Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen

Transkript

1 Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen

2 Sebastian Koltzenburg Michael Maskos Oskar Nuyken Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen Mit einem Vorwort von Rolf Mülhaupt

3 Sebastian Koltzenburg BASF SE, Advanced Materials and Systems Research Ludwigshafen Deutschland Oskar Nuyken Wacker-Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie TU München Garching Deutschland Michael Maskos IMM, Institut für Mikrotechnik Mainz Mainz Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Planung und Lektorat: Merlet Behncke-Braunbeck, Dr. Meike Barth Redaktion: Dr. Angelika Fallert-Müller Grafiken: Dr. Martin Schneider, Dr. Carola Ganter Einbandabbildung: Mit freundlicher Genehmigung von Gurit Einbandentwurf: deblik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.

4 V Vorwort Kleine Moleküle haben als Wirkstoffe das Leben der Menschen verlängert, Makromoleküle als polymere Werk- und Effektstoffe bringen hohe Lebensqualität und machen Hightech für alle Menschen verfügbar. Aus den Ersatzstoffen für Elfenbein, Seide und Naturkautschuk sind moderne polymere Materialien hervorgegangen, die sich anwendungsgerecht maßschneidern und formen lassen. Ihr breites Anwendungsspektrum reicht von Lebensmittelverpackungen, Baustoffen, Textilfasern, Kunststoffen für den Fahrzeugbau, Elastomeren, Farben, Lacken und Klebstoffen bis hin zur Systemintegration von Funktionspolymeren in Elektronik, Energie-, Mikrosystem- und Medizintechnik. Die einzigartige Vielseitigkeit bei Eigenschaften, Verarbeitungsprozessen, Anwendungen und Wiederverwertung, gepaart mit hoher Ressourcen-, Öko-, Energie- und Kosteneffizienz, wird von keiner anderen Materialklasse auch nur annährend erreicht und setzt neue Maßstäbe für nachhaltige Entwicklungen. Heute sind polymere Materialien aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Der Erfolg der Kunststoffe und nicht zuletzt der hohe Bedarf der anwachsenden Weltbevölkerung nach Lebensqualität zeigt sich in der rasant ansteigenden Kunststoffproduktion, die heute bereits 300 Mio. t pro Jahr überschreitet. Nach Stein-, Bronze- und Eisenzeit leben wir zu Beginn des 21. Jahrhunderts im Kunststoffzeitalter. Wer sich mit nachhaltigen Entwicklungen befasst, wird zunehmend mit natürlichen und synthetischen Makromolekülen und deren Anwendungen konfrontiert. In fast allen Technologiefeldern spielen polymere Werk- und Effektstoffe beim Erarbeiten von Problemlösungen eine sehr zentrale Rolle. Um vom Molekül zum Material und zu nachhaltigen Produkten zu gelangen, ist das eingehende Verständnis der grundlegenden Zusammenhänge zwischen molekularem Polymerdesign, Kunststofftechnik, Anwendung und Nachhaltigkeit unabdingbare Voraussetzung. Viele konventionelle Lehrbücher bleiben dem traditionellen chemischen oder physikalischen Denken verhaftet. Hier setzt das vorliegende Lehrbuch neue Maßstäbe und eröffnet den Blick über die Grenzen der einzelnen Disziplinen hinaus in die faszinierende Welt der modernen polymeren Materialien und ihre Anwendungspotenziale. Es wird beim Lesen rasch deutlich, dass alle drei Autoren über langjährige Lehr- und Forschungserfahrung auf dem breiten Feld der Polymerwissenschaften, Didaktik und Gespür für die Anwendungsrelevanz verfügen. Das Team hat seine komplementären Expertisen und unterschiedlichen Sichtweisen wirkungsvoll zusammengeführt. Es ist den drei Autoren erfolgreich gelungen, das umfangreiche und stetig wachsende Gebiet der Polymerwissenschaften kompakt und dennoch leserfreundlich in 22 Kap. darzustellen und zu vermitteln. Neben dem Grundlagenwissen in makromolekularer Chemie und Polymerphysik wird sehr anschaulich auf die technologischen Aspekte und die Methodik beim Maßschneidern von polymeren Materialien einschließlich von Mehrkomponentensystemen eingegangen. Auch moderne Themen wie Polymere und Umwelt, Recycling, Biopolymere und aktuelle Trends in den modernen Polymerwissenschaften werden eingehend und anschaulich besprochen, vielfach illustriert durch

5 VI Vorwort konkrete Anwendungsbeispiele. Ergebnis dieser Gemeinschaftsproduktion der drei Autoren ist ein methodisch geschickt konzipiertes und sehr gut lesbares Lehrbuch, das auf den Schreibtischen aller Polymerwissenschaftlerinnen und Polymerwissenschaftler nicht fehlen darf. Inhaltlich und didaktisch ist hier ein Lehrbuch entstanden, das sowohl für Studierende und Einsteiger, die zum ersten Mal mit diesem Gebiet in Berührung kommen, als auch für Fortgeschrittene eine unentbehrliche Hilfe sein wird. Der Umfang des Buches ist der Komplexität und der Breite des Gebietes angemessen. Trotz der erforderlichen Detailtiefe liest es sich hervorragend, und ich bin davon überzeugt, dass es sich als eines der Standardwerke für dieses Themenfeld etablieren wird. Rolf Mülhaupt Freiburg, im Juni 2013

6 VII Danksagung An dieser Stelle möchten wir uns herzlich für die unermüdliche Unterstützung unserer Arbeit durch Dr. Carola Gantner und Dr. Martin Schneider bedanken. Diese haben mit großer Ausdauer unsere Text- und Bildvorgaben in die vom Verlag gewünschte Form überführt und zur didaktischen Darstellung zahlreiche Verbesserungen vorgeschlagen. Unsere Freunde und Kollegen Professor Dr. Klaus Meerholz, Professor Dr. Stefan Spange, Professor Dr. Werner Goedel, Priv.-Doz. Dr.Gerhard Maier, Dr. Jens Rieger, Dr. Dietrich Scherzer, Dr. Robert Loos, Dr. Carsten Sinkel, Dr. Konrad Knoll und Dr. Thomas Frechen haben uns bei der Abfassung spezifischer Kapitel unterstützt, wofür wir uns an dieser Stelle ausdrücklich bedanken möchten. Danken möchten wir auch unseren»probelesern«, die uns geholfen haben, grobe Schnitzer zu vermeiden, namentlich Dr. Julia Müller, Dr. Ulrike Will, Patrick Feicht, Regina Bleul, Dr. Annabelle Bertin, Olga Koshkina, Alexandros Eslahian, Thomas Lang und Raphael Thiermann. Frau Dr. Marion Hertel, Frau Merlet Behncke-Braunbeck und Frau Dr. Meike Barth vom Springer-Verlag danken wir für ihr Verständnis für unseren etwas relativistisch geprägten Umgang mit Einreichungsfristen. Nicht zuletzt bedanken wir uns bei unseren Familien, deren Geduld von uns während der Schreibphase auf eine harte Probe gestellt wurde und von denen wir dennoch immer wieder Zuspruch erfahren haben. Trotz aller Sorgfalt bei der Abfassung der Kapitel wird es sich nicht vermeiden lassen, dass sich auch in dieses Werk Fehler eingeschlichen haben. Wir danken daher Ihnen, liebe Leserinnen und Leser, für Ihre Nachsicht und insbesondere auch für einen kurzen Hinweis auf Verbesserungspotenziale jeglicher Art an die Mailadresse Sebastian Koltzenburg Michael Maskos Oskar Nuyken

7 IX Inhaltsverzeichnis 1 Einführung und grundlegende Begriffe Polymere einzigartige Materialien Begriffsbestimmungen und grundlegende Definitionen Polymerarchitekturen Literatur Polymere in Lösung Kettenmodelle Kettensteifigkeit Entropieelastizität Thermodynamik von Polymerlösungen Literatur Polymeranalytik: Molmassenbestimmung Definition von Molmassenkennzahlen Absolutmethoden Relativmethoden Literatur Polymere im festen Zustand Phasenübergänge in polymeren Festkörpern Verfahren zur Bestimmung von T G und T m Literatur Teilkristalline Polymere Faktoren, die die Schmelztemperatur beeinflussen Morphologie teilkristalliner Polymere Kristallisationskinetik Literatur Amorphe Polymere Mechanisches Verhalten von amorphen Polymeren bei Erwärmung Der amorphe Zustand Der Glasübergang Faktoren, die die Glasübergangstemperatur beeinflussen Fließverhalten von Polymerschmelzen Viskoelastizität Literatur Polymere als Werkstoffe Bruchverhalten Kunststoffe nach Maß Vernetzte Materialien

8 X Inhaltsverzeichnis 7.4 Polymeradditive Literatur Stufenwachstumsreaktion Unterschiede zwischen Stufen- und Kettenwachstumsreaktionen Molmasse, Polymerisationsgrad und Molmassenverteilung Lineare, verzweigende und vernetzende Stufenwachstumsreaktionen Kinetik der Stufenwachstumsreaktion Typische Polykondensate Technisch relevante, vernetzende Systeme Literatur Radikalische Polymerisation Mechanismus Kinetik der radikalischen Polymerisation Polymerisationsgrad Molmassenverteilung Kontrollierte radikalische Polymerisation (CRP) Literatur Ionische Polymerisation Kationische Polymerisation Anionische Polymerisation Literatur Katalytische Polymerisation Polymerisierbarkeit von α-olefinen Ziegler-Katalysatoren Homogene Polymerisationskatalysatoren Katalysatoren auf Basis später Übergangsmetalle Technische Verfahren Cycloolefin-Copolymere Olefinmetathese Copolymerisation mit polaren Comonomeren Literatur Ringöffnende Polymerisation Allgemeine Merkmale Radikalische ringöffnende Polymerisation Kationische ringöffnende Polymerisation Anionische ringöffnende Polymerisation Ringöffnende Metathesepolymerisation (ROMP) Ringöffnung von Phosphazenen Literatur Copolymerisation Copolymerisationsgleichung nach Mayo und Lewis Copolymerisationsdiagramme und Copolymerisationsparameter

9 Inhaltsverzeichnis XI 13.3 Alternierende Copolymerisation Ideale Copolymerisation Beeinflussung des Einbauverhältnisses der Monomere Experimentelle Bestimmung der Copolymerisationsparameter Das Q, e-schema von Alfrey und Price Copolymerisationsgeschwindigkeit Block- und Pfropfcopolymere Technisch wichtige Copolymere Strukturaufklärung von statistischen Copolymeren, Block- und Pfropfcopolymeren Literatur Wichtige Polymere durch Kettenwachstumspoly merisation Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polyisobutylen (PIB) Polyvinylchlorid (PVC) Polystyrol (PS) Polymethylmethacrylat (PMMA) Polyacrylnitril (PAN) Polyoxymethylen (POM) Polytetrafluorethylen (PTFE) Polydiene Chemie an Polymeren Polymeranaloge Reaktionen Vernetzungsreaktionen Alterungsprozesse in polymeren Materialien Literatur Technische Verfahren Übersicht Polymerisation in Masse Lösungs- und Fällungspolymerisation Suspensionspolymerisation Emulsionspolymerisation Gasphasenpolymerisation Literatur Grundlagen der Kunststoffverarbeitung Urformprozesse Faserverstärkte Kunststoffe Schaumstoffe Fasern Umformverfahren Fügeverfahren Sonstige Verarbeitungsschritte Literatur

10 XII Inhaltsverzeichnis 18 Elastomere Permanent vernetzte Elastomere Eigenschaften Entropieelastizität Elastomer-Additive Verarbeitung Technisch wichtige Elastomer-Typen Thermoplastische Elastomere Polyamid-12-Elastomere Flüssigkristalline Elastomere Funktionale Polymere Polymere Dispergiermittel Flockungsmittel Amphiphile Systeme zur Oberflächenfunktionalisierung Verdicker Superabsorber Polymere zur Formulierung von Wirkstoffen Literatur Flüssigkristalline Polymere Der flüssigkristalline Zustand Lyotrope Flüssigkristalle Thermotrope Flüssigkristalle Flüssigkristalline Strukturen Charakterisierung von Mesophasen Flüssigkristalline Polymere Literatur Polymere und Umwelt Einführung und Begriffsbestimmungen Optionen des Kunststoffrecyclings Kunststoffe und Energie Biopolymere Aktuelle Trends in den Polymerwissenschaften Nanokomposite Elektrospinning ein einfacher Weg zu Nanofasern Spinning-Disk-Reaktor (SDR) Polymere für Organische Leuchtdioden (oleds) Polymere Membranen für Brennstoffzellen »Smart polymers«in der Erdölförderung Graphen als Nanofüllstoff Literatur Stichwortverzeichnis