Zu den Polymeren gehören allgegenwärtige Kunststoffe wie Plexiglas, Dichtmassen, Klebestreifen und viele Verpackungsmaterialien. Daher bildet die Vermittlung der Grundlagen polymerer Werkstoffe einen integralen Bestandteil der Curricula der Studienfächer Chemie, Materialwissenschaften und der Ingenieur- und Lebenswissenschaften.

Dieses Buch ermöglicht einen leichten Einstieg in die Polymerwissenschaften. Die Polymerklassen Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere werden mit ihren Eigenschaften vorgestellt, und den Studierenden wird vermittelt, welche Synthesestrategie zu dem Produkt mit den gewünschten Eigenschaften führt. Die am häufigsten verwendeten Polymere werden anhand alltagsbezogener Beispiele eingeführt. Zahlreiche Tipps und Übungsaufgaben unterstützen beim Lernen.

Peter F. W. Simon ist Professor fur Organische und Polymerchemie an der Fakultat Life Sciences der Hochschule Rhein-Waal in Kleve. Nach Abschluss seines Studiums an den Universitaten Marburg, Dijon (Frankreich) und Mainz fuhrte ihn ein einjahriger Forschungsaufenthalt an die Cornell University, Ithaca (USA). Nach seiner Ruckkehr nach Deutschland leitete er Entwicklungslaboratorien im Bereich der Polymeranalytik und Polymersynthese bei diversen Start-Up Unternehmen. Im Jahre 2004 ubernahm er den Aufbau und die Leitung der Abteilung "Kontrollierte Polymersynthese" der GKSS Geesthacht, jetzt Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum fur Materialforschung und Kustenforschung, bis er im Jahr 2010 den Ruf der neugegrundeten Hochschule annahm.

Amir Fahmi ist Professor fur Materialwissenschaften an der Fakultat Technologie und Bionik der Hochschule Rhein-Waal in Kleve. Nach Abschluss seines Studiums der Chemie an der TU Dresden promovierte er dort 2003 in Zusammenarbeit mit dem Institut fur Polymerforschung, Dresden. Als Post-Doc an der Universitat Nottingham (GB) forschte er im Gebiet der selbstorganisierten Nanostrukturen. 2005 etablierte er als Senior Research Fellow (Assistant Professor) seine eigene Forschungsgruppe innerhalb des Nottingham Innovative Manufacturing Research Centre (NIMRC). Mit dieser Gruppe konnte er interdisziplinare Konzepte fur die Herstellung nanostrukturierter Materialien entwickeln. Am 1. Oktober 2011 wurde Amir Fahmi an die Hochschule Rhein-Waal berufen. Er leitet den Studiengang Biomaterials.

Geleitwort ix

Vorwort xi

1 Grundlagen1

1.1 Geschichte 1

1.2 Einleitung 4

1.2.1 Begriffe 4

1.2.2 Der Polymerisationsgrad 5

1.2.3 Nomenklatur 7

1.3 Aufbau von Makromolekulen 9

1.3.1 Abfolge derWiederholungseinheiten 9

1.3.2 Topologie 9

1.3.3 Homo- oder Copolymere 10

1.3.4 Isomerie 12

1.4 Molare Massen 23

1.5 Eigenschaften von Polymeren als Festkorper 28

Literatur 30

2 SynthesevonPolymeren33

2.1 Uberblick und Einteilung 33

2.1.1 Mechanismen der Polymerisation 33

2.1.2 Thermodynamische Voraussetzungen 34

2.2 Kettenpolymerisation 45

2.2.1 Teilreaktionen 45

2.2.2 Lebende Polymerisation 47

2.2.3 Abbruch, Ubertragung und langsamer Start 51

2.3 Ionische Polymerisationen 63

2.3.1 Anionische Polymerisation 65

2.3.2 Kationische Polymerisation 77

2.4 Radikalische Polymerisation 101

2.4.1 Allgemeines 101

2.4.2 Start 102

2.4.3 Wachstum 105

2.4.4 Abbruch 108

2.4.5 Stationarer Zustand und Polymerisationsgrad 110

2.4.6 Ubertragung und Polymerisationsgrad 116

2.4.7 Kontrollierte radikalische Polymerisation 136

2.4.8 Polymerisation in heterogenen Systemen 142

2.5 Polyinsertion 145

2.5.1 Einleitung 145

2.5.2 Cossee-Arlman-Mechanismus 147

2.5.3 Orientierung der Monomere 148

2.5.4 Ziegler-Natta-Katalysatoren 154

2.5.5 Metallocen-Katalysatoren 161

2.5.6 Metathese 173

2.6 Polyaddition und Polykondensation 178

2.6.1 Einleitung 178

2.6.2 Reaktanten 181

2.6.3 Kinetik der Stufenreaktion 184

2.6.4 Polymerisationsgrad und Verteilung 188

2.6.5 Verzweigte und vernetzte Systeme 197

2.7 Copolymerisation 203

2.7.1 Synthese von Copolymeren 203

2.7.2 Statistische Copolymere 205

2.7.3 Block- und Pfropfcopolymere 225

2.8 Reaktionen von Polymeren 234

2.8.1 Polymeranaloge Reaktionen 234

2.8.2 Abbaureaktionen 239

Literatur 241

3 Eigenschaften von Polymeren in Losung255

3.1 Modelle zur Beschreibung der Abmessungen von Makromolekulen 255

3.1.1 Einleitung 255

3.1.2 Statistisches Knauel und flexible Kette 257

3.1.3 Starres Stabchen und wurmartige Kette 266

3.1.4 Tragheitsradius 271

3.2 Thermodynamik von Polymerlosungen 275

3.2.1 Einfuhrung 275

3.2.2 Ideale Losung 275

3.2.3 Regulare Losung 285

3.2.4 Verhalten idealer Mischungen 300

3.2.5 Verhalten regularer Mischungen 308

3.2.6 Phasendiagramme regularer Mischungen 320

3.2.7 Grenzen des Flory-Huggins-Modells und Exzessgrosen 326

3.2.8 Virialkoeffizienten und Qualitat des Losungsmittels 329

3.2.9 Hydrodynamischer Radius 335

3.2.10 Konzentrationsregime von Polymeren in Losung 338

3.3 Verteilungen 342

3.3.1 Anzahl, Masse und Anteil 342

3.3.2 Mittelwerte und Gewichte 354

3.3.3 Breite der Verteilung 367

3.4 Methoden zur Bestimmung der molaren Massen 371

3.4.1 Einleitung 371

3.4.2 Bestimmung der Endgruppen 371

3.4.3 Osmose 375

3.4.4 Lichtstreuung 384

3.4.5 Ultrazentrifuge 397

3.4.6 Viskositat 415

3.4.7 Methoden zur Bestimmung der Verteilung 423

3.4.8 Zusammenfassung und Vergleich 437

Literatur 439

4 Eigenschaften von Polymeren als Festkorper445

4.1 Thermische Eigenschaften 445

4.1.1 Einleitung 445

4.1.2 Schmelzen und Kristallisieren 446

4.1.3 Der Glasubergang 450

4.1.4 Kristallisation bei Polymeren 457

4.1.5 Experimentelle Bestimmung der Phasenubergange 458

4.2 Mechanische Eigenschaften 465

4.2.1 Elastisches und plastisches Verhalten 465

4.2.2 Elastische Verformung 465

4.2.3 Plastisches Fliesen 472

4.2.4 Elastizitat und Viskositat 480

4.2.5 Kautschukelastizitat 489

4.3 Grundlagen der Streuung 495

4.3.1 Einleitung 495

4.3.2 Weitwinkelstreuung 507

4.3.3 Kleinwinkelstreuung 514

4.3.4 Zusammenfassung 521

4.4 Mikroskopische Verfahren 522

4.4.1 Einleitung 522

4.4.2 Elektronenmikroskopie 523

4.4.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 524

4.4.4 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 528

4.4.5 Rasterkraftmikroskopie (AFM) 533

4.4.6 Zusammenfassung 535

Literatur 536

5 Herstellung und Verwendung von Polymeren alsWerkstoffe539

5.1 Einleitung 539

5.2 Thermoplaste 541

5.2.1 Amorphe Thermoplaste 541

5.2.2 Semikristalline Thermoplaste 547

5.3 Duroplaste (Harze) 563

5.3.1 Epoxidharz (EP) 563

5.3.2 Ungesattigtes Polyesterharz (UP) und Alkydharze 567

5.3.3 Phenol-Formaldehydharz (PF) 568

5.3.4 Harnstoff- und Melamin-Formaldehydharz (UF und MF) 572

5.3.5 Polyurethan (PUR) 574

5.3.6 Polyimid (PI) 577

5.4 Elastomere 579

5.4.1 Naturkautschuk (natural rubber, NR) und Synthesekautschuk (Isopren-Rubber, IR) 579

5.4.2 Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) 581

5.4.3 Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (nitrile-butadiene rubber,NBR) 582

5.4.4 Chloropren-Kautschuk (chloroprene rubber, CR) 583

5.4.5 Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) 583

5.4.6 Polysiloxane/Siliconkautschuk (Q) 584

5.5 Additive und Hilfsmittel 586

5.5.1 Gleitmittel 586

5.5.2 Full- und Verstarkungsstoffe 587

5.5.3 Weichmacher 588

5.5.4 Flammschutzmittel 589

5.5.5 Farbemittel 590

Literatur 591

6 Ausblick: Dendrimere als aktuelles Gebiet der Forschung595

6.1 Grundlagen 595

6.2 Synthese 596

6.2.1 Divergente Synthese 597

6.2.2 Konvergente Synthese 601

6.3 Eigenschaften der Dendrimere 611

6.4 Anwendungen in der Pharmazie 614

6.4.1 Wirkstoff-Freisetzung 614

6.4.2 Einsatz in bildgebenden Verfahren 615

6.4.3 Einsatz als Mikrobiozide 615

6.5 Zusammenfassung 619

Literatur 619

Stichwortverzeichnis 623