Wie beeinflussen Umwelteinflüsse die Degradation von Polymeren?

Polymere sind für viele industrielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie in zahlreichen Bereichen als kostengünstige und vielseitige Materialien verwendet werden. Allerdings unterliegen sie, ähnlich wie Metalle, verschiedenen Formen der Degradation, wenn sie Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Während bei Metallen vor allem Korrosionsprozesse eine Rolle spielen, die elektrochemisch bedingt sind, ist die Degradation von Polymeren physikochemisch und umfasst sowohl physikalische als auch chemische Veränderungen.

Die Zerstörung von Polymeren erfolgt durch verschiedene Mechanismen, von denen die häufigsten das Quellen und die Auflösung sind. Diese Prozesse werden maßgeblich von der Wechselwirkung der Polymere mit Flüssigkeiten beeinflusst. Beim Quellen dringt ein Lösungsmittel in das Polymer ein, wobei die Moleküle des Lösungsmittels in die Zwischenräume der Polymerketten eindringen. Dies führt dazu, dass die Makromoleküle auseinandergezogen werden, was eine Aufweitung oder ein Anschwellen des Materials zur Folge hat. Das Polymer verliert dadurch seine Festigkeit und wird weicher, da die zwischenmolekularen Bindungskräfte geschwächt werden. In diesem Zustand sinkt auch die Glasübergangstemperatur des Materials, was dazu führen kann, dass das Material bei normalen Temperaturen gummiartig und schwach wird.

Ein weiterer degradierender Prozess ist die Auflösung, die dann auftritt, wenn das Polymer vollständig in einem Lösungsmittel löslich ist. Der Grad der Degradation hängt oft von der chemischen Ähnlichkeit zwischen dem Lösungsmittel und dem Polymer ab. So absorbieren viele Kohlenwasserstoffgummis leicht Kohlenwasserstoffflüssigkeiten wie Benzin, jedoch fast gar kein Wasser. Andererseits sind viele Polymere im Allgemeinen widerstandsfähiger gegenüber Angriffen von sauren und alkalischen Lösungen als Metalle. So kann beispielsweise Flusssäure viele Metalle angreifen und Glas ätzen, wird jedoch in Kunststoffbehältern aufbewahrt, um dieses Risiko zu vermeiden.

Ein weiteres bedeutendes Thema bei der Degradation von Polymeren ist die Zerstörung durch die Aufspaltung kovalenter Bindungen, auch als "Scission" bezeichnet. Dieser Prozess führt dazu, dass sich die Kettensegmente des Polymers an der Bruchstelle trennen, was zu einer Verringerung des Molekulargewichts führt. Da viele Eigenschaften von Polymeren, wie ihre mechanische Festigkeit und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Angriffen, stark vom Molekulargewicht abhängen, kann dieser Prozess zu einer erheblichen Schwächung des Materials führen. Die Zerstörung durch Scission kann durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden, darunter UV-Strahlung, hohe Temperaturen und chemische Reaktionen.

Besonders stark betroffen sind Polymere, die einer langfristigen UV-Bestrahlung ausgesetzt sind. Im Alltag führt diese Strahlung dazu, dass viele Polymerfilme spröde werden, sich verfärben, Risse bilden und letztlich versagen. Campingzelte beispielsweise können nach längerer Verwendung Risse bekommen, und Plastikfenster werden trüb. Bei speziellen Anwendungen, wie Polymere, die in Weltraumfahrzeugen oder in nuklearen Reaktoren eingesetzt werden, sind die Auswirkungen der Strahlung noch gravierender. In solchen Fällen ist es eine große Herausforderung, Materialien zu entwickeln, die diesen extremen Bedingungen standhalten können.

Ein weiteres Beispiel für die Zerstörung von Polymeren ist die Wirkung von Temperatur auf die Bindungsstabilität. Insbesondere hohe Temperaturen können dazu führen, dass die molekularen Kettenbindungen geschwächt werden, was die mechanischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigt. Polyethylen beispielsweise verliert seine Festigkeit und wird spröde, wenn es hohen Temperaturen in Verbindung mit Sauerstoff ausgesetzt wird. Ähnlich verhält es sich mit Polyvinylchlorid, das unter solchen Bedingungen eine Farbveränderung erfahren kann, ohne jedoch seine mechanischen Eigenschaften zu verlieren.

Die Schädigung von Polymeren kann auch durch die Wechselwirkungen mit chemischen Reaktionen erfolgen. Insbesondere bei Radikalreaktionen oder der Einwirkung von Sauerstoff kann es zu Oxidationsprozessen kommen, die die chemische Struktur des Polymers verändern und zu einer Schwächung führen. Diese Reaktionen sind besonders in industriellen Anwendungen relevant, in denen Polymere ständig chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

Zusätzlich zu den genannten Mechanismen ist es wichtig, die Rolle der Molekularstruktur eines Polymers zu verstehen. Der Grad der Vernetzung und der Kristallinität eines Polymers spielt eine entscheidende Rolle bei seiner Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Polymere mit höherem Vernetzungsgrad oder stärkerer Kristallinität zeigen eine geringere Anfälligkeit für Quellen und Auflösung. Diese strukturellen Merkmale verbessern nicht nur die Widerstandsfähigkeit gegenüber Lösungsmitteln, sondern auch die physikalischen Eigenschaften, wie etwa die thermische Stabilität.

Wichtig ist, dass die Wahl des richtigen Polymers für eine bestimmte Anwendung immer auch unter Berücksichtigung der Umweltbedingungen erfolgen muss, denen das Material ausgesetzt sein wird. Ein Polymer, das unter normalen Bedingungen eine hervorragende Leistung zeigt, kann unter extremen Temperaturen oder in aggressiven chemischen Umgebungen schnell versagen. Daher ist die Entwicklung von Polymeren, die sowohl langlebig als auch widerstandsfähig gegenüber einer Vielzahl von Umwelteinflüssen sind, ein fortwährender Forschungsbereich.

Wie berechnet man kristallographische Richtungen und was sollte man beachten?

Die Bestimmung kristallographischer Richtungen ist eine fundamentale Aufgabe in der Kristallographie und Materialwissenschaft. Sie ermöglicht es, die Orientierung von Atomen und Molekülen innerhalb eines Kristalls zu beschreiben. Dies wird durch sogenannte Richtungsindizes realisiert, die aus den Koordinatenunterschieden zwischen zwei Punkten innerhalb eines Kristallgitters abgeleitet werden.

Nehmen wir als Beispiel die Berechnung der Richtungsindizes für eine bestimmte Kristallrichtung, die zwischen zwei Punkten eines Kristalls verläuft. Wenn der Tail-Vektor bei den Koordinaten $(x_1, y_1, z_1)$ liegt und der Kopf des Vektors bei $(x_2, y_2, z_2)$, dann berechnen sich die Unterschiede der Koordinaten als $(x_2 - x_1)$, $(y_2 - y_1)$ und $(z_2 - z_1)$. Diese Differenzen werden in die entsprechende Richtungseinheit umgerechnet, indem man sie durch eine Konstante, oft als $n$, teilt. In manchen Fällen, wenn diese Differenzen Brüche sind, ist es notwendig, den Wert von $n$ so zu wählen, dass die resultierenden Werte ganze Zahlen sind.

Ein praktisches Beispiel verdeutlicht dies: Angenommen, wir haben die Richtungsdifferenzen $-a$, $b$ und $c/2$ für die x-, y- und z-Koordinaten. Hiermit ergibt sich nach den Formeln für die Richtungsindizes:

• $u = -2$,

• $v = 2$,

• $w = 1$.

Die resultierende Richtung wird dann durch die Indizes $[221]$ dargestellt. Falls diese Werte keine ganzen Zahlen sind, muss der Wert von $n$ angepasst werden.

Für den Fall, dass der Vektor bei den Koordinaten des Ursprungs $(0, 0, 0)$ beginnt, kann die Berechnung auch rückwärts erfolgen, um die Koordinaten des Vektor-Kopfs zu bestimmen. In einem Beispiel für die [110] Richtung sind die Werte $u = 1$, $v = -1$ und $w = 0$, was zu den Koordinaten des Vektor-Kopfs führt:

• $x_2 = a$,

• $y_2 = -b$,

• $z_2 = 0$.

Die graphische Darstellung dieses Vektors zeigt, wie man entlang der Achsen des Kristallgitters von einem Punkt zum anderen navigiert. Dies ist besonders hilfreich, um sich die Bewegungen im Kristallgitter vorzustellen, wenn man kristallographische Richtungen in der Praxis visualisieren möchte.

Für kubische Kristalle gibt es eine Besonderheit: Viele Richtungen sind aufgrund der Symmetrie des Kristalls äquivalent. Das bedeutet, dass verschiedene Richtungen, die durch unterschiedliche Indizes beschrieben werden, tatsächlich denselben Abstand zwischen den Atomen entlang der Richtung aufweisen. Diese äquivalenten Richtungen werden oft als Familie zusammengefasst und in spitzen Klammern dargestellt, z.B. $\langle100\rangle$.

In anderen Kristallsystemen, wie z.B. im tetragonalen System, ist die Äquivalenz von Richtungen nicht immer so einfach. Hier können zum Beispiel die Richtungen [100] und [010] äquivalent sein, während [100] und [001] es nicht sind. Dies ist eine wichtige Unterscheidung, die bei der Analyse von Kristallen berücksichtigt werden muss.

Ein weiteres wichtiges Konzept tritt bei hexagonalen Kristallen auf, bei denen die üblichen drei Achsen (a1, a2, a3) in einer einzigen Ebene liegen, die einen Winkel von 120° zueinander bilden. Die z-Achse ist senkrecht zu dieser Ebene. Für diese Kristalle gibt es ein spezielles Koordinatensystem, das sogenannte Miller-Bravais-System, das vier Indizes verwendet, um die Richtung zu beschreiben. Dies wird durch die Formeln zur Umrechnung von drei- auf vierindizes-basierte Richtungen ermöglicht. Ein Beispiel ist die Umrechnung der Richtung [010] in das Miller-Bravais-System, wo diese zu [1210] wird.

Die Fähigkeit, diese Umrechnungen durchzuführen und zu verstehen, dass verschiedene Kristallsysteme unterschiedliche Symmetrien und damit verschiedene Methoden der Richtungsbeschreibung erfordern, ist eine der Schlüsselfähigkeiten, die ein Materialwissenschaftler entwickeln muss.

Zudem ist es zu beachten, dass nicht nur die Richtungsindizes von Bedeutung sind, sondern auch die Umrechnung zwischen den verschiedenen Koordinatensystemen. Bei hexagonalen Kristallen beispielsweise ist die Notwendigkeit zur Umrechnung von Indizes, wie sie im Miller-Bravais-System erfolgt, ein häufiger Schritt in der praktischen Anwendung. Dies zeigt, wie wichtig es ist, die jeweiligen Kristallsysteme und ihre Symmetrien zu verstehen.

Wenn man sich die hexagonale Symmetrie genauer ansieht, wird deutlich, dass hier die Richtungen [0001], [1100] und [1120] als Beispiele für typische Richtungen innerhalb des Kristallsystems verwendet werden. Ihre Bestimmung erfordert präzise Berechnungen der Indizes in den jeweiligen Koordinatensystemen und eine anschließende Umrechnung in die entsprechenden Werte.

Abschließend lässt sich sagen, dass das Verständnis der kristallographischen Richtungen und deren Umrechnung nicht nur eine mathematische Fähigkeit ist, sondern auch eine fundamentale Grundlage für das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Materialien, wie zum Beispiel deren Festigkeit und die Art und Weise, wie sie sich unter mechanischer Belastung verhalten.