Homopolymere vs. Copolymere: Die Chemie hinter Kunststoffperformance verstehen

Hey, wer ist Fan von Organischer Chemie? *Grillen zirpen* OK, vielleicht mochten Sie das Studium nicht, aber ohne jene Ketten kohlenstoffbasierter Moleküle wäre das Leben rau. Hier bei Protolabs zollen wir jenen speziellen Gruppen gebundener Atome – Polymeren – Respekt. Das gilt besonders, weil die Kunststoffe, die wir in der Fertigung nutzen, alle auf Ketten aus Kohlenstoffmolekülen basieren und ihre chemische Struktur Festigkeit, Umgebungsinteraktion, Optik und mehr beeinflusst. Aber das ist kein Org-Chemie-Kurs. Es ist ein Blogpost, um zu verstehen, wie verschiedene Ketten organischer Moleküle das Material beeinflussen, das Sie für Ihre Teile wählen. Also: Gib mir ein C (für Carbon)!

Monomere: Die Bausteine der Kunststoffe

Monomere sind Moleküle, die sich mit anderen verbinden wollen – tun sie das, bilden sie Ketten, sogenannte Polymere, quasi wie Käseschnüre. Nicht überraschend heißt der Prozess Polymerisation. Zur Vereinfachung genügt: Homopolymere sind Ketten aus langen Strängen eines einzelnen Monomertyps. Copolymere bestehen aus zwei oder mehr verschiedenen verbundenen Monomeren.

Ohne Monomere keine Kunststoffe. Gängige Beispiele: Ethylen, Propylen, Styrol, Formaldehyd, Phenol, Acetonitril, Ethylenglykol.

Chemischer Vergleich Homopolymer vs. Copolymer

Beispiel: PVC, die weißen Rohre im Keller, besteht aus Monomeren nur eines Typs – Vinylchlorid –, die sich zu Polyvinylchlorid verkettet haben. „Poly“ bedeutet „viele“. Das Copolymer Nylon 6/6 kombiniert zwei Monomere: Adipinsäure und Hexamethylendiamin.

Ein Copolymer aufbauen

Hier die Info, die beim ersten Date beeindruckt. Ein Basisbeispiel, wie man vom einfachen Molekül zum komplexen Copolymer gelangt (siehe Illustration). Start mit einem basischen Kohlenwasserstoff – einem Benzolring. Jedes Kohlenstoffatom braucht vier Bindungen für Stabilität; Benzol hat das, da jedes C-Atom einfach an ein C und doppelt an den anderen Nachbarn gebunden ist. Zur Vervollständigung fügen wir jedem Kohlenstoff ein Wasserstoffatom hinzu.

Um Styrol (ein Monomer) zu machen, ersetzen wir eines dieser Wasserstoffatome durch eine C2H3-Gruppe. Stabilität bleibt, da Kohlenstoffe vier Bindungen haben und jedes Wasserstoff eine.

Für das Homopolymer Polystyrol verknüpfen wir Styrolmoleküle. Die vier Bindungen an Kohlenstoff und eine an Wasserstoff bestehen fort. Stabil.

Der Sprung von Polystyrol zu ABS ist komplexer: Monomere von Acrylnitril und Butadien zum Styrol hinzufügen. Mehrere Monomertypen machen es zum Copolymer. Alle Atome sind glücklich mit ihren Bindungen (1, 4, oder 3 bei Stickstoff).

Das zweite Date ist gesichert.

Homopolymere vs. Copolymere: Unterschiede am Beispiel Acetale

Vergleichen wir zwei Acetale – das Homopolymer Delrin und das Copolymer Celcon (aka Tecaform):

Hinweis: Glasgefüllte Copolymere tendieren dazu, stärker und langlebiger zu sein als ihre Homopolymer-Verwandten. Die zugesetzten Glasfasern machen hier den Unterschied bei mechanischen Eigenschaften. Die obigen Unterschiede gelten tendenziell für alle Homopolymere und Copolymere verwandter Monomerfamilien.

Ihr Polymer wählen

Am Ende zählt: das beste Material für Ihr Teil wählen. Aber die grundlegenden Unterschiede zwischen Homopolymeren und Copolymeren zu kennen, gibt tiefere Einsicht, welche Wahl die beste ist.