Eine Einführung in amorphe Polymere

Glas scheint zwar eine feste Substanz zu sein – es ist bei Raumtemperatur hart und spröde – aber Glas weist andere Eigenschaften auf, die es einzigartig machen, weshalb Chemiker es als amorphen Feststoff einstufen. Amorphe Festkörper sind solche, die eine Nahordnung, aber keine Fernordnung haben. In diesem Fall bezieht sich die Ordnung darauf, wie die Atome im Material angeordnet sind, und in Glas sind die Atome nicht in einem bestimmten Gittermuster angeordnet. Stattdessen sind sie lose miteinander vernetzt, sodass die Abstände zwischen den Atomen erheblich variieren können, im Gegensatz zu kristallinen Materialien, wo die Atomabstände viel konsistenter sind.

Natürlich ist Glas kein Polymer, obwohl sein Verhalten hilfreich sein kann, um die Funktionsweise von Polymeren zu verstehen (wir verwenden sogar Begriffe wie „Glasübergang“ und „glasiger Zustand“, wenn wir über Polymere sprechen, wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden). Genauso wie herkömmliche, nicht-polymere Feststoffe in kristallin und amorph eingeteilt werden können, können auch Polymere eingeteilt werden. Amorphe Polymere haben erwartungsgemäß auch keine Nahordnung, aber anstatt an einzelne Atome zu denken, müssen wir an lange Atomketten denken, die ein entscheidendes Merkmal von Polymeren sind. Angesichts dieser Unterscheidung würden wir sagen, dass die Ketten in amorphen Polymeren zufällig verheddert sind, wie ein Teller voller gekochter Spaghetti-Nudeln. Ketten in kristallinen Polymeren richten sich in geordneten gefalteten Stapeln aus, die als Lamellen bekannt sind. Lamellen bringen weitreichende Ordnung in Polymere, was eher der geordneten Anordnung von Atomen in typischen Kristallen entspricht.

Eine der wichtigsten Eigenschaften amorpher Polymere ist die Glasübergangstemperatur (T _g ). Die Glasübergangstemperatur ist ähnlich dem Schmelzpunkt, aber nicht genau gleich. Ein Schmelzpunkt ist im Allgemeinen eine diskrete Temperatur, die anzeigt, wann ein Material von der festen Phase in die flüssige Phase übergeht. Zum Beispiel beträgt der Schmelzpunkt von Polypropylen, einem kristallinen Polymer, 175 °C (347 °F).

Die Glasübergangstemperatur bezieht sich auf die Temperatur, bei der ein Polymer von einem glasigen Zustand in einen gummiartigen Zustand übergeht. Die Glasübergangstemperatur eines bestimmten Polymers kann als einzelne Temperatur aufgeführt werden, aber dieser Wert stellt einen Bereich dar, mit Anfangs- und Endtemperaturen, die mehr als 10 Grad dazwischen liegen können. Die Glasübergangstemperatur beeinflusst das Verhalten eines fertigen Polymers und ist daher äußerst wichtig. Schauen wir uns ein paar Beispiele an:

• Betrachten wir zunächst ein Polystyrol-Polymer mit einem hohen T _g etwa 105 °C (220 °F). Ein Polystyrolpolymer wäre bis etwa 100 °C in einem glasartigen Zustand. Bei Raumtemperatur, die etwa 25 °C (77 °F) beträgt, wäre das Polymer hart, spröde und fest. Auf atomarer Ebene würden wir nur sehr wenig Bewegung um die Bindungen herum sehen, die die Atome zusammenhalten. Wenn sich die Temperatur 100 °C nähert, würde die Bewegung um die Bindungen herum zunehmen und das Material würde weniger glasartig und mehr gummiartig werden.

• Betrachten wir als nächstes ein Polybutadien-Polymer mit einem niedrigen T _g , sagen wir -85°C (-121°F). Jetzt würden wir etwas anderes sehen. Die Raumtemperatur wäre weit höher als seine Glasübergangstemperatur, so dass das Polymer bei 25 °C weicher, gummiartig und elastisch wäre. Und es gäbe deutlich mehr Bewegung um die Atombindungen. Um den glasigen Zustand dieses Polymers zu erreichen, müssten wir die Temperatur unter -85°C senken, was ziemlich kalt ist.

Es sollte auch beachtet werden, dass einige Polymere nicht vollständig amorph sind – sie sind teilweise kristallin und teilweise amorph. Wir werden dies im nächsten Abschnitt behandeln.

Die meisten amorphen Polymere sind nicht vollständig amorph. Gleichzeitig sind die meisten kristallinen Polymere nicht vollständig kristallin. Chemiker beziehen sich oft auf den Kristallinitätsgrad eines Polymers, um zu beschreiben, wo es sich in diesem Spektrum befindet. Die Kristallinität kann von 0 Prozent (völlig amorph) bis 100 Prozent (völlig kristallin) reichen, aber die meisten Polymere liegen irgendwo zwischen diesen Extremen. Dies ist wichtig, da die physikalischen Eigenschaften eines Polymers wie Dichte, Duktilität und Streckgrenze stark davon abhängen, wie amorph oder kristallin es ist.

Chemiker verwenden eine Vielzahl von Techniken, um den Kristallinitätsgrad in Polymeren zu messen. Dazu gehören Dichtemessungen, thermische Analysen und die Untersuchung von Röntgenbeugungsmustern. Jede dieser Methoden beruht auf anderen Prinzipien, was bedeutet, dass die Messungen leicht unterschiedlich sein können. Infolgedessen sammeln Forscher häufig Daten mit mehr als einer Technik, um den geeigneten Kristallinitätsbereich zu bestätigen und Diskrepanzen zu berücksichtigen.

Die Molekülstruktur eines Polymers – und der Kristallinitätsgrad – hat einen enormen Einfluss auf seine Eigenschaften. Zum Beispiel sind kristalline Polymere im Allgemeinen opak, weil die in den Lamellen verpackten gefalteten Ketten Licht reflektieren. Amorphe Polymere neigen mit ihrer zufälligen Kettenverschränkung dazu, Licht durchzulassen. Mit zunehmender prozentualer Kristallinität wird das Polymer zunehmend weniger transparent.

Es gibt andere wichtige Eigenschaften von amorphen Polymeren, und Chemiker verwenden eine Vielzahl von Techniken, um sie zu bestimmen. Sehen wir uns drei der gängigsten Methoden an:

Glasübergangstemperatur mittels thermischer Analyse mittels Differentialscanningkalorimetrie oder DSC: Ein Differenzkalorimeter misst den Wärmefluss in oder aus einem Material in Bezug auf Zeit oder Temperatur. Bei der DSC wird die Polymerprobe in das Gerät eingebracht und deutlich unter ihre erwartete Glasübergangstemperatur abgekühlt und auf eine hohe Temperatur erhitzt. Ein an das System angeschlossener Computer misst die thermische Reaktion des Polymers und erstellt ein Diagramm des Wärmeflusses über der Temperatur. Wenn die Temperatur über den Glasübergang geht, nimmt der Wärmefluss in die Probe zu. Die Mittelpunktstemperatur dieser Wärmestromänderung wird als Glasübergangstemperatur bezeichnet.

Dynamisch-mechanische Analyse oder DMA: Ein dynamisch-mechanischer Analysator übt über eine kleine oszillatorische Verschiebung eine Kraft auf eine Polymerprobe aus und misst die Reaktion über einen Temperaturbereich. DMA liefert wertvolle Informationen über die Steifigkeit und Verformbarkeit eines Polymers. Im glasigen Zustand benötigt ein Polymer im Vergleich zu seinem gummiartigen Zustand eine viel höhere Kraft, um dieselbe oszillierende Bewegung auszuführen. Dieser Widerstand gegen die aufgebrachte Kraft wird als Elastizitätsmodul bezeichnet. Die Änderung des Moduls über die Temperatur von hoch glasig zu niedrig gummiartig ist ein weiteres Maß für die Glasübergangstemperatur. DMA gibt auch Auskunft über das viskose und elastische Verhalten eines Polymers. Der Unterschied zwischen der aufgebrachten Kraft und der gemessenen Reaktion bezieht sich auf die Formbarkeit. Je geringer die gemessene Reaktion im Vergleich zur aufgebrachten Kraft ist, desto flüssigkeitsartiger (viskoser) und weniger feststoffartig (elastisch) ist das Polymer.

Zugfestigkeit und Dehnung: Eine Zugprüfmaschine zieht einen Streifen Polymerfolie und misst die erforderliche Kraft. Wenn die Folie gedehnt wird, nimmt die zum Ziehen erforderliche Kraft typischerweise zu, bis sie ein Maximum erreicht, das als Zugfestigkeit bezeichnet wird. Der Film wird bis zum Bruch gedehnt, und dieser Bruchabstand wird verwendet, um die prozentuale Bruchdehnung zu berechnen.

Durch das Studium amorpher Polymere mit diesen und ähnlichen Techniken können Chemiker ein Profil dieser Kategorie erstellen. Hier sind einige der gemeinsamen Eigenschaften von amorphen Polymeren:

• Sie weisen eine relativ geringe Hitzebeständigkeit auf.
• Da sie eine zufällig geordnete Molekularstruktur ohne scharfen Schmelzpunkt aufweisen, erweichen sie mit steigender Temperatur allmählich.
• Sie neigen nicht zum Schrumpfen, wenn sie abkühlen.
• Ihr Endverbrauchsverhalten hängt stark davon ab, ob die Temperatur der Anwendung über oder unter der Glasübergangstemperatur liegt.
• Sie sind bei niedrigen Temperaturen zäh und spröde, verlieren jedoch oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur schnell ihre Zähigkeit und werden formbar und dehnungsanfällig.
• Aufgrund ihrer Verformbarkeit können sie sich gut auf Untergründen kleben.
• Sie müssen oft über ihrer Glasübergangstemperatur oder Mindestfilmbildungstemperatur (MFFT) aufgetragen und getrocknet werden, um Fehler im Endmaterial zu vermeiden. Liegt beispielsweise die Trocknungstemperatur unter der MFFT, kann sich ein diskontinuierlicher Film oder ein Pulverpressling bilden. Siehe unseren Artikel zur Filmbildung um mehr zu lernen.

Dies ist keine vollständige Liste, aber sie zeigt, wie nützlich und vielseitig amorphe Polymere sein können, wenn ihre Eigenschaften sorgfältig geprüft und kontrolliert werden. Je nach präzisem Design lassen sich amorphe Polymere für ein breites Anwendungsspektrum in der Vlies-, Klebstoff-, Textil-, Druck- und Verpackungsindustrie, Farben und Lacke, Bau- und Papierindustrie maßschneidern.

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Danke und beste Grüße,

Lin Yang (Frau)

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