Nachdem du bereits die Polymerisation allgemein und im speziellen die ionische Polymerisation kennengelernt hat, möchten wir dir in diesem Kurstext eine weitere Variante vorstellen. Wir erklären dir jetzt als angehenden Techniker den Mechanismus für die katalytische Polymerisation.
„Das Besondere an der katalytischen Polymerisation ist, dass hier metallorganische Komplexverbindungen als Initiatoren die Kettenreaktion antreiben.“
“Sehr viele Produkte unseres Alltag (siehe Folie auf dem Bild oben) werden aus dem Material hergestellt, das nach diesem Verfahren synthesisiert wird. Hierzu gehören PE und PP.”
Katalytische Polymerisation – Grundlegendes
Entwickelt haben dieses Verfahren die beiden Wissenschaftler und Chemiker Karl Ziegler sowie Gulio Natta. Aus diesem Grund spricht man auch von dem Ziegler-Natta-Verfahren. Belohnt wurden die beiden für ihre Entdeckung mit dem Nobelpreis für Chemie im Jahre 1963. Darüber hinaus tragen auch die Katalysatoren ihre Nachnahme.
Angewendet werden die Katalysatoren bei der Polymerisation von auf Erdöl basierenden Olefinen, die mittels Kettenreaktion zu Polyolefinen reagieren.
Die Produkte dies sich durch diese Verfahren synthetisieren (erzeugen) lassen sind wohl jedem bekannt. Es handelt sich um Polyethylen (kurz PE) und Polypropylen [PP].
In der Nachfolgenden Abbildung siehst du den Aufbau von Polyethylen, welches bevorzugt als Material für Plastikflaschen verwendet wird:
Entscheidend gegenüber den anderen Polymerisationen ist, dass sie eine Taktizität aufweisen. Dies ermöglicht die Produktion von isotaktischem Polypropen, sowie linearer Polyethylen.
Denn bei der radikalen Polymerisation entsteht statt linearem ein verzweigter Polyethylen aufgrund der Kettenübertragungsreaktionen.
Katalytische Polymerisation – Ablauf
Für das Ziegler-Natta-Verfahren verwendet man die gleichnamigen Ziegler-Natta-Katalysatoren.
Diese bilden mit den reagierenden Elementen Komplexe aus, welche die Monomere sowie die daraus resultierenden, ständig wachsenden Molekülketten derart fixieren, dass eine Reaktion nur auf eine eingeschränkte Art stattfinden kann.
So unterscheidet sich die katalytische Polymerisation maßgeblich von den anderen beiden Formen.
War es bisher so, dass sich ein Monomer immer am Ende der Molekülkette anlagert und somit immer verlängert, ist es nun anders. Ein Monomer, das auf ein anderes Monomer trifft, welches bereits in der Verbindung mit der Oberfläche des Katalysators steht, schiebt sich zwischen Oberfläche sowie Monomer und bindet sich an. Man spricht hier auch von einer Einschiebungsreaktion.
Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis sämtliche Monomere als Molekülkette (Polymer) miteinander verbunden sind.
Ganz genau lässt sich dieses Phänomen noch nicht beschreiben, da die Komplexität der Reaktion äußerst hoch ist.
Auch wenn einzelne Ursachen noch nicht final geklärt sind, erfreut sich dieses Verfahren höchster Beliebtheit in der Kunststoffindustrie.
Katalytische Polymerisation – Ziegler-Natta-Katalysatoren
Diese Form von Katalysatoren setzt sich aus zwei Bestandteilen zusammen. Auf der einen Seite befindet sich der hauptsächliche Katalysator und auf der anderen Seite ein „unterstützender“ Co-Katalysator. Beide zusammen bilden den oben erwähnten Komplex, an welchem sich die Monomere anlagern können.
Schauen wir uns hierzu das Periodensystem der Elemente an, so finden wir den Katalysator als Übergangsmetallverbindungen in den Nebengruppenelementen wieder. Zumeist handelt es sich um Titan und Vanadium. Der Co-Katalysator hingegen ist zumeist eine Aluminium-Verbindung. Diese Verbindung kennzeichnet, dass organische Reste an die Aluminiumatome gebunden sind.
Katalysatoren – Systeme
Wir unterscheiden zwei Systeme:
- Titan(III)chlorid mit Diethylaluminiumchlorid
- Titan (IV)chlorid mit Triethylaluminium
Stehen beide Katalysatoren, egal welches System ausgewählt wird, miteinander in Verbindung so bleibt immer eine Stelle frei an welcher sich ein Monomer anlagern kann.
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