Polymerisation

Synthetische Polymere sind nicht nur im Alltag allgegenwärtig, sondern haben zahlreiche Anwendungen in den angewandten und Grundlagenwissenschaften.

Polymerisation ist ein Verfahren zur Herstellung makromolekularer Verbindungen, die als Polymere bekannt sind.

Diese Makromoleküle bestehen aus einer großen Anzahl von sich wiederholenden Einheiten, den sogenannten Monomeren. Materialien, die aus diesen großen Molekülen bestehen, haben einzigartige chemische, mechanische und thermische Eigenschaften.

Dieses Video veranschaulicht die Prinzipien der Polymerisation, die Synthese von Polyamid-6,10 und behandelt einige Anwendungen der Polymerisation.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Polymerisation zu klassifizieren. Ein üblicher Weg ist die Polymerisation durch Kettenwachstum oder Stufenwachstum. Beim Kettenwachstum werden Monomere an das Ende einer immer länger werdenden Kette von Molekülen angehängt. Dies geht so lange, bis das Monomer erschöpft ist oder das Wachstum gehemmt ist.

Bei der Stufenwachstumspolymerisation reagieren bi- oder multifunktionale Monomere zunächst zu Dimeren und Trimeren. Im weiteren Verlauf der Reaktion verbinden sich diese Verbindungen zu größeren Oligomeren. Die Reaktion wird fortgesetzt, bis lange Polymermoleküle gebildet sind.

Eine andere Möglichkeit, die Polymerisation zu klassifizieren, basiert auf dem Reaktionsmechanismus. Eine Kategorie ist die Additionspolymerisation, bei der sich Monomere ohne die Bildung eines Nebenprodukts aneinanderreihen. Wenn ein Vinylchlorid-Monomer beispielsweise ein freies Radikal bildet, greift es andere Monomermoleküle an und vermehrt nacheinander ein langkettiges Molekül, das als Polyvinylchlorid oder PVC bekannt ist.

Bei dem anderen Mechanismus, der Kondensationspolymerisation, reagieren Moleküle mit komplementären funktionellen Endeinheiten und setzen ein Nebenprodukt in Form von Wasser oder einem kleinen Molekül frei. Bei den Reaktanten kann es sich um Monomere oder Zwischenprodukte mit höherem Molekulargewicht handeln.

Ein wichtiges Polymer, das aus diesem Verfahren hergestellt wird, ist ein Polyamid, besser bekannt als Nylon. Bei dieser Synthese kondensiert ein Dicarbonsäurechlorid mit einem Diamin zu einem Polyamid und setzt Chlorwasserstoff frei. Während der Reaktion wird Monomer verbraucht, um Dimere und Trimere zu bilden, die zu größeren Oligomeren reagieren. Die Oligomere kondensieren dann zu Polymeren mit großem Molekulargewicht.

Nachdem nun die Grundlagen der Polymerisation behandelt wurden, werfen wir einen Blick auf die Kondensationsreaktion von Polyamid mit Hilfe der Oberflächenpolymerisation. Ein Prozess, bei dem die Polymerisation an der Grenzfläche eines heterogenen Gemisches stattfindet, das aus einer wässrigen und einer organischen Phase besteht.

Bereiten Sie zunächst die Reaktionslösungen für die Polymerisation vor. Mischen Sie in einem Becherglas 3 ml Sebacoylchlorid mit 100 ml Hexan. In einem separaten Becherglas werden 4,4 g 1,6-Diaminohexan in 50 ml destilliertes Wasser gegeben.

Geben Sie etwa 5 Tropfen einer Phenolphthaleinlösung in die wässrige Diaminohexanlösung.

Als nächstes überlagern Sie die Sebacoylchloridlösung vorsichtig mit der wässrigen Lösung, die das Diaminohexan enthält. An der Grenzfläche der beiden Phasen bildet sich eine dünne Schicht. Die Sichtbarkeit der Schicht wird durch das Phenolphthalein erhöht.

Zum Schluss muss das Polymer aufgefangen werden. Ziehen Sie mit einer Pinzette an der geformten Polyamidfolie und wickeln Sie sie um einen Glasstab. Wickeln Sie das Polyamid auf den Glasstab.

Waschen Sie dann das Polymer mit Aceton, gefolgt von reichlich Wasser. Sobald dies abgeschlossen ist, trocknen Sie bei 50 ? C unter reduziertem Druck.

Bei diesem Verfahren wird ein hohler, langer Strang aus Polyamid gewonnen.

Die Polymerisation wird in vielen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen eingesetzt. Hier behandeln wir einige dieser Anwendungen.

Bei der Photopolymerisation wird Licht verwendet, um die Reaktion zu initiieren. Mit Hilfe von Masken können dreidimensionale Polymerstrukturen Schicht für Schicht hergestellt werden. Dieses System, das einen handelsüblichen digitalen Projektor und lichtempfindliche Harze verwendet, kann 3D-Objekte mit einer Auflösung von unter 100 μm herstellen und ermöglicht so grundlegende Studien in Mechanik und Materialwissenschaften sowie in aufstrebenden Bereichen wie abstimmbaren Metamaterialien.

Trotz Fortschritten bei der Synthese von Nanopartikeln bleibt die geordnete Anordnung von Nanopartikeln eine Herausforderung. In dieser Anwendung werden Metallnanopartikel, die mit Polystyrol-Block-Poly(acrylsäure) beschichtet sind, zu Kettenstrukturen polymerisiert. Die Polymersynthesetechniken ermöglichen die Kontrolle der Länge und Breite von Nanopartikelketten.

Biokompatible Polymere sind in den Biowissenschaften zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. Zum Beispiel ermöglicht die mehrschichtige Polymerisation mit Dichtegradient die Herstellung von biokompatiblen Schichtmatrizen, die unterschiedliche chemische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Technik ermöglicht die biomedizinische und Grundlagenforschung zur zellulären Reaktion in komplexen 2D- und 3D-Umgebungen.

Sie haben gerade das Video von JoVE über Polymerisation gesehen. Dieses Video behandelt grundlegende Konzepte der Polymerisation, ein Verfahren zur Polyamidsynthese und die Anwendung der Polymerisation im Labor. Danke fürs Zuschauen!