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Polymere und Elastizität

Ein polymeres Molekül besteht aus mehreren tausend chemischen Wiederholungseinheiten, den Monomeren, die durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. Die Ansammlung der verbundenen Einheiten wird oft als „Kette“ bezeichnet, und die Atome, zwischen denen die chemische Bindung stattfindet, bilden das „Rückgrat“ der Kette. In den meisten Fällen bestehen Polymere aus Kohlenstoff-Rückgraten, d. h. aus Ketten von Kohlenstoff (C)-Atomen, die durch Einfach- (C-C) oder Doppelbindungen (C=C) miteinander verbunden sind. Theoretisch sind Kohlenstoffketten sehr flexibel, da die Moleküle durch Rotation um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen viele verschiedene Konfigurationen annehmen können. In der Praxis sind viele Polymere jedoch eher steif und unflexibel. Die Moleküle von Polystyrol (PS) und Polymethylmethacrylat (PMMA) zum Beispiel bestehen aus relativ sperrigen Einheiten, so dass bei Raumtemperatur die freie Bewegung durch starke Überlagerung behindert wird. Tatsächlich bewegen sich die Moleküle von PS und PMMA bei Raumtemperatur überhaupt nicht: Man sagt, sie befinden sich in einem glasartigen Zustand, in dem die zufällige, „amorphe“ Anordnung ihrer Moleküle eingefroren ist. Alle Polymere sind unterhalb einer charakteristischen Glasübergangstemperatur (Tg) glasartig, die von -125 °C für ein extrem flexibles Molekül wie Polydimethylsiloxan (Silikonkautschuk) bis zu extrem hohen Temperaturen für steife, sperrige Moleküle reicht. Sowohl für PS als auch für PMMA liegt die Tg bei ca. 100 °C.

Einige andere Polymere haben Moleküle, die so gut zueinander passen, dass sie dazu neigen, sich in einer geordneten kristallinen Anordnung zusammenzufügen. Bei Polyethylen hoher Dichte zum Beispiel kristallisieren die langen Sequenzen von Ethyleneinheiten, aus denen das Polymer besteht, spontan bei Temperaturen unter etwa 130 °C, so dass Polyethylen bei normalen Temperaturen ein teilkristalliner Kunststoff ist. Polypropylen ist ein weiteres „teilkristallines“ Material: Seine Kristallite oder kristallisierten Bereiche schmelzen erst, wenn sie auf etwa 175 °C (350 °F) erhitzt werden.

Nicht alle Polymere haben die notwendige innere Flexibilität, um dehnbar und hochelastisch zu sein. Um diese Eigenschaften zu besitzen, müssen Polymere ein geringes internes Hindernis für die zufällige Bewegung ihrer monomeren Untereinheiten haben (mit anderen Worten, sie dürfen nicht glasartig sein), und sie dürfen nicht spontan kristallisieren (zumindest bei normalen Temperaturen). Wenn sie aus der Dehnung entlassen werden, müssen sie in der Lage sein, durch zufällige Bewegungen ihrer sich wiederholenden Einheiten als Ergebnis von Rotationen um die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung spontan in einen ungeordneten Zustand zurückzukehren. Polymere, die dies können, werden als Elastomere bezeichnet. Alle anderen werden als Kunststoffe oder Harze bezeichnet; die Eigenschaften und Anwendungen dieser Materialien werden im Artikel Kunststoffe (Thermoplaste und Duroplaste) ausführlich beschrieben.

Vier gängige Elastomere sind cis-Polyisopren (Naturkautschuk, NR), cis-Polybutadien (Butadienkautschuk, BR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) und Ethylen-Propylen-Monomer (EPM). SBR ist ein Mischpolymer oder Copolymer, das aus zwei verschiedenen Monomereinheiten, Styrol und Butadien, besteht, die zufällig entlang der Molekülkette angeordnet sind. (Die Struktur von SBR ist in der Abbildung dargestellt.) EPM besteht ebenfalls aus einer zufälligen Anordnung von zwei Monomeren – in diesem Fall Ethylen und Propylen. In SBR und EPM werden die enge Packung und die Kristallinität der Monomereinheiten durch ihre unregelmäßige Anordnung entlang jedes Moleküls verhindert. Bei den regulären Polymeren NR und BR wird die Kristallinität durch eher niedrige Kristallschmelztemperaturen von etwa 25 bzw. 5 °C verhindert. Darüber hinaus sind die Glasübergangstemperaturen all dieser Polymere recht niedrig, weit unter Raumtemperatur, so dass sie alle weich, hochflexibel und elastisch sind. Die wichtigsten kommerziellen Elastomere sind in der Tabelle aufgeführt, die auch einige ihrer wichtigen Eigenschaften und Anwendungen angibt.