stärker ist die Bindung.

Zwischen den einzelnen „Bereichen“ innerhalb des Polymers, kann es zu den sogenannten Sekundärwechselwirkungen kommen. Als Sekundärbindungen kommen bei Kunststoffen van-der-Waals Kräfte, Dipolkräfte und Wasserstoffbrücken in Betracht:

  • Die Van-der-Waals-Kräfte oder auch als Dispersionskräfte bezeichnet sind Wechselwirkungen, die nur über kurze Entfernungen wirksam sind und zwischen „unpolaren“ Molekülteilchen wirken. Diese Kräfte entstehen dadurch, dass (auch bei einem unpolaren Molekül) der räumliche Schwerpunkt  aus positiver Kernladung und negativen Elektronenhülle nicht immer „ausgeglichen“ d.h. räumlich fixiert ist. So entstehen kurzzeitige und rasch wechselnde Dipolmomente, die nun mit der Elektronenwolke von Nachbaratomen wechselwirken können und sich so gegenseitig anziehen. Die Van-der-Waals-Kraft ist eine ungerichtete Anziehungskraft und ist kaum temperaturabhängig. Dies ist auch mit ein Grund, warum Kunststoffe keinen festen Schmelzpunkt haben, sondern einen Erweichungsbereich. Die Van-der-Waals-Kräfte wirken noch am Erweichungsbereich
  • Dipolkräfte entstehen, wenn in dem Polymer ein permanentes Dipolmoment vorhanden ist. Dies ist in der Regel der Fall, wenn Bindungspartner eine Elektronegativitätsdifferenz aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist das Polyvinylchlorid. Zwischen dem negativ polarisierten Chlor- und dem positiv polarisierten Kohlenstoffatom baut sich ein „Dipol“ aus. Dieser „Dipol“ kann mit anderen polaren Molekülteilen wechselwirken. Die sich ausbildenden Dipolkräfte sind deutlich stärker als Van-der-Waals-Kräfte. Die Dipolkräfte sorgen für einen stärken Zusammenhalt der Polymerketten und „verursachen“ dadurch auch eine deutlich höhere Schmelz- bzw. Erweichungstemperatur.
  • Wasserstoffbrücken sind die stärksten sekundären Wechselwirkungen und wirken zwischen Wasserstoffatomen und stark elektronegativen Atomen wir Sauerstoff, Stickstoff oder Fluor. Die Wasserstoffbrücken sind starke gerichtete Anziehungskräfte. Dies erklärt z.B. die Festigkeit von Cellulose (einem natürlichen Polymer).

Hinweis: Grundsätzlich ist es schwer, allgemein über die Struktur von Kunststoffen Regeln bzw. Trends aufzustellen. Die Stärke der Sekundärbindungen und damit der Einfluss auf wesentliche physikalische Eigenschaften (wie Schmelztemperatur) sind abhängig von der Größe und der Gestalt des Kunststoffs. Darüber hinaus spielt die Vernetzung der Monomere sowie äußere Einflüsse ebenfalls eine wichtige Rolle.

Allgemein gilt: Die Primärbindungen bilden das Monomer bzw. Polymer und ergeben damit die Molekülgestalt und Molekülgröße. Dabei sind die Gestalt bzw. Größe des Polymers abhängig von der Art der Monomere und den Herstellungsbedingungen. Dabei können die Strukturen innerhalb des Polymers linear, verzweigt oder vernetzt sein. Die Molekülgestalt und Molekülgröße beeinflusst wiederum die Sekundärbindungen. Diese Sekundärbindungen wiederum beeinflussen die mechanischen und thermischen Eigenschaften.

  • Thermoplaste: Thermoplaste sind in der Regel lange, lineare Molekülketten mit schwachen Sekundärbindugen, die untereinander wechselwirken. Da Thermoplasten unverzweigte Polymerketten beinhalten, sind Thermoplaste (nach der Reaktion) lange fadenförmige Polymere. Aufgrund dieser Struktur (die einzelnen Polymerketten werden durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten). Daher lassen sich Thermoplasten beim Erwärmen auch verformen (Hinweis: auch unverzweigte Polymere können vernetzt vorliegen, so können beispielsweise Polymerketten durch Wasserstoffbrücken „zusammengehalten“ werden).
  • Duroplaste: Duroplasten bilden ein räumlich engmaschiges Gitter aus Makromolekülen. Bei Duroplasten sind die Monomere -im Gegensatz zu den Thermoplasten- miteinander vernetzt. Diese Vernetzung erfolgt durch Primärbindungen (Atombindungen) und nicht durch Sekundärbindungen. Daher haben Duroplasten einen höheren Schmelz- bzw. Erweichungspunkt als Thermoplasten. Duroplasten verändern bei Erwärmung nicht ihre Struktur.
  • Elastomere: Bei Elastomeren liegt ein weitmaschig vernetztes Makromoleküle vor. Die Ketten der Makromoleküle bilden Knäule, die beim Dehnen auseinandergezogen werden und beim Loslassen sich wieder verknäulen (kehren in die ursprüngliche Form zurück). Werden Elastomere im angespannten Zustand erwärmt, schrumpfen sie.