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Tutorial MenueStufenreaktionenLerneinheit 1 von 17

Stufenreaktionen - Grundlagen

Möglichkeiten zur Steuerung der Molmasse

Stufenreaktionen führen zu Makromolekülen, die schon bei relativ geringen Molmassen gute mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Zähigkeit aufweisen. Technisch erzeugte Molmassen bei Stufenreaktionen liegen für Fasern bei 10.000 bis 30.000 g/mol, für feste Werkstoffe bei 20.000 bis 50.000 g/mol. Diese Tatsache ist darauf zurückzuführen, dass die Ester-, Amid-, Hydroxy- oder Carbonyl-Gruppen in den Ketten die Ausbildung von Wasserstoff-Brückenbindungen ermöglichen. Diese tragen durch intermolekulare Adduktbildung zur Stabilisierung der Produkte bei.

Materialien mit zu hohen Molmassen lassen sich mitunter nicht gut verarbeiten. Daher möchte man gezielt Reaktionen abstoppen, wenn der gewünschte Polymerisationsgrad erreicht ist.

Molmassensteuerung durch Überschuss einer Komponente

Die Abhängigkeit des Polymerisationsgrades von dem molaren Verhältnis r der funktionellen Gruppen des Eduktgemisches kann auch gezielt zur Molmassensteuerung eingesetzt werden. Allerdings ist im Falle des Reaktionstyps AA//BB die präzise Einstellung von r nicht einfach. Gründe hierfür können sein:

  • Verunreinigungen,
  • Nebenreaktionen (z.B. Decarboxylierung bei hoher Reaktionstemperatur) und das
  • Verarmen der Reaktionsmischung an einer leichter siedenden Komponente (besonders beim Einsatz von Vakuum wegen hoher Viskosität).

Molmassensteuerung durch Zugabe monofunktioneller Monomere

Zum Zweck der Molmassensteuerung kann man auch eine geringe Menge monofunktioneller Moleküle zusetzen. Diese bewirken einen "Kettenabbruch". Gibt man z.B. zur Dicarbonsäure BB eine Monocarbonsäure B', so verändert sich das molare Verhältnis r der funktionellen Gruppen. Für r resultiert die folgende Gleichung (18).

r = N A 0 N B 0 + 2 N B ' 0
Legende
N A 0 N B 0 -Anzahl der funktionellen Gruppen A, B in bifunktionellen Molekülen zur Zeit t = 0
N B'0 -Anzahl der zusätzlichen funktionellen Gruppen B' = Anzahl der monofunktionellen Moleküle zur Zeit t = 0
r -Stoffmengenverhältnis der funktionellen Gruppen

Der Faktor 2 für die Anzahl der funktionellen Gruppen B' ergibt sich, da das Molekül B' den gleichen quantitativen Effekt hat wie ein Überschussmolekül B-B.

Mit Hilfe von r kann man den Polymerisationsgrad aus der Carothers-Gleichung berechnen.

Die oben gezeigte Gleichung kann man auch bei Stufenreaktionen des Typs AB verwenden, da prinzipiell die "Herkunft" der funktionellen Gruppen keine Rolle spielt. Es ist also gleich, ob die funktionellen Gruppen A und B im gleichen Molekül oder in zwei verschiedenen vorkommen. Für diesen Reaktionstyp ist die Methode der Zugabe von monofunktionellen Monomeren zur Molmassenkontrolle die Methode der Wahl, da in Molekülen vom Typ AB stets N A0 = N B0 gilt.

Bislang wurde jeweils angenommen, dass Wasser immer aus dem Gleichgewicht entfernt wurde. Technisch müssen die Reaktionsbedingungen so gewählt werden, dass dies trotz der hohen Viskosität des Reaktionsgemisches gewährleistet wird. Die negativen Auswirkungen des verbleibenden Wassers in der Reaktionsmischung werden im Kapitel Reaktionswasser bei der PET-Herstellung näher betrachtet.

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