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Eigenschaften von Kunststoffen:

Taktizität

Die Taktizität (von griech. taxis = Anordnung) beschreibt die Art und Weise, wie vorhandene Reste an der Hauptkette von Kunststoffmolekülen hängen, sie beeinflusst wesentliche Eigenschaften des Kunststoffes, wie z.B. Härte, Formbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit, sie ist also wichtig genug, um hier Erwähnung zu finden und eine eigene Seite zu bekommen.

Taktizität kommt vor bei einem Teil der Kunststoffe, die durch Polymerisation entstehen.
Aber warum nur bei Polymerisaten, und warum nicht bei allen Polymerisaten?
Polymerisate werden synthetisiert, indem sich Monomere mit (mind.) einer Doppelbindung aneinander addieren. Das Paradebeispiel hierfür ist die Synthese von Polyethen, dessen Monomere, wie der Name sagt, Ethen-Moleküle sind, die einfachsten Alkene:

Synthese von Polyethylen

Anhand der oben gezeigten Strukturformel wird auch deutlich, wieso Polyethen keine Taktizität besitzt: Es gibt keine Seitenketten, die irgendwie unterschiedlich (wie, wird noch erklärt) angeordnet sein können, das Monomer ist symmetrisch aufgebaut, der entstandene Kunststoff entsprechend gleichmäßig.

Ein typischer Fall für einen Kunststoff mit Seitenketten ist hingegen Polypropen, dessen Monomere Propenmoleküle sind:

Synthese von Polypropylen

Nun bleibt natürlich noch die Frage der Taktizität: In der oben gezeigten Abbildung sieht Polypropen einfach und unkompliziert aus, die CH3-Gruppen scheinen gleichmäßig angeordnet zu sein. Trotzdem lassen sich anhand der Taktizität drei Arten von Polypropen unterscheiden, aber wieso?

Tetraeder Statt der rechten Winkel in der obigen Zeichnung sind im eigentlichen Molekül Tetraederwinkel von 109° (zur Erinnerung: ein Tetraeder ist ein dreidimensionales Gebilde aus vier gleichseitigen Dreiecken) vorhanden, d.h. die Atome, die an die Kohlenstoffatome gebunden sind, bilden einen Tetraeder um das zentrale Kohlenstoffatom herum (für Fortgeschrittene: Die Kohlenstoffatome sind sp3-hybridisiert).

Das bedeutet natürlich, dass die Hauptkette nicht absolut gerade, sondern im Zickzack verläuft, die an die Kohlenstoffatome gebundenen Atome und Reste haben im Idealfall folgende räumliche Anordnung, in der die Tetraederwinkel erhalten bleiben (in Wirklichkeit liegt die Kette jedoch nicht ganz ausgestreckt vor, sondern teilweise geknäult und gefaltet, die Tetraederwinkel sind aber immer vorhanden):

Hauptkette, räumliche Anordnung

Diese räumliche Anordnung bedeutet aber auch, dass es für jeden Rest, der an einem C-Atom der Hauptkette hängt (bei Polypropen die CH3-Gruppe), zwei verschiedene Möglichkeiten gibt: Entweder er ragt nach vorne (in Beziehung zur oben gezeigten Hauptkette), oder er zeigt nach hinten:

Rest nach vorne und nach hinten zeigend

Dies gilt für jedes einzelne Kohlenstoffatom, bei dem Wasserstoffatome durch andere ersetzt sind (solange nicht alle durch gleichartige Atome ersetzt sind, denn dann gibt es ja keinen Unterschied mehr). Für Polymere wie unser Polypropen ergeben sich daher, wenn wir das ganze Molekül mit sämtlichen hunderten oder tausenden Kohlenstoffatomen betrachten, noch weitere Möglichkeiten: Entweder können alle Reste nach vorne bzw. nach hinten zeigen, oder sie können abwechselnd nach vorne oder nach hinten ragen, oder aber völlig beliebig teilweise nach vorne und teilweise nach hinten stehen. Und genau dies ist die Taktizität !

Polymere, bei denen alle Reste in eine Richtung ragen, also alle nach vorne oder alle nach hinten, werden isotaktisch genannt:

isotaktisches Polypropylen


Polymere, bei denen die Reste abwechselnd nach vorne und nach hinten zeigen, werden syndiotaktisch genannt:

syndiotaktisches Polypropylen


Polymere, bei denen die Reste unregelmäßig angeordnet sind, d.h. zufällig mal vorne und mal hinten, werden ataktisch genannt:

ataktisches Polypropylen

Doch was bewirkt die Taktizität? Je gleichmäßiger Moleküle aufgebaut sind, desto leichter bilden sie Kristalle, weil sie sich besser aneinanderlagern können (das ist dasselbe Prinzip wie bei Bauklötzen oder Legosteinen: je ähnlicher sie sind, desto dichter lassen sie sich packen, und desto gleichmäßiger ist die entstehende Ordnung).
Der Grad der Kristallinität wiederum steht in Zusammenhang mit den Eigenschaften eines Kunststoffes: Je kristalliner ein Kunststoff ist, desto härter und spröder ist er, Formbeständigkeit und Schmelzpunkt bzw. Erweichungspunkt nehmen zu, weil aufgrund der gleichmäßigeren Anordnung der Moleküle zwischenmolekulare Kräfte besser wirken können.
Bleiben wir beim Beispiel Polypropen: ataktisches Polypropen ist amorph, syndiotaktisches Polypropen weniger kristallin als isotaktisches. Industriell bedeutend ist nur das isotaktische Polypropen, und nur dieses lässt sich zu Fasern verarbeiten.

Und wie bringt man die Monomere dazu, sich bei der Synthese so miteinander zu verbinden, dass ein isotaktischer oder ein syndiotaktischer Kunststoff entsteht?
Bei einer normalen Polymerisation, d.h. wenn wir einfach die Monomere zusammen mit einem Starter in einen Kolben geben und (bei Bedarf) erwärmen, entstehen ataktische Polymere, weil die Monomere sich so verbinden, wie es sich gerade ergibt.
Will man Polymere haben, die eine bestimmte räumliche Struktur haben, nämlich isotaktische oder syndiotaktische, so muss man eine stereospezifische Synthese durchführen, d.h. eine Synthese, bei der die Monomere nur auf eine bestimmte Weise miteinander reagieren können. Dies geschieht bei der Polymerisation mithilfe bestimmter Katalysatoren, die von zwei Chemikern namens Karl Ziegler und Giulio Natta entwickelt wurden (sie erhielten dafür 1963 den Nobelpreis für Chemie), die entsprechende Polymerisation heißt nach ihnen Ziegler-Natta-Polymeristion.

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