Eigenschaften von Polymeren – Modifikation und Methoden

Produkte aus Polymeren werden extrem vielfältig eingesetzt: Von der Lebensmittelverpackung über Spezialkunststoffe in der Medizin bis hin zu hochmolekularen Verabreichungsformen von Arzneistoffen. Die riesige Anwendungsbreite von Polymeren resultiert nicht zuletzt daraus, dass sich wichtige Eigenschaften wie Härte, Formbarkeit, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperaturbeständigkeit, Wärmeformbeständigkeit sowie chemische Beständigkeit innerhalb weiter Grenzen modifizieren lassen. Um hierbei bestmögliche Ergebnisse zu erzielen, ist es erforderlich, den genauen Aufbau und die Eigenschaften der Polymere zu kennen.

Wyatt bietet Ihnen hochwertige Messgeräte, mit denen Sie die chemischen Verbindungen analysieren und auf dieser Basis innovatives Polymer-Material entwickeln können. Werfen Sie mit uns einen kleinen Blick in die Polymer-Chemie und die Polymer-Biologie und erhalten Sie Antworten auf die Fragen "Was heißt Polymer?", "Welche Spezifika hat Polymerkunststoff?" und "Wie lassen sich die Eigenschaften der Polymere ermitteln und modifizieren?"

Was bedeutet Polymer?

Als Polymere werden kettenförmige, verzweigte oder vernetzte Makromoleküle bezeichnet, die sich aus einer großen Anzahl sich wiederholender, oft gleichartiger molekularer Bausteine (Monomere) zusammensetzen. Zur Bildung von Polymeren führen verschiedene Arten von Polyreaktionen wie die Stufenwachstumsreaktionen Polykondensation und Polyaddition sowie radikalische, koordinative, kationische und anionische Kettenreaktionen.

Abhängig von ihrem Ursprung werden folgende Polymere unterschieden:
  • Biopolymere (von Lebewesen erzeugte Polymere, z.B. Proteine, DNA, Lignin, Polysaccharide)
  • synthetische Polymere (ohne Beteiligung von Lebewesen produzierte chemische Polymere, z.B. Polyethylen, Polyamid, Plexiglas)
  • halb-synthetische Polymere (natürliche Polymere, die chemisch modifiziert wurden, z.B. Stärkederivate, Proteinderivate, Cellulosederivate)
Weitere Eigenschaften, nach denen Polymere klassifiziert werden, sind die chemische Zusammensetzung, die Topologie, das thermomechanische Verhalten und die Taktizität (Anordnung von Seitenketten in einem Polymer).

Je nach Molekülgröße werden Polymere in Oligomere (maximal 50 Monomere) und Hochpolymere (mehr als 50 Monomere) unterteilt. Ihre Benennung erfolgt systematisch nach der Anzahl der beteiligten Monomere (z. B. Dimer, Trimer, Tetramer etc.). Abhängig vom Aufbau unterscheiden sich die Eigenschaften der Polymere zum Teil deutlich.

Welche Strukturen und Eigenschaften haben Polymere?

ie sich bei der Polymerisation bildenden Makromoleküle besitzen verschiedene Grundstrukturen, von denen die makroskopischen physikalischen Eigenschaften der Polymere abhängen. Einerseits können sich lineare Makromoleküle bilden, andererseits verzweigtkettige Makromoleküle, die außer einer Hauptkette auch Seitenketten aufweisen. Neben der Länge der Kette bestimmt der Grad der Verzweigung die Festigkeit, die Dichte, den Schmelzpunkt und andere Eigenschaften der Polymere.

Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten (nicht vernetzten) Kettenmolekülen, zwischen denen nur schwache Wechselwirkungskräfte herrschen. Bei Wärmezufuhr gehen sie in einen verformbaren Zustand über. Zu hohe Temperaturen führen zur Zersetzung. Diese Polymere werden in amorphe und teilkristalline Arten unterteilt, die sich bei erhöhten Temperaturen unterschiedlich verhalten.

Elastomere weisen eine weitmaschige Vernetzung auf. Sie lassen sich bei Raumtemperatur durch Zug und Druck leicht verformen, da die freien Ketten genügen Platz haben, um zwischen den Knotenpunkten aneinander vorbeizugleiten. Bei Entlastung gehen sie wieder in ihre ursprüngliche Form zurück.

Duroplaste sind engmaschig dreidimensional vernetzt. Sie sind spröde und hart und werden auch bei Erwärmung nicht verformbar. Duroplaste besitzen keine Schmelztemperatur. Diese Polymere zersetzen sich bei hohen Temperaturen und sind dann irreversibel zerstört.

Wie lassen sich die Eigenschaften der Polymere modifizieren?

Alle Kunststoffe sind Polymere. Sie können sowohl aus synthetischen Polymeren als auch aus chemisch modifizierten Biopolymeren hergestellt werden. Die meisten enthalten darüber hinaus weitere organische oder anorganische Bestandteile. Diese dienen dazu, die Polymere mit dem Ziel der Eigenschaftsverbesserung zu modifizieren. Der Anteil dieser Additive reicht von sehr geringen Prozentsätzen (z. B. für Nahrungsmittelverpackungen) bis hin zu mehr als 50 Prozent für spezielle Anwendungen.

Zu den in der Polymertechnik am häufigsten eingesetzten Zusatzstoffen zählen:
  • Weichmacher (verbessern die rheologischen Eigenschaften der Polymere)
  • Verstärkungsstoffe (optimieren die mechanischen und/oder physikalischen Eigenschaften der Polymere)
  • Stabilisatoren (verbessern die chemischen Eigenschaften der Polymere)
  • Flammschutzmittel (setzen die Entflammbarkeit des Kunststoffs herab)
  • Füllstoffe (ermöglichen es, Kunststoffe billiger zu produzieren)
  • Gleitmittel (verringern die Reibung zwischen einem geschmolzen Polymer und dem metallischen Werkstoff einer Maschine, z. B. Extruder)
  • Treibmittel (für die Herstellung von Schaumstoffen)
  • Antistatika (verhindern die elektrostatische Aufladung des Kunststoffs)
  • Färbemittel (modifizieren die optischen Eigenschaften der Polymere)
  • Schlagzähmacher
Neben der Verbesserung der Eigenschaften der Polymere im jeweiligen Einsatzgebiet gewinnt bei der Modifizierung von Kunststoffen zunehmend auch der Nachhaltigkeitsaspekt an Bedeutung. Das Ziel besteht darin, künftig den Eintrag von Kunststoffmaterialien in natürliche Kreisläufe zu verhindern. Eine Möglichkeit wäre, die Wiederverwertbarkeit von Kunststoffen zu optimieren. Hierfür werden biologisch abbaubare Polymere entwickelt, bei deren Abbau keine umweltschädigenden Stoffe übrigbleiben. Wyatt steht Ihnen hierbei gern mit hochmodernen Analysegeräten zur Seite. Kontaktieren Sie uns für weitere Informationen.

Welche Methoden nutzt Wyatt, um die Eigenschaften der Polymere zu analysieren?

Ob Sie absolute Molmassen und Größenverteilungen heterogener Polymere bestimmen, Polymerverzweigungen designen und kontrollieren oder den Abbau von Biopolymeren unter bestimmten Bedingungen beurteilen wollen - unsere hochmodernen Analysegeräte gewährleisten zuverlässige und reproduzierbare Untersuchungsergebnisse. Zur Anwendung kommen dabei bewährte Methoden wie:
  • die Mehrwinkel-Lichtstreuung (MALS)
  • die Größenausschlusschromatographie (SEC)
  • die Feldflussfraktionierung (FFF)
  • die dynamische Lichtstreuung (DLS)
Die dynamische Lichtstreuung (DLS) ermöglicht es Ihnen, die Größe von Polymeren und anderen Nanomaterialien schnell, einfach und zerstörungsfrei zu messen. Mit MALS bestimmen Sie die absoluten Molmassen und Größenverteilungen heterogener Polymere unabhängig von Retentionsvolumen, molekularen Standards und nicht-idealen Säuleninteraktionen.

SEC-MALS, eine Kombination aus Mehrwinkel-Lichtstreuung und Größenausschlusschromatographie, kann komplexe Makromoleküle analysieren, die für die Standard-SEC-Analyse womöglich nicht zugänglich sind. Die Verwendung von FFF-MALS bietet sich überall dort an, wo SEC aufgrund der Größe und der Komplexität des zu analysierenden Kunststoffs nicht geeignet ist. In diesen Fällen wäre eine Charakterisierung der Eigenschaften der Polymere mit FFF-MALS nicht möglich.

Polymere effektiv analysieren - mit den innovativen Technologien von Wyatt

Die exakte Analyse der Eigenschaften der Polymere ist eine Grundvoraussetzung für die zielgerichtete Modifikation dieser Makromoleküle. Mit der Mess- und Analysetechnik von Wyatt stellen Sie höchste Präzision sicher und schaffen damit optimale Bedingungen für eine systematische Anpassung polymerer Werkstoffe an aktuelle und zukünftige prozessspezifische und umweltrelevante Anforderungen.

Sie haben Fragen zur Polymer-, Biopolymer-, Protein- und Partikelcharakterisierung mittels Lichtstreuung oder benötigen Unterstützung bei der Auswahl der geeigneten Analyse-Technologie? Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren. Wir helfen Ihnen gern weiter.

Weitere Fragen und Antworten zu Eigenschaften von Polymeren

Was bedeutet der Begriff 'Polymere'?

Polymere sind kettenförmige, verzweigte oder vernetzte Makromoleküle, die aus sich wiederholenden Monomereinheiten bestehen. Sie entstehen durch verschiedene Arten von Polyreaktionen.

Welche verschiedenen Arten von Polymeren gibt es?

Polymere werden nach ihrem Ursprung unterteilt in: Biopolymere, synthetische Polymere und halb-synthetische Polymere.

Welche Grundstrukturen haben Polymere und welche Eigenschaften resultieren daraus?

Polymere können lineare oder verzweigte Strukturen aufweisen. Die Festigkeit, die Dichte, der Schmelzpunkt und andere Eigenschaften hängen von der Kettenlänge und dem Grad der Verzweigung ab. Es gibt Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste.

Wie lassen sich die Polymere modifizieren?

Die Eigenschaften von Polymeren können durch Zugabe von Zusatzstoffen wie Weichmachern, Verstärkungsstoffen, Stabilisatoren und anderen Additiven modifiziert werden. Auch chemische Modifikationen der Biopolymere sind möglich.