Polymerphysik

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Die Polymerphysik beschäftigt sich mit der Beschreibung und dem prädiktiven Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen und benutzt dabei sowohl Methoden der Experimentalphysik als auch der theoretischen Physik. Da die physikalischen Eigenschaften von Polymeren entscheidend von der Art ihrer Synthese beeinflusst werden, bestehen enge Bezüge zur Polymerchemie und zur chemischen Reaktionstechnik. Andererseits beeinflussen die physikalischen Eigenschaften von Polymeren deren Verarbeitbarkeit und technische Verwendbarkeit, so dass gleichfalls enge Bezüge zu Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie zu den sich mit urformenden Fertigungsverfahren beschäftigenden Bereichen der Verfahrenstechnik bestehen. Polymere unterscheiden sich von anderen Formen der kondensierten Materie vor allem durch ihre Molekülstruktur, die in der Regel lange kettenartige Strukturen umfasst, sowie die oberhalb bestimmter Molekülgrößen auftretende Tendenz, Verschlaufungen mit anderen Polymermolekülen zu bilden. Die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von Biomakromolekülen wird hingegen häufig der Biophysik sowie der biophysikalischen Chemie zugeordnet.

Allgemeine physikalische Aspekte

Bei der Charakterisierung von Polymeren kann grundsätzlich unterschieden werden in Polymerschmelzen, Polymerlegierungen, Polymerlösungen und Polymerdispersionen.

Einer Polymerphase kann folgende Eigenschaften der Mikrostruktur zugeordnet werden: Polymerisationsgrad bzw. Vernetzungsgrad der Kette und Verschlaufung, Kristallisationsgrad und Polymerbürsten.

Diese Charakteristica bestimmen maßgeblich die resultierende physikalische Eigenschaften, wie z. B. den Glasübergang, Gummielastizität oder das Absorptionsspektrum und damit die Anwendung des Werkstoffes.

Untersuchungsmethoden

Experiment

• Streuexperimente: Röntgenstreuung, Neutronenstreuung, statische und dynamische Lichtstreuung
• direkte Oberflächenbetrachtung durch Rasterkraftmikroskopie
• Ellipsometrie, Polarisationsmikroskopie
• Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)
• Thermogravimetrische Analyse (TGA)

Probenpräparation

Ein verbreitetes Beschichtungsverfahren ist die Stereolithographie. Neben makroskopischen Probenkörpern werden häufig dünne, homogene Schichten untersucht, die durch z. B. durch

• Spincoating
• Filmabscheidung (Langmuir-Blodgett-Schicht)

gewonnen werden.

Theorie

• Viskoelastizität
• Flory-Huggins-Modell
• Selfconsistent Field Theory (SCF)
• Single Chain Mean Field (SCMF)

Simulation

• Monte-Carlo-Simulation
• Molekulardynamiksimulation

Die Simulationen sind ein wichtiges Instrument zur Untersuchung der Polymere. Im Experiment sind viele interessante Größen der Messung nicht zugänglich. Die theoretischen Modelle andererseits haben Schwierigkeiten, Fluktuationen zu beschreiben und sind häufig nur in Grenzfällen exakt. Simulationen liefern Daten auch zu experimentell nicht zugänglichen Größen und können auch dort Ergebnisse liefern, wo die Theorie nicht exakt ist. Daher sind Simulationen ein Verbindungsglied zwischen Experiment und Theorie. Aufgrund der beschränkten Computerleistung sind jedoch nur kleine Systeme simulierbar, die häufig wesentlich kleiner als die experimentell zugänglichen oder anwendungsrelevanten Systeme.

Literatur

• Paul J. Flory: Principles of polymer chemistry. Cornell University Press, Ithaca, N.Y. 1953, ISBN 0-8014-0134-8 (worldcat.org [abgerufen am 9. Februar 2021]). 
• Michael Rubinstein, Ralph H. Colby: Polymer physics. Oxford University Press, Oxford 2003, ISBN 0-19-852059-X (worldcat.org [abgerufen am 9. Februar 2021]). 
• Gert R. Strobl: The physics of polymers: concepts for understanding their structures and behavior. 3. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-68411-4 (worldcat.org [abgerufen am 9. Februar 2021]). 
• Ulf W. Gedde, Mikael S. Hedenqvist: Fundamental Polymer Science. 2. Auflage. Springer-Verlag, Cham 2019, ISBN 978-3-03029794-7, doi:10.1007/978-3-030-29794-7 (worldcat.org [abgerufen am 9. Februar 2021]). 

Siehe auch

• Freely-Jointed-Chain-Modell
• Kristallisation (Polymer)
• Wormlike-Chain-Modell