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2025-05-06T06:56:43Z

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'''Polymernetzwerke''' sind [[Polymer]]ketten, die [[dreidimensional]] über [[Vernetzung (Chemie)|Vernetzung]]s<nowiki></nowiki>punkte miteinander verknüpft sind.

== Unterscheidung ==
=== Nach Typen der chemischen Bindung ===
Je nach [[Chemische Bindung|chemischer Bindung]] lassen sich drei verschiedene Grundtypen unterscheiden:
* permanente Netzwerke: Die Ketten sind über chemische Vernetzungspunkte verbunden, meist [[Sigma-Bindung]]en. Ein Lösen und Wiederbilden von Vernetzungsstellen ist hier ''nicht'' möglich. Der Begriff ''Polymernetzwerk'' bezeichnet strenggenommen nur diesen Typ.
* temporäre chemische Netzwerke: Die Ketten sind über schwächere chemische Bindungen miteinander verbunden, die nicht permanent sind, weil die Bindung relativ schwach ist. Typische Beispiele hierfür sind [[Wasserstoffbrückenbindung]]en und Interaktionen zwischen [[Kation]]en und [[Polarität (Chemie)|polaren]] [[Organische Chemie|organischen]] [[Funktionelle Gruppe|Gruppen]]. Diese unterscheiden sich von Ersteren durch die Tatsache, dass die Verbindungsstellen sich dynamisch trennen und wieder verbinden können. Dadurch sind die Materialien im Gegensatz zu Ersteren [[Plastische Verformung|plastisch verformbar]] und haben häufig [[Selbstheilung]]seigenschaften. Technisch werden diese Materialien als [[Ionomer]]e angewendet.
* temporäre physikalische Netzwerke: Die Ketten sind nicht chemisch miteinander verbunden, sondern nur physikalisch. Das geschieht durch [[Verschlaufung]], wobei zwei oder mehr Ketten an einem Punkt miteinander überkreuzt sind und dadurch ihre [[Beweglichkeit]] eingeschränkt ist. Bei dieser Bindungsart werden die Verschlaufungen oberhalb der [[Glasübergangstemperatur]] kontinuierlich gebildet und gehen wieder verloren. Unterhalb der Glasübergangstemperatur ist die molekulare Beweglichkeit so gering, dass das Verschlaufungsnetzwerk als permanent angesehen werden kann.

Gelegentlich werden bezeichnet:
* temporäre chemische Netzwerke als physikalische Netzwerke
* temporäre physikalische Netzwerke als Verschlaufungsnetzwerke,
so dass hier Verwechslungsgefahr besteht.

=== Nach Vernetzungsgrad ===
Zur Bestimmung des Vernetzungsgrades siehe letztes Kapitel.
* stark vernetzte Polymere, die [[Duroplast]], auch Duromere genannt, haben eine sehr hohe Dichte an Vernetzungspunkten, was zu einer hohen [[Steifigkeit]] führt. Bei diesen Materialien ist die [[Glasübergangstemperatur]] relativ unwichtig, da die Materialien bei dieser nur einen geringen Abfall der Steifigkeit aufweisen. Typische Beispiele sind [[Kunstharz]]e, z. B. [[Epoxidharz]], [[Phenolharz]], [[ungesättigtes Polyesterharz]]. Das Anwendungsgebiet liegt bei Strukturbauteilen und [[Klebstoff]]en. Vorteile dieser [[Materialgruppe]] gegenüber normalen [[Thermoplast]]en ist primär die bessere mechanische [[Festigkeit]] und die höhere maximale Einsatztemperatur, nachteilig ist die langsamere [[Kunststoffverarbeitung|Verarbeitung]] sowie die schlechte [[Recycling|Rezyklierbarkeit]].
* leicht vernetzte Polymere, die [[Elastomer]]e, sind wesentlich weniger steif als Duroplaste und werden in aller Regel weit oberhalb der Glasübergangstemperatur technisch eingesetzt. Diese Gruppe ist umgangssprachlich als [[Gummi]] bekannt. Chemisch gesehen sind dies vor allem [[Naturkautschuk]], [[Styrol-Butadien-Kautschuk]], aber auch etliche [[Fluor]]- und [[Chlor]]-Kautschuke sowie [[Silikon]]e.
* unvernetzte Polymere weisen anders als die beiden o. g. Gruppen ''keine'' chemischen Bindungen auf, sondern nur [[Verschlaufung]]en (technisch werden fast nur verschlaufte Typen verwendet, ansonsten sind die mechanischen Eigenschaften zu schlecht); daher neigen sie oberhalb der Glasübergangstemperatur und ggf. der [[Schmelztemperatur]] stark zum [[Kriechen (Werkstoffe)|Kriechen]] und sind somit in diesem Temperaturbereich ''nicht'' technisch verwendbar.

== Möglichkeiten der Vernetzung ==
Chemische Vernetzungen sind im Prinzip eine [[Polymerisation]]s<nowiki></nowiki>reaktion, so dass sich Netzwerke durch Verwendung von trifunktionalen [[Monomer]]en bei [[Polyaddition]]s- und [[Polykondensation]]s<nowiki></nowiki>reaktionen erzeugen lassen. Dies wird z. B. verwendet bei [[Polyurethane #Schaumstoffe|Polyurethanschäumen]] ([[Bauschaum]], [[Schaumgummi]]), wo Wasser als [[Schaumstoff #Schäumverfahren|Treibmittel]] dient (Wasser spaltet Teile der [[Isocyanatgruppe]]n vom Polyurethan ab, was zur Gasentwicklung führt).

Alternativ können auch (meist relativ kurze) Polymerketten durch Vernetzer miteinander verknüpft werden. Dieses Prinzip wird beispielsweise beim [[Vulkanisieren]] angewendet, der chemischen Reaktion von [[Schwefel]] mit [[Naturkautschuk]], wo die Ketten mittels kurzer [[Sulfidbrücke]]n miteinander verbunden werden.

Eine weitere Vernetzungs-Möglichkeit ist die Einbringung von [[Radikal (Chemie)|Radikalen]], z. B. durch Bestrahlung mit [[Ionisierende Strahlung|ionisierenden Strahlen]], [[Peroxid]]e oder große [[Hitze]]; dies bringt statistische Vernetzungen hervor. Ein Beispiel hierfür ist [[Polyethylen #Arten der Vernetzung|strahlenvernetzes]] [[Polyethylen]] (XPE).

== Bestimmung der Vernetzungsdichte ==
In vielen Fällen ist die Frage, wie stark ein [[Werkstoff|Material]] vernetzt ist, von großer technischer Bedeutung.

Um den Vernetzungsgrad zu bestimmen, gibt es eine Methode, die allerdings nur bei Materialien ''ohne'' [[Füllstoff]]e funktioniert, da diese die [[Steifigkeit]] deutlich beeinflussen. Dazu muss die Steifigkeit <math>E</math> in [[Scherung (Mechanik)|Scherung]] oder die Steifigkeit <math>G</math> in [[Dehnung]] gemessen werden; der gewonnene Messwert lässt sich umrechnen in die [[Verschlaufung]]s<nowiki/>dichte ''n'' pro Volumeneinheit [1/m³] mittels:

:<math>\begin{align}
E/3 = G = n \cdot k \cdot T\\
\Leftrightarrow n = \frac{E/3}{k \cdot T} = \frac{G}{k \cdot T}
\end{align}</math>

mit
* [[Elastizitätsmodul]] ''E''
* [[Schubmodul]] ''G''
* [[Boltzmann-Konstante]] ''k'' = 1,38·10<sup>−23</sup> [[Joule|J]]/[[Kelvin|K]]
* Temperatur ''T'' in K.

== Literatur ==
* J. D. Ferry, Viscoelastic Properties of Polymers. John Wiley and Sons: New York, 1980.
* M. R. Tant, K. A. Mauritz, G. L. Wilkes, Ionomers – synthesis, structure, properties and applications. Blackie Academics & Professional: London, 1997.

{{Normdaten|TYP=s|GND=4307122-3|LCCN=sh87006005}}

[[Kategorie:Makromolekulare Chemie]]
[[Kategorie:Physik der weichen Materie]]
[[Kategorie:Biophysik]]

Polymernetzwerk - Versionsgeschichte

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