Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen

610 Pages·2014·30.85 MB·German

by  Sebastian Koltzenburg

Polymere: Synthese, Eigenschaften
und Anwendungen
Sebastian Koltzenburg
Michael Maskos
Oskar Nuyken
Polymere:
Synthese,
Eigenschaften und
Anwendungen
Mit einem Vorwort von Rolf Mülhaupt
Sebastian Koltzenburg Oskar Nuyken
BASF SE, Advanced Materials Wacker-Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie
and Systems Research TU München
Ludwigshafen Garching
Deutschland Deutschland
Michael Maskos
IMM, Institut für Mikrotechnik Mainz
Mainz
Deutschland
ISBN 978-3-642-34772-6 ISBN 978-3-642-34773-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-34773-3
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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
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V
Vorwort
Kleine Moleküle haben als Wirkstoffe das Leben der Menschen verlängert, Ma-
kromoleküle als polymere Werk- und Effektstoffe bringen hohe Lebensqualität
und machen Hightech für alle Menschen verfügbar. Aus den Ersatzstoffen für El-
fenbein, Seide und Naturkautschuk sind moderne polymere Materialien hervor-
gegangen, 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 Maß-
stäbe für nachhaltige Entwicklungen. Heute sind polymere Materialien aus unse-
rem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Der Erfolg der Kunststoffe und
nicht zuletzt der hohe Bedarf der anwachsenden Weltbevölkerung nach Lebens-
qualität zeigt sich in der rasant ansteigenden Kunststoffproduktion, die heute be-
reits 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 natürli-
chen 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 Ver-
ständnis der grundlegenden Zusammenhänge zwischen molekularem Polymer-
design, Kunststofftechnik, Anwendung und Nachhaltigkeit unabdingbare Voraus-
setzung. 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 hin-
aus in die faszinierende Welt der modernen polymeren Materialien und ihre An-
wendungspotenziale. Es wird beim Lesen rasch deutlich, dass alle drei Autoren
über langjährige Lehr- und Forschungserfahrung auf dem breiten Feld der Poly-
merwissenschaften, Didaktik und Gespür für die Anwendungsrelevanz verfügen.
Das Team hat seine komplementären Expertisen und unterschiedlichen Sicht-
weisen wirkungsvoll zusammengeführt. Es ist den drei Autoren erfolgreich gelun-
gen, 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 Mehrkomponen-
tensystemen eingegangen. Auch moderne Themen wie Polymere und Umwelt,
Recycling, Biopolymere und aktuelle Trends in den modernen Polymerwissen-
schaften werden eingehend und anschaulich besprochen, vielfach illustriert durch
VI Vorwort
konkrete Anwendungsbeispiele. Ergebnis dieser Gemeinschaftsproduktion der
drei Autoren ist ein methodisch geschickt konzipiertes und sehr gut lesbares Lehr-
buch, das auf den Schreibtischen aller Polymerwissenschaftlerinnen und Polymer-
wissenschaftler 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 unent-
behrliche 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 Standard-
werke für dieses Themenfeld etablieren wird.
Rolf Mülhaupt
Freiburg, im Juni 2013
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 Ver-
lag gewünschte Form überführt und zur didaktischen Darstellung zahlreiche Ver-
besserungen vorgeschlagen.
Unsere Freunde und Kollegen Professor Dr. Klaus Meerholz, Professor Dr. Stefan
Spange, Professor Dr. Werner Goedel, Priv.-Doz. Dr.Gerhard Maier, Dr. Jens Rie-
ger, Dr. Dietrich Scherzer, Dr. Robert Loos, Dr. Carsten Sinkel, Dr. Konrad Knoll
und Dr. Thomas Frechen haben uns bei der Abfassung spezifischer Kapitel unter-
stützt, wofür wir uns an dieser Stelle ausdrücklich bedanken möchten.
Danken möchten wir auch unseren »Probelesern«, die uns geholfen haben, gro-
be 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 rela-
tivistisch geprägten Umgang mit Einreichungsfristen.
Nicht zuletzt bedanken wir uns bei unseren Familien, deren Geduld von uns wäh-
rend der Schreibphase auf eine harte Probe gestellt wurde und von denen wir den-
noch 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 [email protected].
Sebastian Koltzenburg
Michael Maskos
Oskar Nuyken
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung und grundlegende Begriffe .......................................... 1
1.1 P olymere – einzigartige Materialien ................................................. 3
1.2 B egriffsbestimmungen und grundlegende Definitionen ............................. 4
1.3 P olymerarchitekturen ............................................................... 8
Literatur ............................................................................ 18
2 Polymere in Lösung ................................................................ 19
2.1 K ettenmodelle ...................................................................... 20
2.2 K ettensteifigkeit .................................................................... 25
2.3 E ntropieelastizität .................................................................. 27
2.4 T hermodynamik von Polymerlösungen .............................................. 28
Literatur ............................................................................ 41
3 Polymeranalytik: Molmassenbestimmung ....................................... 43
3.1 D efinition von Molmassenkennzahlen ............................................... 44
3.2 Absolutmethoden .................................................................. 47
3.3 Relativmethoden ................................................................... 85
Literatur ............................................................................ 96
4 Polymere im festen Zustand ....................................................... 97
4.1 P hasenübergänge in polymeren Festkörpern ........................................ 99
4.2 Verfahren zur Bestimmung von T und T ........................................... 102
G m
Literatur ............................................................................ 108
5 Teilkristalline Polymere ............................................................ 109
5.1 F aktoren, die die Schmelztemperatur beeinflussen .................................. 110
5.2 M orphologie teilkristalliner Polymere ............................................... 117
5.3 K ristallisationskinetik ............................................................... 120
Literatur ............................................................................ 121
6 Amorphe Polymere ................................................................. 123
6.1 M echanisches Verhalten von amorphen Polymeren bei Erwärmung .................. 124
6.2 D er amorphe Zustand ............................................................... 125
6.3 D er Glasübergang .................................................................. 126
6.4 F aktoren, die die Glasübergangstemperatur beeinflussen ............................ 127
6.5 Fließverhalten von Polymerschmelzen .............................................. 131
6.6 Viskoelastizität ..................................................................... 137
Literatur ............................................................................ 144
7 Polymere als Werkstoffe ........................................................... 145
7.1 B ruchverhalten ..................................................................... 146
7.2 K unststoffe nach Maß ............................................................... 148
7.3 V ernetzte Materialien ............................................................... 159
X Inhaltsverzeichnis
7.4 P olymeradditive .................................................................... 164
Literatur ............................................................................ 168
8 Stufenwachstumsreaktion ......................................................... 169
8.1 U nterschiede zwischen Stufen- und Kettenwachstumsreaktionen .................... 170
8.2 M olmasse, Polymerisationsgrad und Molmassenverteilung .......................... 172
8.3 L ineare, verzweigende und vernetzende Stufenwachstumsreaktionen ............... 181
8.4 K inetik der Stufenwachstumsreaktion ............................................... 189
8.5 T ypische Polykondensate ........................................................... 195
8.6 T echnisch relevante, vernetzende Systeme .......................................... 209
Literatur ............................................................................ 216
9 Radikalische Polymerisation ....................................................... 217
9.1 M echanismus ....................................................................... 219
9.2 K inetik der radikalischen Polymerisation ............................................ 223
9.3 P olymerisationsgrad ................................................................ 232
9.4 M olmassenverteilung ............................................................... 240
9.5 K ontrollierte radikalische Polymerisation (CRP) ...................................... 247
Literatur ............................................................................ 257
10 Ionische Polymerisation ........................................................... 259
10.1 Kationische Polymerisation ......................................................... 260
10.2 Anionische Polymerisation .......................................................... 278
Literatur ............................................................................ 310
11 Katalytische Polymerisation ....................................................... 311
11.1 Polymerisierbarkeit von α-Olefinen .................................................. 312
11.2 Ziegler-Katalysatoren ............................................................... 312
11.3 Homogene Polymerisationskatalysatoren ........................................... 318
11.4 Katalysatoren auf Basis später Übergangsmetalle .................................... 325
11.5 T echnische Verfahren ............................................................... 326
11.6 C ycloolefin-Copolymere ............................................................. 327
11.7 O lefinmetathese .................................................................... 329
11.8 C opolymerisation mit polaren Comonomeren ....................................... 336
Literatur ............................................................................ 338
12 Ringöffnende Polymerisation ..................................................... 341
12.1 Allgemeine Merkmale ............................................................... 342
12.2 Radikalische ringöffnende Polymerisation ........................................... 342
12.3 Kationische ringöffnende Polymerisation ............................................ 347
12.4 A nionische ringöffnende Polymerisation ............................................ 355
12.5 R ingöffnende Metathesepolymerisation (ROMP) ..................................... 362
12.6 Ringöffnung von Phosphazenen .................................................... 363
Literatur ............................................................................ 366
13 Copolymerisation ................................................................... 367
13.1 Copolymerisationsgleichung nach Mayo und Lewis .................................. 369
13.2 Copolymerisationsdiagramme und Copolymerisationsparameter .................... 372
XI
Inhaltsverzeichnis
13.3 Alternierende Copolymerisation .................................................... 375
13.4 Ideale Copolymerisation ............................................................ 377
13.5 Beeinflussung des Einbauverhältnisses der Monomere .............................. 378
13.6 Experimentelle Bestimmung der Copolymerisationsparameter ...................... 379
13.7 Das Q, e-Schema von Alfrey und Price ............................................... 383
13.8 Copolymerisationsgeschwindigkeit ................................................. 385
13.9 Block- und Pfropfcopolymere ....................................................... 387
13.10 T echnisch wichtige Copolymere ..................................................... 397
13.11 Strukturaufklärung von statistischen Copolymeren, Block- und Pfropfcopolymeren .. 397
Literatur ............................................................................ 399
14 Wichtige Polymere durch Kettenwachstumspoly merisation ................... 401
14.1 Polyethylen (PE) .................................................................... 403
14.2 Polypropylen (PP) ................................................................... 407
14.3 Polyisobutylen (PIB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
14.4 Polyvinylchlorid (PVC) .............................................................. 411
14.5 Polystyrol (PS) ...................................................................... 413
14.6 Polymethylmethacrylat (PMMA) ..................................................... 417
14.7 Polyacrylnitril (PAN) ................................................................. 418
14.8 P olyoxymethylen (POM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
14.9 P olytetrafluorethylen (PTFE) ........................................................ 420
14.10 Polydiene ........................................................................... 422
15 Chemie an Polymeren .............................................................. 427
15.1 Polymeranaloge Reaktionen ........................................................ 428
15.2 Vernetzungsreaktionen ............................................................. 433
15.3 Alterungsprozesse in polymeren Materialien ........................................ 439
Literatur ............................................................................ 446
16 Technische Verfahren .............................................................. 447
16.1 Übersicht ........................................................................... 448
16.2 Polymerisation in Masse ............................................................ 448
16.3 Lösungs- und Fällungspolymerisation ............................................... 449
16.4 Suspensionspolymerisation ......................................................... 450
16.5 E mulsionspolymerisation ........................................................... 452
16.6 G asphasenpolymerisation .......................................................... 460
Literatur ............................................................................ 460
17 Grundlagen der Kunststoffverarbeitung ......................................... 461
17.1 Urformprozesse ..................................................................... 462
17.2 Faserverstärkte Kunststoffe ......................................................... 475
17.3 Schaumstoffe ....................................................................... 477
17.4 Fasern .............................................................................. 486
17.5 Umformverfahren ................................................................... 490
17.6 Fügeverfahren ...................................................................... 491
17.7 Sonstige Verarbeitungsschritte ...................................................... 496
Literatur ............................................................................ 496