Polykondensation – Entstehungsreaktion von Kunststoff

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Um einen polymeren Kunststoff herzustellen, werden in vielen Fällen Kondensationsreaktionen herbeigeführt, bei denen Monomere in Polymere überführt werden. Ein solcher Synthesevorgang, bei dem neben der Reaktion zum Polymer zusätzlich mindestens ein Nebenprodukt frei wird, wird als Polykondensation bezeichnet.

Reaktionsprozess der Polykondensation

Damit ein für die Herstellung von Kunststoff vorgesehenes Monomer an einer solchen Reaktion überhaupt teilnehmen kann, muss es mindestens über 2 funktionelle Gruppen verfügen, die zudem besonders reaktionsfähig sind. Zu solchen Gruppen zählen unter anderem CHO, NH2, COOH und OH.

In der Regel werden bei einer Polykondensation Monomere verschiedener Art miteinander umgesetzt. Es können zum Beispiel Diole mit Dicarbonsäuren reagieren, die während der Reaktion zu Estern kondensieren. Die so entstehenden Oligomere reagieren wiederum untereinander und bilden schlussendlich ein Makromolekül aus, das die für den jeweiligen Kunststoff gewünschten Eigenschaften besitzt. Die Produkte einer Polykondensation werden Polykondensate genannt. Nicht nur Kunststoff entsteht durch Polykondensation. Auch eine Reihe natürliche Produkte sind das Ergebnis solcher Reaktionen, wie zum Beispiel Polykieselsäuren.

Polykondensation
Schematische Darstellung einer Polykondensation
 

Unterschied Polykondensation zu Polyaddition und Kettenpolymerisation

Während bei der Polymergewinnung durch Kettenpolymerisation oder Polyaddition keine Nebenprodukte entstehen, wird bei der Kunststoff-Herstellung durch Polykondensation stets mindestens ein Nebenprodukt frei. Bei diesen Nebenprodukten kann es sich zum Beispiel um Wasser, Ammoniak und niedrige Alkohole sowie Chlorwasserstoff handeln. Sie müssen ständig abgeführt werden, da sonst die Reaktion aus thermodynamischen Gründen vorzeitig und bei zu geringem Polymerisationsgrad stoppt.

Voraussetzungen für die Reaktion bei einer Polykondensation

Während bei einer Kettenpolymerisation schon bei geringem Umsatz Makromoleküle gebildet werden, kann ein Polykondensat (Kunststoff) mit hoher molarer Masse bei der Polykondensation nur dann gebildet werden, wenn der Reaktionsumsatz mindestens 99 Prozent beträgt. Das Verhältnis der für die Reaktion eingesetzten Monomere muss zudem so exakt wie möglich dem stöchiometrischen Verhältnis entsprechen, das durch die Reaktion vorgegeben ist. Ansonsten gelangt die Reaktion an einen Punkt, an dem die zwischenzeitlich gebildeten Oligomere alle die gleichen aktiven Enden besitzen, die nicht mehr miteinander reagieren können. Hierdurch wird die Bildung von Makromolekülen verhindert (vgl. Carothers-Gleichung).

Historisches zur Nutzung von Polykondensationen

Adolf von Baeyer, der deutsche Chemiker und Nobelpreisträger, führte im Jahr 1872 zum ersten Mal erfolgreich eine Polykondensation durch. Er beschrieb dabei ausführlich die Synthese von Bakelit aus Phenol und Formaldehyd als Polykondensationsreaktion. Dies bildete die Grundlage für die heutige Polymerchemie. 1909 wurde Bakelit zum ersten Mal in industriellem Maßstab synthetisiert, und zwar von Leo Hendrik Baekeland. Der Kunststoff wird auch heute noch in vielen Bereichen verwendet.

Anwendungsbereiche der Polykondensation

Heute ist die Polykondensation ein wichtiges Verfahren in der Kunststoff-Herstellung. Es wird unter anderem zur Produktion von Polyester und Polyamide sowie Phenoplasten wie Bakelit genutzt. Weiterhin sind Polykondensationsreaktionen von erheblicher Bedeutung in der Klebstoff-Herstellung, etwa von Phenolformaldehydklebstoffen. Auch bei der Herstellung von Bremsbelägen für Kraftfahrzeuge wird diese Art von Reaktionen eingesetzt.

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Beispiele für Polykondensationsreaktionen aus der Kunststoff-Herstellung

Phenoplast / Phenolharz:

Indem man eine Reaktion von Phenol mit einem Aldehyd herbeiführt und einen Katalysator nutzt entsteht zunächst ein erstes Zwischenprodukt. Dieses wiederum reagiert unter Abspaltung von Wasser wiederholt mit Formaldehyd und Phenol zu einem Makromolekül. Es handelt sich dabei um eine Polykondensationsreaktion, weil sich im Verlauf der Polymerausbildung immer wieder Wasser abspaltet. Es wird eine Copolymerisation sowie eine räumliche Vernetzung der Oligomere herbeigeführt. Das Endprodukt der Synthese ist ein Phenoplast, das auch als Phenolharz, Phenol-Formaldehyd-Kondensat oder Bakelit bezeichnet wird.

Polyester:

Carbonsäuren (in diesem Fall Therephtalsäure) reagieren mit Diolen (etwa Ethandiol). Dabei wird Wasser abgespaltet und es entsteht ein Polyester-Kunststoff (hier PET). Wenn diese Reaktion mehrstufig unter Einbeziehung des Reaktionsproduktes als Ausgangsstoff abläuft, so handelt es sich um eine Polykondensation. Nutzt man anstelle von Ethandiol zum Beispiel Glycerin, findet eine räumliche Vernetzung statt und es wird ein Duroplast synthetisiert.

Polyamide:

Wenn Diamine mit Dicarbonsäuren reagieren entstehen durch Polykondensation Polyamide, wie zum Beispiel Nylon. Wenn man ein Gemisch aus Adipinsäure mit Hexamethylendiamin erhitzt, so entsteht dabei durch Polykondensation der Kunststoff 6,6 Nylon.

Polyamid - Polykondensation

Für Polykondensationreaktionen eingesetzte technische Verfahren:

  • Fällungspolykondensation
  • Schmelzpolykondensation
  • Grenzflächenpolykondensation
  • Festphasenpolykondensation
  • Lösungspolykondensation