Chemie-Auffrischung

Diese Seite ist eine Auffrischung für alle, bei denen der Chemieunterricht eine Weile her ist. Sie erklärt in einfachen Worten die Handvoll Begriffe, die in der Polymerchemie und auf den Materialseiten immer wieder vorkommen. Wer weiß, was ein Ester ist, kann hier direkt weiterspringen.

Bindungen: warum Atome zusammenhalten

Atome verbinden sich, indem sie sich Elektronen teilen. Ein geteiltes Elektronenpaar ist eine Bindung, und in Strukturformeln wird sie als Strich gezeichnet.

Wie viele Bindungen ein Atom eingeht, ist für die wichtigsten Elemente fest:

Kohlenstoff mit seinen vier Bindungen ist der Grund, warum es überhaupt Kunststoffe gibt. Er kann sich endlos an seinesgleichen hängen und trägt dabei noch andere Atome mit. Kein anderes Element kann das in dieser Vielfalt.

Zwei Atome können sich auch zwei Elektronenpaare teilen -- das ist eine Doppelbindung, gezeichnet als Doppelstrich (C=C oder C=O). Doppelbindungen sind kürzer, starrer und deutlich reaktionsfreudiger als Einfachbindungen. Das wird später wichtig: Eine C=C-Doppelbindung ist die Sollbruchstelle, an der Kunststoffketten anfangen zu wachsen.

Funktionelle Gruppen: die Anschlüsse eines Moleküls

Ein Molekül aus lauter Kohlenstoff und Wasserstoff ist chemisch stinklangweilig -- Benzin zum Beispiel. Interessant wird es, wenn Sauerstoff oder Stickstoff dazukommen. Solche charakteristischen Atomgruppen heißen funktionelle Gruppen, und sie bestimmen, wie ein Molekül reagiert. Man kann sie sich als die Anschlüsse eines Moleküls vorstellen: Sie geben vor, mit wem es sich verbinden lässt.

Diese fünf reichen für unsere Zwecke:

Die ersten drei sind die wichtigsten, denn sie reagieren miteinander -- und genau daraus entstehen die zwei Bindungen, um die sich beim 3D-Druck alles dreht.

Was ist ein Ester?

Ein Ester entsteht, wenn eine Säure und ein Alkohol miteinander reagieren. Dabei gibt die Säure ihr OH ab, der Alkohol sein H -- die beiden bilden zusammen Wasser, das übrig bleibt. Der Rest der zwei Moleküle hängt danach aneinander:

Ester sind alltäglicher, als der Name klingt: Fette und Öle sind Ester. Und die meisten Fruchtaromen ebenfalls -- der Geruch von Banane, Birne oder Ananas kommt von kleinen Estern. Für uns entscheidend: Auch PET, PETG und PLA sind Ester, nur eben sehr, sehr lange.

Der Clou an dieser Reaktion ist, dass sie in beide Richtungen läuft. Gibt man Wasser dazu und heizt, dreht sie sich um: Der Ester zerfällt wieder in Säure und Alkohol. Das nennt man Hydrolyse (griechisch: „durch Wasser spalten"). Deshalb müssen Filamente mit Esterbindung trocken gedruckt werden -- bei 250 °C in der Düse zerlegt Restfeuchte genau die Bindungen, die das Material zusammenhalten.

Was ist ein Amid?

Ein Amid entsteht fast genauso, nur reagiert die Säure diesmal mit einem Amin statt einem Alkohol. Auch hier bleibt Wasser übrig:

Auch Amide sind alltäglich, und zwar sehr: Alle Proteine bestehen aus Amidbindungen -- in der Biologie heißen sie Peptidbindungen. Seide, Wolle und Haare sind lange Ketten aus Amiden. Als der Chemiker Wallace Carothers 1935 Nylon erfand, baute er im Grunde eine künstliche Version davon. Dass sich Nylon wie Seide anfühlt, ist deshalb kein Zufall.

Monomer, Dimer, Polymer -- die Zählwörter

Die griechischen Vorsilben sagen einfach, wie viele Bausteine zusammenhängen:

„Mer" kommt vom griechischen meros, Teil. Ein Monomer ist also der einzelne Baustein, ein Polymer die fertige lange Kette. Ein Dimer ist genau der Zwischenschritt aus zwei Bausteinen -- bei PLA wichtig, weil man dort nicht die Milchsäure selbst verkettet, sondern erst zwei davon zum Ring Lactid zusammenlegt und dann diesen Ring aufbricht.

Warum lange Ketten fest sind, lässt sich gut mit Spaghetti erklären: Ein Topf kurzer Nudelstücke lässt sich mühelos umrühren. Sind die Nudeln lang, verheddern sie sich ineinander, und der ganze Topf hängt zusammen. Genau das machen Polymerketten. Deshalb ist die Kettenlänge -- die Molmasse -- so entscheidend: Werden Ketten zerschnitten, etwa durch Hydrolyse, wird das Material spröde, obwohl chemisch noch derselbe Stoff vorliegt.

Aliphatisch und aromatisch

Zwei Wörter, die ständig auftauchen und einen einfachen Unterschied meinen:

• Aliphatisch heißt: Der Kohlenstoff bildet offene Ketten oder Zickzacklinien. Solche Ketten sind beweglich -- sie können sich verdrehen wie eine Fahrradkette.
• Aromatisch heißt: Der Kohlenstoff bildet einen Sechserring (den Benzolring), gezeichnet als Sechseck mit Kreis oder wechselnden Doppelstrichen darin. Dieser Ring ist flach und starr.

Daraus folgt eine Faustregel, die durch die ganze Filamentwelt trägt: Ringe im Rückgrat machen ein Material steif und hitzefest, Ketten machen es beweglich und einfacher zu verarbeiten. PA6 mit aliphatischer Kette wird bei 50 °C weich, PPA mit aromatischem Ring erst bei 125 °C -- bei sonst gleicher Chemie.

Polar, unpolar und Wasserstoffbrücken

Sauerstoff und Stickstoff ziehen Elektronen stärker an sich als Kohlenstoff und Wasserstoff. Wo sie sitzen, ist die Ladung deshalb ungleich verteilt: Ein Ende der Bindung ist leicht negativ, das andere leicht positiv. Solche Stellen nennt man polar.

Polare Stellen ziehen sich gegenseitig an. Ist ein Wasserstoff im Spiel, ist diese Anziehung besonders kräftig und heißt Wasserstoffbrücke. Sie ist viel schwächer als eine echte Bindung, aber es gibt sie tausendfach -- und in der Summe hält sie erstaunlich viel zusammen. Wasser kocht nur deshalb erst bei 100 °C, obwohl seine Moleküle winzig sind.

Für Filamente ist das der Schlüssel zu einer alltäglichen Beobachtung: Wasser ist selbst polar. Ein Kunststoff mit vielen polaren Gruppen zieht deshalb Feuchtigkeit aus der Luft -- Nylon mit seinen Amidgruppen ist der Klassiker. Ein Kunststoff aus reinem Kohlenstoff und Wasserstoff wie Polypropylen hat nichts, woran Wasser andocken könnte, und bleibt trocken.

Damit ist das Vokabular beisammen. Weiter geht es in der Polymerchemie für den 3D-Druck, wo aus diesen Bausteinen die Materialeigenschaften werden.