Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen
Sebastian Koltzenburg Michael Maskos Oskar Nuyken
Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen Mit einem Vorwort von Rolf Mülhaupt
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 978-3-642-34772-6 ISBN 978-3-642-34773-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-34773-3 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de 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. www.springer-spektrum.de
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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
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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
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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
[email protected]. Sebastian Koltzenburg Michael Maskos Oskar Nuyken
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Inhaltsverzeichnis 1 1.1
1.2 1.3 2 2.1
2.2 2.3 2.4 3 3.1
3.2 3.3 4 4.1
4.2 5 5.1
5.2 5.3 6 6.1
6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 7 7.1
7.2 7.3
Einführung und grundlegende Begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 P olymere – einzigartige Materialien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 B egriffsbestimmungen und grundlegende Definitionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 P olymerarchitekturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Polymere in Lösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 K ettenmodelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K ettensteifigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E ntropieelastizität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T hermodynamik von Polymerlösungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20 25 27 28 41
Polymeranalytik: Molmassenbestimmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 D efinition von Molmassenkennzahlen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absolutmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relativmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44 47 85 96
Polymere im festen Zustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 P hasenübergänge in polymeren Festkörpern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Verfahren zur Bestimmung von TG und Tm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Teilkristalline Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 F aktoren, die die Schmelztemperatur beeinflussen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M orphologie teilkristalliner Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K ristallisationskinetik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
110 117 120 121
Amorphe Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 M echanisches Verhalten von amorphen Polymeren bei Erwärmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . D er amorphe Zustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . D er Glasübergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F aktoren, die die Glasübergangstemperatur beeinflussen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließverhalten von Polymerschmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viskoelastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
124 125 126 127 131 137 144
Polymere als Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 B ruchverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 K unststoffe nach Maß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 V ernetzte Materialien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
X
Inhaltsverzeichnis
7.4
P olymeradditive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8 8.1
Stufenwachstumsreaktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 9 9.1
9.2 9.3 9.4 9.5 10 10.1
10.2 11 11.1
11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 12 12.1
12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 13 13.1
13.2
U nterschiede zwischen Stufen- und Kettenwachstumsreaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M olmasse, Polymerisationsgrad und Molmassenverteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L ineare, verzweigende und vernetzende Stufenwachstumsreaktionen. . . . . . . . . . . . . . . K inetik der Stufenwachstumsreaktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T ypische Polykondensate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T echnisch relevante, vernetzende Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
170 172 181 189 195 209 216
Radikalische Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 M echanismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K inetik der radikalischen Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P olymerisationsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M olmassenverteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . K ontrollierte radikalische Polymerisation (CRP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
219 223 232 240 247 257
Ionische Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 ationische Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 K Anionische Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Katalytische Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Polymerisierbarkeit von α-Olefinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Z iegler-Katalysatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . H omogene Polymerisationskatalysatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Katalysatoren auf Basis später Übergangsmetalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cycloolefin-Copolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Olefinmetathese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Copolymerisation mit polaren Comonomeren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
312 312 318 325 326 327 329 336 338
Ringöffnende Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 llgemeine Merkmale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A R adikalische ringöffnende Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kationische ringöffnende Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anionische ringöffnende Polymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringöffnende Metathesepolymerisation (ROMP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringöffnung von Phosphazenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
342 342 347 355 362 363 366
Copolymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 opolymerisationsgleichung nach Mayo und Lewis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 C C opolymerisationsdiagramme und Copolymerisationsparameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372
XI Inhaltsverzeichnis
13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8 13.9 13.10 13.11
lternierende Copolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Ideale Copolymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beeinflussung des Einbauverhältnisses der Monomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Experimentelle Bestimmung der Copolymerisationsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Q, e-Schema von Alfrey und Price . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Copolymerisationsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Block- und Pfropfcopolymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T echnisch wichtige Copolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strukturaufklärung von statistischen Copolymeren, Block- und Pfropfcopolymeren. . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14 14.1
Wichtige Polymere durch Kettenwachstumspolymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
15 15.1
Chemie an Polymeren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
Polyethylen (PE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Polypropylen (PP). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Polyisobutylen (PIB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4 Polyvinylchlorid (PVC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.5 Polystyrol (PS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . olymethylmethacrylat (PMMA). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6 P 14.7 Polyacrylnitril (PAN). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.8 Polyoxymethylen (POM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.9 Polytetrafluorethylen (PTFE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.10 Polydiene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15.2 15.3 16 16.1
16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 17 17.1
17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7
olymeranaloge Reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P Vernetzungsreaktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alterungsprozesse in polymeren Materialien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
375 377 378 379 383 385 387 397 397 399
403 407 409 411 413 417 418 420 420 422
428 433 439 446
Technische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 bersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ü P olymerisation in Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L ösungs- und Fällungspolymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suspensionspolymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emulsionspolymerisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gasphasenpolymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
448 448 449 450 452 460 460
Grundlagen der Kunststoffverarbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 rformprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U Faserverstärkte Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schaumstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fasern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . U mformverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . F ügeverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . S onstige Verarbeitungsschritte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
462 475 477 486 490 491 496 496
XII
Inhaltsverzeichnis
18 18.1
Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 19 19.1
19.2 19.3 19.4 19.5 19.6
ermanent vernetzte Elastomere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P E igenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entropieelastizität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastomer-Additive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technisch wichtige Elastomer-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoplastische Elastomere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polyamid-12-Elastomere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flüssigkristalline Elastomere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
498 498 501 504 505 505 505 507 510
Funktionale Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 olymere Dispergiermittel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P Flockungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Amphiphile Systeme zur Oberflächenfunktionalisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V erdicker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Superabsorber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polymere zur Formulierung von Wirkstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
515 524 525 527 528 530 532
20 20.1
Flüssigkristalline Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
21 21.1
Polymere und Umwelt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
Der flüssigkristalline Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Lyotrope Flüssigkristalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Thermotrope Flüssigkristalle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lüssigkristalline Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4 F 20.5 Charakterisierung von Mesophasen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.6 Flüssigkristalline Polymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21.2 21.3 21.4
inführung und Begriffsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E Optionen des Kunststoffrecyclings. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffe und Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biopolymere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
534 534 535 535 538 543 551
554 554 558 561
22 22.1
Aktuelle Trends in den Polymerwissenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
Nanokomposite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.2 Elektrospinning – ein einfacher Weg zu Nanofasern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pinning-Disk-Reaktor (SDR). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.3 S 22.4 Polymere für Organische Leuchtdioden (oleds). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.5 Polymere Membranen für Brennstoffzellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.6 »Smart polymers« in der Erdölförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.7 Graphen als Nanofüllstoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
570 572 574 577 583 586 589 592
