Copolymerisation

Im Gegensatz zur einfachen Homopolymerisation, bei der nur eine einzige Monomerart zum Einsatz kommt, werden bei der Copolymerisation verschiedene Monomere gleichzeitig oder nacheinander zur Reaktion gebracht. Das Produkt der Copolymerisation ist ein Copolymer, das unterschiedliche Monomerarten in einem Molekül besitzt. Je nach der Verteilung der verschiedenen Monomerarten im Polymer unterscheidet man zwischen statistischen, alternierenden, Block- und Pfropf-Copolymeren.

Copolymerisation macht eine Vielzahl von Werkstoffen zugänglich. Durch Abstimmung der Art und Molverhältnisse der Monomeren im Polymer lassen sich viele Eigenschaften über einen weiten Bereich variieren. Eine wichtige Klasse sind die thermoplastischen Elastomere. Diese werden bei erhöhter Temperatur zu Thermoplasten und können wie diese einfach verarbeitet werden. Nach Erkalten zeigen sie wieder (gummi)elastische Eigenschaften. Auch Weichmachung (Innere Weichmachung) ist durch Copolymerisation erreichbar. Ein externer Weichmacher wird dann nicht mehr benötigt.

Für die Prozessführung der Synthese ist es wichtig zu wissen, welche Zusammensetzung das Copolymer haben soll. Dementsprechend müssen die Monomere eingesetzt werden. Betrachtet man zunächst die Synthese eines Copolymeren aus zwei Monomeren (für höhere Systeme gilt das Modell entsprechend). Grundsätzlich sind vier Einzelreaktionen am Kettenende eines Makromoleküls zu dessen Propagation möglich:

${\displaystyle \backsim M_{1}^{\bullet }+M_{1}{\xrightarrow {k_{11}}}\backsim M_{1}M_{1}^{\bullet }}$

${\displaystyle \backsim M_{1}^{\bullet }+M_{2}{\xrightarrow {k_{12}}}\backsim M_{1}M_{2}^{\bullet }}$

${\displaystyle \backsim M_{2}^{\bullet }+M_{1}{\xrightarrow {k_{21}}}\backsim M_{2}M_{1}^{\bullet }}$

${\displaystyle \backsim M_{2}^{\bullet }+M_{2}{\xrightarrow {k_{22}}}\backsim M_{2}M_{2}^{\bullet }}$

Aus den vier Geschwindigkeitskonstanten erstellt man nun Quotienten, die auch Copolymerisationsparameter genannt werden:

${\displaystyle r_{1}={\frac {k_{11}}{k_{12}}}}$ und ${\displaystyle r_{2}={\frac {k_{22}}{k_{21}}}}$

Die Parameter geben die Wahrscheinlichkeit an, mit der das Monomer M${\displaystyle _{1}}$ oder M${\displaystyle _{2}}$ an ein Kettenende angelagert wird, welches eine M${\displaystyle _{1}}$ oder M${\displaystyle _{2}}$ Gruppe trägt.

Copolymerisationsdiagramm

Ist z. B. ${\displaystyle r_{1}<1}$, wird das Monomer 2 bevorzugt an das Kettenende 1 angelagert. Für ${\displaystyle r_{1}>1}$ ist es genau umgekehrt. Sind beide Parameter gleich eins, so ist keine der vier Reaktionen bevorzugt, und es kommt zu einem rein statistisch verteilten Copolymer. Aus dem Geschwindigkeitsgesetz

${\displaystyle {\frac {dM_{1}}{dM_{2}}}={\frac {m_{1}}{m_{2}}}={\frac {M_{1}}{M_{2}}}\cdot {\frac {r_{1}M_{1}+M_{2}}{r_{2}M_{2}+M_{1}}}}$

lassen sich die Molenbrüche im Polymer berechnen, da der Quotient von Geschwindigkeitskonstanten eine Gleichgewichtskonstante ist. Trägt man den Molenbruch einer Monomerspezies im Reaktionsansatz gegen ihren Molenbruch im Polymer auf, so erhält man das abgebildete Copolymerisationsdiagramm. Der Schnittpunkt der Kurven mit der Winkelhalbierenden (hier grün) stellt den azeotropen Punkt dar. Wird eine Reaktion unter diesen Bedingungen geführt, ist der Molenbruch einer Spezies im Reaktionsansatz genauso groß wie im resultierenden Polymer. In anderen Fällen kommt es zu einer Verschiebung des Molenbruchs während der Reaktion. Dies wird als Drift bezeichnet.

Die Reaktivität der Monomere und somit das Einbauverhalten der Monomerkomponenten in das Copolymer werden grundlegend durch zwei Faktoren dominiert.

• Resonanzeffekte
• Polaritätseffekte

Die Reaktivität eines Monomers kann durch seine kinetische Aktivität beschrieben werden. Das Copolymerisationsverhalten wird durch den Copolymerisationsparameter r bestimmt und ist folglich eine Funktion der Reaktivitäten der einzelnen Monomere.

• B. Tieke: Makromolekulare Chemie. Wiley-VCH, 2005, ISBN 3-527-31379-6.