Polymerchemie
Polymerchemie (auch makromolekulare Chemie genannt) ist die Wissenschaft der chemischen Synthese und der chemischen Eigenschaften von Polymeren oder Makromolekülen. Nach den IUPAC-Empfehlungen beziehen sich Makromoleküle auf die einzelnen Molekülketten und sind die Domäne der Chemie. Polymere beschreiben die Volumeneigenschaften von Polymermaterialien und gehören zum Gebiet der Polymerphysik (ein Teil der Physik).
Zu den verschiedenen Arten von Makromolekülen gehören
- Von lebenden Organismen produzierte Biopolymere:
- Strukturproteine: Kollagen, Keratin, Elastin und andere
- chemisch funktionelle Proteine: Enzyme, Hormone, Transportproteine und andere
- strukturelle Polysaccharide: Zellulose, Chitin und andere
- Speicherpolysaccharide: Stärke, Glykogen und andere
- Nukleinsäuren: DNA, RNA
- Synthetische Polymere, die für Kunststoff-Fasern, Farben, Baumaterialien, Möbel, mechanische Teile und Klebstoffe verwendet werden:
- Thermoplaste: Polyethylen, Teflon, Polystyrol, Polypropylen, Polyester, Polyurethan, Polymethylmethacrylat, Polyvinylchlorid, Nylon, Rayon, Zelluloid, Silikon und andere
- duroplastische Kunststoffe: vulkanisierter Gummi, Bakelit, Kevlar, Epoxidharz und andere.
Polymere werden durch Polymerisation von Monomeren gebildet. Chemiker beschreiben ein Polymer durch seinen Polymerisationsgrad, seine Molmassenverteilung, Taktizität, Copolymer-Verteilung, den Grad der Verzweigung, durch seine Endgruppen, Vernetzungen und Kristallinität. Chemiker untersuchen auch die thermischen Eigenschaften eines Polymers, wie seine Glasübergangstemperatur und Schmelztemperatur. Polymere in Lösung haben besondere Eigenschaften hinsichtlich Löslichkeit, Viskosität und Gelierung.
Geschichte
Die Polymerchemie begann mit der Untersuchung der langen Fasern in Pflanzen. Die Arbeiten von Henri Braconnot im Jahr 1777 und Christian Schönbein im Jahr 1846 führten zur Entdeckung der Nitrozellulose. Mit Kampfer behandelte Nitrozellulose ergibt Zelluloid. Chemiker lösen das Zelluloid in Äther oder Aceton auf, um Kollodium herzustellen. Ärzte verwenden Kollodium seit dem US-Bürgerkrieg als Wundverband. Celluloseacetat wurde erstmals 1865 hergestellt. Im Jahr 1834 entdeckten Friedrich Ludersdorf und Nathaniel Hayward unabhängig voneinander, dass die Zugabe von Schwefel zu rohem Naturkautschuk (Polyisopren) dazu beitrug, dass das Material nicht klebrig wurde. Im Jahr 1844 erhielt Charles Goodyear ein US-Patent für die Vulkanisierung von Kautschuk mit Schwefel und Hitze. Thomas Hancock hatte ein Jahr zuvor in Großbritannien ein Patent für das gleiche Verfahren erhalten.
1884 gründete Hilaire de Chardonnet die erste Kunstfaserfabrik auf der Basis von regenerierter Zellulose oder Viskose-Rayon als Ersatz für Seide, die jedoch sehr leicht entflammbar war. Im Jahr 1907 erfand Leo Baekeland das erste synthetische Polymer, ein wärmehärtbares Phenol-Formaldehyd-Harz namens Bakelit. Etwa zur gleichen Zeit berichtete Hermann Leuchs über die Synthese von N-Carboxyanhydriden und deren hochmolekularen Produkten bei der Reaktion mit Nukleophilen. Aber Leuchs nannte sie nicht Polymere, möglicherweise aufgrund der starken Ansichten seines direkten Vorgesetzten Emil Fischer, der die Möglichkeit leugnete, dass ein kovalentes Molekül 6.000 Dalton überschreiten könnte. Das Cellophan wurde 1908 von Jocques Brandenberger erfunden, der Viskose-Rayon-Blätter in ein Säurebad spritzte.
1922 schlug Hermann Staudinger (ein deutscher Chemiker) vor, dass Polymere lange Ketten von Atomen sind, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden. Er schlug auch vor, diese Verbindungen "Makromoleküle" zu nennen. Davor glaubten die Wissenschaftler, dass Polymere Cluster kleiner Moleküle (Kolloide genannt) ohne bestimmtes Molekulargewicht sind, die durch eine unbekannte Kraft zusammengehalten werden. Staudinger erhielt 1953 den Nobelpreis für Chemie.
Wallace Carothers erfand 1931 den ersten synthetischen Kautschuk namens Neopren. Neopren war das erste Polyester. Carothers erfand 1935 das Nylon, einen echten Seidenersatz. Paul Flory erhielt 1974 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeit über Polymer-Random-Coil-Konfigurationen in Lösung in den 1950er Jahren. Stephanie Kwolek entwickelte ein Aramid oder aromatisches Nylon namens Kevlar, das 1966 patentiert wurde.
Es gibt inzwischen eine große Anzahl kommerzieller Polymere. Dazu gehören Verbundwerkstoffe wie Kohlefaser-Epoxid, Polystyrol-Polybutadien (HIPS), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Chemiker entwerfen kommerzielle Polymere, um die besten Eigenschaften ihrer verschiedenen Komponenten zu kombinieren. Beispielsweise sind spezielle Polymere, die in Automotoren verwendet werden, für die Arbeit bei hohen Temperaturen ausgelegt.
Es hat lange gedauert, bis die Universitäten Lehr- und Forschungsprogramme in der Polymerchemie einführten. Ein "Institut für Makromolekulare Chemie" wurde 1940 in Freiburg, Deutschland, unter der Leitung von Hermann Staudinger gegründet. In Amerika wurde 1941 von Herman Mark am Polytechnic Institute of Brooklyn (heute Polytechnic Institute of NYU) ein "Polymer Research Institute" (PRI) gegründet. Mehrere hundert Absolventen des PRI spielten eine wichtige Rolle in der US-Polymerindustrie und im akademischen Bereich. Weitere PRIs wurden 1961 von Richard S. Stein an der University of Massachusetts, Amherst, 1967 von Eric Baer an der Case Western Reserve University und 1988 an der University of Akron gegründet.
Fragen und Antworten
F: Was ist Polymerchemie?
A: Die Polymerchemie (auch makromolekulare Chemie genannt) ist die Wissenschaft von der chemischen Synthese und den chemischen Eigenschaften von Polymeren oder Makromolekülen.
F: Was sind einige Beispiele für Biopolymere, die von lebenden Organismen produziert werden?
A: Beispiele für Biopolymere, die von lebenden Organismen produziert werden, sind Strukturproteine wie Kollagen, Keratin und Elastin, chemisch funktionelle Proteine wie Enzyme, Hormone und Transportproteine, strukturelle Polysaccharide wie Cellulose und Chitin, Speicherpolysaccharide wie Stärke und Glykogen sowie Nukleinsäuren wie DNA und RNA.
F: Was sind einige Beispiele für synthetische Polymere, die für Kunststoffe verwendet werden?
A: Beispiele für synthetische Polymere, die für Kunststoffe verwendet werden, sind Thermoplaste wie Polyethylen, Teflon, Polystyrol, Polypropylen, Polyester, Polyurethan, Polymethylmethacrylat, Nylon, Zelluloid und Silikon sowie duroplastische Kunststoffe wie vulkanisierter Kautschuk, Bakelit, Kevlar und Epoxid.
F: Wie werden Polymermoleküle gebildet?
A: Polymermoleküle werden durch den Prozess der Polymerisation gebildet, bei dem Monomere miteinander kombiniert werden, um ein größeres Molekül zu bilden.
F: Wie beschreiben Chemiker ein Polymer?
A: Chemiker beschreiben ein Polymer anhand seines Polymerisationsgrads (der Anzahl der Monomereinheiten in der Kette), der Molmassenverteilung (der relativen Menge, die jede Art von Monomereinheit zur Gesamtmasse beiträgt), der Taktizität (wie regelmäßig oder unregelmäßig die Monomere entlang der Kette angeordnet sind), Copolymer-Verteilung (welcher Prozentsatz aus verschiedenen Typen/Monomeren besteht), Verzweigungsgrad (wie viele Verzweigungen es von der Hauptkette gibt), Endgruppen (der/die Typ(en) an beiden Enden), Vernetzungen (Verbindungen zwischen zwei oder mehr Ketten) und Kristallinität (wie geordnet es ist).
F: Welche thermischen Eigenschaften untersuchen Chemiker, wenn sie sich ein Polymer ansehen?
A: Chemiker untersuchen die Glasübergangstemperatur und die Schmelztemperatur eines Polymers, die sich auf seine thermischen Eigenschaften beziehen.
F: Welche besonderen Eigenschaften hat ein Polymer, wenn es in Lösung ist?
A: Wenn ein Polymer in Lösung ist, hat es besondere Eigenschaften in Bezug auf Löslichkeit, Viskosität und Gelierung.
