Funktionspolymere

Was ist ein Funktionspolymer?

Die meisten Kunststoffe, etwa Polyethen in einer Einkaufstüte, werden wegen ihrer mechanischen Eigenschaften genutzt: Sie sind stabil, formbar und billig. Ein Funktionspolymer dagegen wird für eine gezielte Funktion entwickelt, zum Beispiel Wasser speichern, Ionen austauschen, Wirkstoffe freisetzen oder Wasserdampf durchlassen.

Die Eigenschaft folgt immer aus zwei Dingen: aus den Gruppen an der Kette (z. B. $\mathrm{-COO^-}$) und aus dem Bau des Netzes (unvernetzt, weitmaschig, engmaschig vernetzt).

Das wichtigste Beispiel ist der Superabsorber in Windeln, Verbandsmaterial und Wasserspeichern für Pflanzen. Er besteht aus vernetztem Natriumpolyacrylat.

Die Wiederholungseinheit ist $-\mathrm{CH_2-CH(COO^-Na^+)-}$. Die Kette ist wie bei der Polymerisation von Ethen ein reines Kohlenstoffgerüst, aber an jedem zweiten C-Atom sitzt eine geladene Carboxylat-Gruppe.

Wie nimmt ein Superabsorber Wasser auf?

Das Quellen lässt sich in drei Teilprozesse zerlegen:

1. Hydratisierung: Die polaren Carboxylat-Gruppen und die $\mathrm{Na^+}$-Ionen treten mit Wassermolekülen in Wechselwirkung (Ion-Dipol-Kräfte, Wasserstoffbrücken). Das Polymer ist daher hydrophil.

2. Osmose: Die Natriumionen bleiben wegen der Ladungsneutralität im Gel. Dadurch ist die Konzentration beweglicher Ionen im Netz höher als außen. Der entstehende osmotische Druck lässt Wasser ins Netz strömen.

3. Abstoßung und Rückhaltekraft: Die negativen Ladungen an der Kette stoßen sich ab, das Netz dehnt sich. Die Vernetzungsstellen halten die Ketten zusammen. Das Gel quillt, löst sich aber nicht auf.

Vernetzungsgrad und Salze

Der Vernetzungsgrad gibt an, wie viele Monomereinheiten Brücken zwischen Ketten bilden. Als Vernetzer dient ein Molekül mit zwei polymerisierbaren Doppelbindungen, z. B. $N,N'$-Methylenbisacrylamid. Es wird in zwei Ketten eingebaut und verbindet sie.

• Wenig Vernetzung (z. B. 0,1 %): weitmaschiges Netz, stark dehnbar, sehr hohes Quellvermögen, aber weiches, wenig druckstabiles Gel.

• Viel Vernetzung (z. B. 2 %): engmaschiges Netz, es kann sich kaum dehnen, geringeres Quellvermögen, dafür festeres Gel.

Für Windeln ist ein hohes Quellvermögen wichtig, für Wasserspeicher im Boden dagegen ein stabiles Gel, das dem Druck des Erdreichs standhält und das Wasser länger hält. Man wählt also je nach Anwendung einen anderen Vernetzungsgrad.

Salze: Zweifach positive Ionen wie $\mathrm{Ca^{2+}}$ (Leitungswasser, hartes Wasser) binden an zwei Carboxylat-Gruppen gleichzeitig und wirken wie zusätzliche Vernetzungsstellen. Außerdem wird die Ladungsabstoßung abgeschwächt. Das Netz wird enger, und das Quellvermögen sinkt.

Herstellung und pH-abhängiges Quellen

Superabsorber werden durch radikalische Copolymerisation von Acrylsäure mit wenig Vernetzer hergestellt. (Der Mechanismus der radikalischen Polymerisation und Copolymere gehören zum Leistungskurs, den du belegst.) Es handelt sich um eine Polymerisation (Kettenwachstumsreaktion), nicht um eine Polyaddition: Die Monomere mit C=C-Doppelbindung verknüpfen sich ohne Abspaltung eines Moleküls zu Ketten, und der Vernetzer mit zwei Doppelbindungen verbindet zwei Ketten. So entsteht das Netz, das die Funktion des Funktionspolymers erst ermöglicht. Danach wird das Polymer mit Natronlauge teilweise neutralisiert:

Erst durch die Neutralisation entstehen viele geladene Gruppen. Das erhöht die Ladungsabstoßung, die Hydratisierung und den osmotischen Druck, also das Quellvermögen.

Der pH-Wert wirkt über das Säure-Base-Gleichgewicht der Carboxygruppen ($\mathrm{pK_S \approx 4{,}8}$):

• $\mathrm{pH} < \mathrm{pK_S}$ (z. B. 2): überwiegend $-\mathrm{COOH}$, ungeladen, kaum Abstoßung, Gel kollabiert.

• $\mathrm{pH} > \mathrm{pK_S}$ (z. B. 8): überwiegend $-\mathrm{COO^-}$, Ladungen stoßen sich ab, Gel quillt stark.

Diese Eigenschaft kann man nutzen: Ein Wirkstoff, der im Gel eingeschlossen ist, bleibt im sauren Magensaft ($\mathrm{pH} \approx 1{-}2$) zurück, weil das Gel kaum quillt. Im Darm ($\mathrm{pH} \approx 7{-}8$) quillt das Gel, das Netz wird weit, und der Wirkstoff wird freigesetzt.

Atmungsaktive Membranen

Eine Regenjacke soll Regen und Wind abhalten, aber Schweiß als Wasserdampf nach außen lassen. Dafür dienen Membranen aus Polyurethan (PU) oder PTFE.

• PTFE-Membran (mikroporös): Das Polymer ist stark hydrophob. Die Poren sind etwa $10^{-7}\,\mathrm{m}$ groß: größer als Wasserdampfmoleküle, aber viel kleiner als Regentropfen. Flüssiges Wasser kann wegen der Oberflächenspannung und der hydrophoben Oberfläche nicht eindringen.

• PU-Membran (porenfrei, hydrophil): Hydrophile Gruppen nehmen Wasserdampf auf der feuchten Innenseite auf und geben ihn auf der trockenen Außenseite wieder ab. Der Transport folgt dem Konzentrationsgefälle des Wasserdampfs.

Hydrophile Gruppen verbessern den Dampftransport, weil sie Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken „weiterreichen“.

Grenzen: Schmutz, Waschmittelreste oder Körperfette verstopfen Poren oder bedecken die Oberfläche. Die Membran wird dann weniger durchlässig oder verliert ihre wasserabweisende Wirkung. Verbundmaterialien aus mehreren Schichten (Membran, Textil, Beschichtung) lassen sich schwer trennen und deshalb schlecht recyceln. Meist bleibt nur die energetische Verwertung.

Auf einen Blick

Zurück zum Anfang: Die Windel hält das Wasser, weil das vernetzte Polyacrylat über seine Carboxylat-Gruppen Wasser hydratisiert und osmotisch aufnimmt, während das Netz das Gel zusammenhält.