Die Geschichte polymerer Materialien, Teil 13: Wie Nylon und Polyester die Textilinnovation neu schrieben

Die gleiche Innovationswelle, die Nylon hervorbrachte, trieb auch die Entwicklung synthetischer Polyester voran. In den 1930er Jahren synthetisierte Julian Hill, ein Schlüsselmitglied von Wallace Carothers' DuPont-Team, erstmals Polyesterfasern – lange bevor Nylon selbst entstand. Doch als Nylons außergewöhnliche Eigenschaften deutlich wurden, wurde die Polyesterforschung zurückgestellt. Die verflochtenen Geschichten von Nylon und Polyester lassen sich am besten durch einen genaueren Blick auf ihre Chemie verstehen.

Kondensationspolymere: Die chemische Grundlage

Sowohl Nylons der ersten Generation als auch frühe Polyester gehören zur Familie der Kondensationspolymere. Carothers begann bereits 1926, noch in der akademischen Welt, diese Reaktionen zu erforschen. Mit den Ressourcen der DuPont-Labore setzte er Theorie schnell in Praxis um. Kondensationspolymere entstehen, wenn zwei Moleküle – jedes mit reaktiven Funktionsgruppen an beiden Enden – reagieren, ein kleines Molekül (oft Wasser) freisetzen und in beide Richtungen wachsen, wodurch eine lange Kette gebildet wird.

Ester- und Amidbindungen im Vergleich

Ester entstehen, wenn ein Alkohol mit einer Carbonsäure reagiert, wie in Abbildung 1 gezeigt, wo Ethanol und Essigsäure Ethylacetat bilden. Die charakteristische Carbonyl-Sauerstoff-Doppelbindung definiert die Estergruppe. Amide bilden sich ähnlich, jedoch ersetzt ein Amin den Alkohol. In Abbildung 2 reagiert Propionsäure mit Harnstoff zu Propionamid.

Bei typischen Ester- und Amidsynthesen nimmt nur ein reaktives Ende teil, was die Reaktion beendet. Carothers entdeckte, dass, wenn beide Enden eines Moleküls reaktive Gruppen tragen, der Prozess fortgesetzt werden kann und ein langkettiges Makromolekül – ein Polymer – entsteht. Abbildung 3 veranschaulicht dieses Prinzip am Beispiel von Nylon 66.

Wasserstoffbrücken: Der Schlüssel zu Nylons Stärke

Die Amidbindung – bestehend aus einer Carbonylgruppe (C=O) und einer N–H-Verknüpfung – erzeugt ein Dipol, der starke intermolekulare Wasserstoffbrücken ermöglicht. Der Sauerstoff trägt eine partielle negative Ladung, das an Stickstoff gebundene Wasserstoff eine partielle positive. Wenn benachbarte Polymerketten sich ausrichten, ziehen sich diese Dipole an, was Nylon seine hohe Zugfestigkeit und einen Schmelzpunkt von 260 °C (500 °F) verleiht. Dieses Wasserstoffbrücken-Netzwerk ist der Eckpfeiler von Nylons überlegener mechanischer Leistung.

Polyester: Schwächere Bindungen, geringere Performance

Im Gegensatz dazu fehlt Esterverbindungen die N–H-Komponente, weshalb sie keine ebenso robusten Wasserstoffbrücken bilden können. Daher weisen aliphatische Polyester niedrigere Schmelzpunkte auf – typischerweise etwa 80 °C (176 °F) für ein Polymer mit vergleichbarem Molekulargewicht wie Nylon 66 – und sind anfälliger für Hydrolyse. Diese Eigenschaften entsprachen nicht DuPonts Zielen für Hochleistungsfasern, weshalb das Unternehmen den Fokus vollständig auf Nylon verlagerte.

Der Durchbruch: Aromatische Polyester

Drei Jahre später griffen die britischen Chemiker John Rex Whinfield und James Tennant Dickson die DuPont-Daten auf und fanden einen Weg, Polyesters Eigenschaften durch Einbau aromatischer Ringe zu verbessern. Aromatische Strukturen wie Benzol oder Xylol sind planar, steif und verbessern thermisches und mechanisches Verhalten erheblich, wenn sie in die Polymerkette eingebaut werden.

1939 kombinierten Whinfield und Dickson die aromatische Carbonsäure Terephthalsäure mit Ethylenglykol und schufen so den ersten kommerziell nutzbaren Polyester – Polyethylenterephthalat (PET). Zusammen mit W.K. Birtwhistle und C.G. Ritchie patentierten sie PET und führten eine Faser unter dem Markennamen Terylene ein, die 1941 von Imperial Chemical Industries (ICI) auf den Markt gebracht wurde.

Dieser Durchbruch läutete das moderne Zeitalter der Polyesterfasern ein – eine Geschichte, die wir im nächsten Teil fortsetzen werden.

Über den Autor
Michael Sepe ist unabhängiger Berater für Materialien und Verarbeitung mit Sitz in Sedona, Arizona. Mit über 45 Jahren Erfahrung in der Kunststoffindustrie berät er Kunden in Nordamerika, Europa und Asien zu Materialauswahl, Design für Fertigbarkeit, Prozessoptimierung, Fehlersuche und Schadensanalyse. Kontakt: (928) 203‑0408 | mike@thematerialanalyst.com