Techniklexikon

polymere Lösungen

Laserphysik und -technikFestkörperphysik, Lösungen aus einer Flüssigkeit und einem Netzwerk mehr oder weniger langer Polymermoleküle, das die Flüssigkeit bindet.

Das Lösungsverhalten wie auch die Fluidität von Polymeren wird wesentlich durch die Struktur der Moleküle bestimmt. Werden die Ketten des Polymers durch Querverbindungen vernetzt, so können Gebilde entstehen, die vollkommen unlöslich sind und nur noch quellen. Druck, schnelles Rühren, Ultrabeschallung und dergleichen kann zum Bruch von chemischen Bindungen und damit einer Molverkleinerung mit entsprechend besserer Löslichkeit bewirken.

Die makroskopischen Eigenschaften sind überwiegend davon bestimmt, dass Polymere lange Kettenmoleküle sind, die in der Regel mehr oder weniger verknäult in der Lösung vorliegen. In einer verdünnten Lösung kommen sich die einzelnen Polymerknäuel nur selten in die Quere (siehe Abb. a), mit steigender Konzentration wird der Platz knapp (siehe Abb. b). Da die Reibung zwischen den Molekülen den raschen Fluss behindert, verhält sich die Lösung dann dick- bis zähflüssig. Bei noch höheren Konzentrationen umwickeln und verstricken sich die einzelnen Polymerketten wie Spaghetti. Ein derartiges System reagiert viskoelastisch (Viskoelastizität). Unter geeigneten Bedingungen verknäulen sich Polymerketten in Lösung nicht nur, sondern bilden auch permanente Bindungen untereinander aus, so dass vielfach verzweigte Superketten entstehen (siehe Abb. c), die das damit entstehende Gel nicht mehr viskos oder elastisch, sondern plastisch werden lassen.

Lösungen von Polymeren mit einer Molmasse über 10 000 heissen makromolekulare Lösungen (high polymers). Starke Verzweigung oder Vernetzung der Ketten, wie bei Stärke oder Glykogen, führen zu korpuskularen Partikeln in Form von Kugeln (Sphäromakromoleküle). Diese Kugelmoleküle zeigen in Lösung wesentlich andere Eigenschaften als gelöste Fadenmoleküle, z.B. geringere Viskosität und keine Strömungsdoppelbrechung. Eine Reihe von Makromolekülen werden in Lösung zu Elektrolyten (Polyelektrolyten), da sie in Ionen (Makroionen) dissozieren.

Die Dynamik langer flexibler Kettenmoleküle in Lösung wird von der hydrodynamischen Wechselwirkung dominiert. Ein Makromolekül erleidet in Lösung in Folge der thermischen Bewegungen der Lösungsmittelmoleküle ca. 10¹⁴ Stösse pro Sekunde, die eine statistische Bewegung des Makromoleküls bewirken (Brownsche Bewegung). Ohne äusseres Feld ist dann das mittlere Quadrat der Verschiebung  proportional zur Zeit t:

wobei der Proportionalitätsfaktor von der Boltzmann-Konstanten k, der Temperatur T und einem Reibungsfaktor f abhängt (Einsteinsche Beziehung). Der Reibungsfaktor ist eine direkte Funktion der Viskosität des Lösungsmittels h und der Geometrie des Makromoleküls. Für kugelförmige Moleküle mit Radius a ist  (Stokes-Gleichung). Für nahezu kugelförmige Moleküle ist a der Gyrationsradius. Der Reibungsfaktor steht in enger Beziehung zum Diffusionskoeffizienten polymere Lösungen">, welcher beim Fickschen Gesetz (Diffusion) der Proportionalitätsfaktor zwischen dem Teilchenstrom pro Querschnitt und dem Konzentrationsgradienten ist.

Die Diffusion von Makromolekülen in Lösungen kann zur experimentellen Bestimmung ihrer Grösse, Form und molekularen Masse (bei bekannter Dichte) genutzt werden bzw. zur Trennung eines Gemisches verschiedener Makromoleküle. Die wichtigsten Verfahren hierbei sind die Elektrophorese, die Ultrazentrifugierung, das Dichtegradientenverfahren (Elektrophorese), die Viskosimetrie und die Gelfiltration.

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polymere Lösungen: a) verdünnte Lösung: Polymerknäuel behindern sich in ihrer Bewegung Þ zähflüssiges Verhalten; b) konzentrierte Lösung: Polymerketten sind ineinander verstrickt Þ viskoelastisches Verhalten; c) Gel: permanente Bindung zwischen den Polymerketten Þ plastisches Verhalten.