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Molekulare Ordnung - Kristalliner und amorpher Zustand

Kristallinität, Eigenschaften und Struktur

Im Unterschied zum Kristall, dessen Struktur durch ein Modell (Elementarzelle) eindeutig angegeben werden kann, liegt es im Wesen der hier gegebenen Unordnung, dass die Struktur von Polymeren von Ort zu Ort verschieden aussieht.

Mit dem Maß der Kristallinität ändern sich auch die Eigenschaften eines Kunststoffes. Je kristalliner ein Stoff ist, desto härter, allerdings auch spröder, ist er. Für die Herstellung von Kunststoff-Gegenständen ist also eine gewisse Kristallinität durchaus erwünscht, da diese für die Stabilität des Kunststoffes verantwortlich ist. Ebenso sind aber amorphe Regionen nötig, die für eine gewisse Elastizität sorgen.

Die Fähigkeit zur Kristallbildung hängt von der Struktur der Moleküle ab. Je gleichmäßiger ihre Struktur ist und je ähnlicher sich die Moleküle sind, desto besser ist die Kristallbildung. Die Kristallbildung bei Polymeren folgt den allgemeinen Regeln: Moleküle mit regelmäßiger Kettenstruktur (z.B. Polyethylen PE, Polyoxymethylen POM, Polyethylenterephthalat PETP) kristallisieren, während solche mit unregelmäßigere Kettenaufbau sich oft amorph verfestigen. Vor allem erstarren Polymere mit großen und regellos verteilten Substituenten (ataktisches Polystyrol PS, Polymethylmethacrylat PMMA) glasartig. Substituenten vermindern auch bei regelmäßiger Folge die Ordnung, wenn sie wie im Beispiel des Polyesters aus Adipinsäure und Neopentylglycol weiter auseinander liegen. Aromatische, cycloaliphatische oder heterocyclische Strukturelemente in der Hauptkette erschweren die Kristallisation im allgemeinen dann stark, wenn sie in Meta- oder Ortho-Stellung substituiert sind oder zusätzliche Substituenten enthalten.

Für das Verhalten der amorphen Materialien ist wesentlich, dass im erstarrten Zustand große Umordnungen von Molekülen nicht stattfinden, wohl aber lokale Schwingungen und Rotationen von Molekülgruppen. Zudem können sich die Molekülsegmente kurbelwellenartig bewegen. Beim Abkühlen der glasigen Probe frieren solche Bewegungen unterhalb der für sie charakteristischen thermischen Energie ein.

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