Aufgaben: Funktionspolymere

Superabsorber in Babywindeln bestehen aus vernetztem Natriumpolyacrylat und können ein Vielfaches ihrer Masse an Wasser aufnehmen.

1. a) Zeichnen Sie einen Ausschnitt aus der Kette des Polyacrylats mit zwei Wiederholungseinheiten (Carboxylat-Gruppen $\mathrm{-COO^-Na^+}$).
2. b) Erklären Sie, warum diese Polymere hydrophil sind.

Ein Funktionspolymer besitzt eine besondere Eigenschaft, die durch seine Struktur bestimmt wird.

1. a) Erklären Sie den Begriff Funktionspolymer an einem selbst gewählten Beispiel.
2. b) Nennen Sie den Unterschied zwischen unvernetzten und vernetzten Polymeren hinsichtlich der Löslichkeit in Wasser.

In einem Superabsorber nehmen $1{,}0\,\text{g}$ Polymer in destilliertem Wasser $300\,\text{g}$ Wasser auf.

1. a) Berechnen Sie das Aufnahmevermögen als Vielfaches der Eigenmasse.
2. b) Schätzen Sie, ob das Polymer in einer Kochsalzlösung mehr oder weniger Wasser aufnimmt, und begründen Sie kurz.

Beim Quellen eines Superabsorbers dissoziieren die Natriumionen von den Carboxylatgruppen ab und werden hydratisiert.

1. a) Erklären Sie mit dem Konzept des osmotischen Drucks, warum Wasser in das Polymernetz einströmt.
2. b) Erläutern Sie die Rolle der Vernetzungsstellen für die Form- und Wasserbeständigkeit.

Zwei Proben desselben Polyacrylats unterscheiden sich im Vernetzungsgrad: Probe 1 hat $0{,}1\,\%$ und Probe 2 hat $2\,\%$ vernetzende Monomereinheiten. Probe 1 nimmt das $400$-Fache, Probe 2 das $60$-Fache der eigenen Masse an Wasser auf.

1. a) Erklären Sie den Unterschied im Quellvermögen.
2. b) Beurteilen Sie, welche Probe sich besser für Windeln und welche für Bodenhilfsstoffe (Wasserspeicher) eignet, und begründen Sie Ihre Wahl.

Ein Wasserspeicher-Polymer für Gartenbau nimmt in destilliertem Wasser das $250$-Fache seiner Masse auf, in Leitungswasser (mit $\mathrm{Ca^{2+}}$-Ionen) nur das $60$-Fache.

1. a) Erklären Sie diesen Unterschied mit den Wechselwirkungen zwischen $\mathrm{Ca^{2+}}$ und den Carboxylatgruppen.
2. b) Berechnen Sie, wie viel Wasser $15\,\text{g}$ Polymer in Leitungswasser aufnehmen.

Superabsorber werden durch radikalische Copolymerisation von Acrylsäure mit etwas $N,N'$-Methylenbisacrylamid hergestellt und anschließend teilweise mit Natronlauge neutralisiert.

1. a) Erklären Sie, wie das Methylenbisacrylamid zur Vernetzung führt.
2. b) Begründen Sie, warum die Neutralisation das Quellvermögen erhöht.
3. c) Entwickeln Sie ein Modell, das die Wasseraufnahme auf molekularer Ebene mit drei Teilprozessen beschreibt.

Ein neu entwickeltes Hydrogel quillt bei $\mathrm{pH} = 8$ stark, bei $\mathrm{pH} = 2$ kaum. Es enthält Carboxygruppen ($\mathrm{pK_S \approx 4{,}8}$).

1. a) Erklären Sie das $\mathrm{pH}$-abhängige Quellverhalten.
2. b) Erläutern Sie eine mögliche Anwendung dieses Verhaltens (z. B. Wirkstofffreisetzung im Darm).
3. c) Beurteilen Sie, ob das Gel in einem sauren Magensaft oder in Darmflüssigkeit den Wirkstoff freisetzt.

Ein Kunststoff soll für wasserdampfdurchlässige, aber winddichte Outdoorjacken verwendet werden (Membran aus Polyurethan oder PTFE).

1. a) Erläutern Sie die Funktionsprinzipien beider Membrantypen (mikroporöse PTFE-Membran und porenfreie Polyurethan-Membran) auf molekularer Ebene.
2. b) Begründen Sie, warum hydrophile Gruppen im Polymer der Polyurethan-Membran den Wasserdampftransport verbessern.
3. c) Diskutieren Sie die Grenzen der Funktion bei starker Verschmutzung und die Folgen für die Entsorgung.