Polymersynthese-Techniken
Polymere sind eine Klasse von Materialien aus kleinen, sich wiederholenden chemischen Einheiten. Der Baustein oder die sich wiederholende Einheit des Polymers wird als Monomer bezeichnet. Polymerisation, oder Polymersynthese, ist eine chemische Reaktion, bei der Monomere kovalent zu Polymerstrukturen verbunden werden. Die Länge der Polymerkette ist durch die Anzahl der sich wiederholenden Einheiten in der Kette charakterisiert und wird als Polymerisationsgrad (DP) bezeichnet. Das Molekulargewicht des Polymers ist das Produkt aus dem Molekulargewicht der sich wiederholenden Einheit und dem DP. Die grundlegenden inhärenten Eigenschaften von Polymeren hängen vorwiegend vom Molekulargewicht, der Struktur (linear oder verzweigt) und dem DP ab.
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Je nach Art der beteiligten chemischen Reaktion werden Polymerisationen in zwei Gruppen unterteilt: Kondensationspolymerisation und Additionspolymerisation. Bei der Kondensations- oder Stufenwachstumspolymerisation findet zwischen verschiedenen bifunktionellen oder trifunktionellen Monomeren eine Kondensationsreaktion statt, wobei Polymere gebildet und kleine Moleküle (oftmals Wasser) aus der Reaktion eliminiert werden. Bei der Additions- oder Kettenwachstumspolymerisation erfolgt das Polymerwachstum, indem Monomere zu aktiven Zentren in der Polymerkette hinzugefügt werden, wobei die aktiven Zentren am Ende jedes Wachstumsschritts regeneriert werden. Zur Produktion der Initiatorspezies mit reaktiven Zentren wird ein Initiator benötigt. Das reaktive Zentrum kann ein freier Radikalen-, Kationen-, Anionen- oder Organometallkomplex sein.
Die Eigenschaften von Polymeren hängen in hohem Maß von den Monomerarten und der zur Synthese verwendeten Polymerisationsmethode ab. Die lebende oder kontrollierte radikalische Polymerisation (KRP) ermöglicht eine bessere Kontrolle über das Polymer-Molekulargewicht, die molekulare Gewichtsverteilung, Funktionalität und Zusammensetzung. Die KRP kann mit zahlreichen Vinylmonomeren zur Herstellung von Polymeren mit unterschiedlichen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden.
Es gibt drei grundlegende KRP-Methoden:
- Radikalische Polymerisation mit Atomtransfer (ATRP)
- Radikalische Polymerisation mit reversiblem Additions/Fragmentierungs-Kettentransfer (RAFT)
- Nitroxid-vermittelte Polymerisation (NMP)
DDie ATRP ist besonders geeignet für Anwendungen zur Oberflächenmodifizierung, bei denen es auf spezifische Hydrophilie, Adhäsionseigenschaften oder die Funktionalisierung von Nanopartikeln ankommt. Sowohl mittels RAFT als auch ATRP erzeugte Polymere können nach der Polymerisation modifiziert werden und werden verbreitet im biomedizinischen Bereich für den Wirkstofftransport und in der Gewebezüchtung eingesetzt. Block-Copolymere für biomedizinische Anwendungen werden häufig mittels RAFT oder ATRP erzeugt. Durch NMP erzeugte Block-Copolymere sind für die Pigmentdispersion, für Speicherbausteine und für die Herstellung von Verbundwerkstoffen unerlässlich.
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