Einteilung von Polymeren - Thermoplasten, Duroplasten, Elastomere

Ein Polymer ist ein aus Makromolekülen aufgebauter Stoff, wobei die Makromoleküle wiederum aus Untereinheiten, den Monomeren, bestehen. In der Polymerphysik sind die Polymere nach Eigenschaften und Aufbau in drei Gruppen aufgeteilt, Thermoplasten, Duroplasten und Elastomere.

Kurzzusammenfassung

Thermoplasten	Duroplasten	Elastomere
thermoelastisch, thermoplastisch, fließfähig, keine Verknüpfungen	fest, engmaschig verknüpft	elastisch, entropischer Effekt

Thermoplasten

Thermoplasten sind Kunststoffe, welche sich in einem bestimmten Temperaturbereich reversibel verformen lassen (thermoplastisch).

Aufbau

Thermoplasten bestehen aus wenig oder nicht verzweigten Kohlenstoffketten, welche nur durch eher schwache physikalische Bindungen (Van-der-Waals-Wechselwirkungen) miteinander verbunden sind. Je nach Lage der Kohlenstoffketten zueinander sind die Wechselwirkungen unterschiedlich stark: Liegen sie parallel, so sind sie durch den erhöhten Kontakt stärker (es entstehen kristalline Bereiche), liegen sie als verknäuelt vor (amorphe Bereiche), so sind die Wechselwirkungen weniger wirksam. Eine erhöhte Anzahl an kristallinen Bereichen führt zu einem härteren aber spröden Kunststoff. Die Kohlenstoffketten sind nicht vernetzt, die einzelnen Monomere besitzen nur zwei funktionelle Gruppen.

Eigenschaften

Durch die fehlende Quervernetzung der Stränge können diese je nach Temperatur und Anordnung aneinander vorbeigleiten (je wärmer, desto besser). Je nach Temperaturbereich (bzw. Aggregatzustand) variiert so die Beschaffenheit.

Aggregatzustände

Fest

Zustand vor und nach dem Abkühlen, schließt Flexibilität nicht aus.

Thermoelastisch

Der Thermoplast kann verformt werden, behält seine Ursprungsform allerdings bei und kann in diese zurückverformt werden.

Thermoplastisch

weich, nicht mehr formstabil

Fließfähig

kann gegossen werden, noch wärmer: Zersetzung

Die Übergänge zwischen den Aggregatzuständen sind (z. B. wegen der unterschiedlichen Längen der Ketten) nicht fest. Thermoplasten sind schweißfähig.

Beispiele

• Polyamide (PA)
• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polyethylenterephthalat (PET)

Duroplasten

Duroplasten sind nach der Aushärtung nicht mehr verformbare Kunststoffe.

Aufbau

Duroplasten sind harte, amorphe und unlösliche Polymere. Die einzelnen Makromoleküle sind über kovalente Bindungen engmaschig vernetzt, wodurch die fehlende Thermoelastizität erklärbar ist. Hieraus ergibt sich, dass die Monomere mindestens drei funktionelle Gruppen enthalten müssen.

Eigenschaften

• steif
• hart
• unlöslich
• nicht bei Hitze verformbar (Zersetzung bei zu hohen Temperaturen)

Anwendungsbeispiele

• Bremsbeläge
• Schutzhelme
• Gehäuse von elektronischen Bauteilen

Beispiele

• Phenoplaste
• Aminoplaste
• Backelit
• Polyester

Elastomere

Elastomere sind elastisch verformbare Kunststoffe, wobei der Glasübergangspunkt unterhalb der Einsatztemperatur (Punkt, ab welchem verformt werden kann) liegt. Elastisch bedeutet, dass sie nach einer Verformung automatisch in den ursprünglichen Zustand zurückkehren ohne hierbei Energie gespeichert zu haben.

Aufbau

Die Elastomere sind weitmaschiger verknüpft als die Duroplasten. Bei ihnen sind einzelne Kettenelemente der Polymere besonders gut gegeneinander drehbar, sodass es durch zufälligen Drehbewegung zur Bildung eines Polymerknäuels nach einer statistischen Anordnung kommt. 

Dehnung

Durch eine Dehnung kommt es zu einer Entflechtung der Ketten:

Entfällt die Zugspannung beginnen die zufälligen Drehbewegungen wieder und die statistisch begründete Konformation (nach der Gauß Verteilung) tritt wieder ein - sie relaxieren. Es handelt sich wie bei der Kompression und Dekompression von Gas um einen entropischen Effekt. Bei dem gesamten Prozess wird keine Energie gespeichert. Beim Dehnen wird die aufgewendete Energie in wärmeenergie frei, beim verknäueln wird die Brownsche Molekularbewegung durch Wärmeenergie genutzt. Die Drehbewegungen steigen mit der Temperatur → schnelleres Zurückkehren in die ursprüngliche Form. 

Elastomere sind (mit Ausnahme von den thermoplastischen Elastomeren) nicht schmelzbar.

Beispiele

• Naturkautschuk
• Nutzung: Gummibänder, Reifen