Polymerisation: Vom Monomer zum Polymer

Die Polymerisation ist eine chemische Reaktion, bei der sich einfache Ausgangsstoffe (Monomere), zu Polymeren (Moleküle mit langen Ketten, die aus miteinander verbundenen Monomeren bestehen) reagieren. Polymerisation bezeichnet dabei allgemein alle Formen der Polymerbildung. Man unterteilt die Polymerisation grundsätzlich in Ketten- und Stufenwachstumsreaktionen.

Stufenwachstumsreaktion

Unter Stufenwachstumsreaktion fallen die Polykondensation und die Polyaddition. Bei Stufenwachstumsreaktionen verbinden sich Monomere zuerst alle zu Dimeren und Trimeren, diese dann zu Oligomeren und am Schluss verschmelzen sie alle zu Polymeren.

Kettenwachstumsreaktion

Zu den Kettenwachstumsreaktionen gehören die radikalische sowie die kationische und anionische Polymerisation. Dabei wird ein Monomer nach dem anderen an eine wachsende Kette gehängt. Die Anzahl der Ketten und damit die Reaktionsgeschwindigkeit und Kettenlänge kann über die Menge eines Initiators gesteuert werden.

Radikalische Polymerisation am Beispiel von Polyethylen ($$C_2H_4$$​​)

​Oft wird mit Polymerisation nur die radikalische Polymerisation bezeichnet, bei der die Aktivierung der Monomere durch Radikale erfolgt. Dies sind Moleküle, die ein ungepaartes Elektron besitzen und deshalb sehr reaktionsfreudig sind. Die radikalische Polymerisation ist eine Additions­reaktion, bei der Monomere mit mindestens einer Mehrfachbindung zu Makromolekülen ver­knüpft werden. Diese Kettenreaktion verläuft in drei Schritten: Startreaktion, Kettenwachstum und Abbruchreaktion. Es entstehen bei der radikalischen Polymerisation Makromoleküle mit unterschiedlichen Kettenlängen. Es entstehen keine Nebenprodukte. Die Produkte der Polymerisation nennt man Polymerisate.

1. Startreaktion

Ein Kettenstart erfolgt, indem ein Initiator als Radikal ein Monomer angreift. Das Radikal reagiert mit dem Monomer. Die Doppelbindung wird zur Einfachbindung. Es entsteht ein Monomer Radikal. Bei der Reaktion eines Radikals mit einer Mehrfachbindung wird diese homolytisch gespalten.

2. Kettenwachstum

Das Radikal reagiert mit einem anderen Monomer und wird wieder als Doppelbindung aufgelöst. Es bildet sich ein längeres Molekül.

3. Abbruchreaktion

Die Abbruchreak­tionen erfolgt rein statistisch. Eine Abbruchreaktion ist durch Rekombination oder Disproportionierung möglich.

Kettenverzweigung (Nebenreaktion)

Es können auch Kettenverzweigungen entstehen. Es entstehen nicht nur lange Ketten, sondern auch Verzweigungen inmitten von Ketten. Mit steigender Temperatur und grösseren Mengen an Starterradikalen verläuft die Polymerisation schneller, was zu kurzkettigen Polymeren führt.

Kettenlänge und Kettenlängenverteilung

Die Anzahl an Monomeren pro Makromolekül nennst Du auch Polymerisationsgrad. Die Anzahl an Radikalen in der radikalischen Polymerisation ist durch die Menge an verwendetem Initiator kontrollierbar. Wird mehr Initiator verwendet, bilden sich kürzere Polymere, wird weniger verwendet, bilden sich längere. Dadurch kann man also den Polymerisationsgrad beeinflussen. Genau kontrolliert werden kann er aber in der radikalischen Polymerisation nicht, denn Abbruch und Nebenreaktion finden zufällig statt, wodurch es immer zu einer Kettenlängenverteilung kommt. Der Polymerisationsgrad einer Mischung unterschiedlich langer Polymere ist also nur ein Durchschnittswert. Ein Mass für die Kettenlängenverteilung ist die sogenannte Polydispersität. Je grösser die Polydispersität, desto mehr unterscheiden sich die einzelnen Makromoleküle in ihrer Länge.

Wichtige Kunststoffe, die durch radikalische Polymerisation hergestellt werden, sind: