Polyamide

Allgemeine Struktur von Polyamiden

Wiederholeinheiten von Polyamiden, die aus Lactamen oder Aminocarbonsäuren hergestellt werden. Die Carbonsäureamid-Gruppe ist blau gekennzeichnet. R steht für den Rest der zur Synthese eingesetzten Verbindung.

Wiederholeinheiten von Polyamiden, die aus einem Diamin und einer Dicarbonsäure hergestellt werden. R1 steht für den Rest der eingesetzten Dicarbonsäure, R2 für den Rest der eingesetzten Diaminverbindung.

Polyamide (Kurzzeichen PA) sind lineare Polymere mit sich regelmäßig wiederholenden Amidbindungen entlang der Hauptkette. Die Amidgruppe kann als Kondensationsprodukt einer Carbonsäure und eines Amins aufgefasst werden. Die dabei entstehende Bindung ist eine Amidbindung, die hydrolytisch wieder spaltbar ist.

Polyamide werden wegen ihrer hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit oft als Konstruktionswerkstoffe verwendet. Gute chemische Beständigkeit besteht gegenüber organischen Lösungsmitteln, doch können sie leicht von Säuren und oxidierenden Chemikalien angegriffen werden.

Die Bezeichnung Polyamide wird üblicherweise als Bezeichnung für synthetische, technisch verwendbare thermoplastische Kunststoffe verwendet und grenzt diese Stoffklasse damit von den chemisch verwandten Proteinen ab. Fast alle bedeutsamen Polyamide leiten sich von primären Aminen ab, denn die sich wiederholende Einheit besteht aus der funktionellen Gruppe –CO–NH–. Daneben existieren auch Polyamide von sekundären Aminen (–CO–NR–, R = organischer Rest). Als Monomere für die Polyamide werden besonders Aminocarbonsäuren, Lactame und/oder Diamine und Dicarbonsäuren verwendet.

Chemische Konstitution

Polyamidketten

Schematische Darstellung: Die markierten Amidgruppen (im schematischen Beispiel je drei in zwei Ketten) sind Namensgeber der Polyamide.

Schematische Darstellung: Die von links nach rechts gegenläufig verlaufenden Ketten von Polyamid 4.6 sind über Wasserstoffbrückenbindungen (rot gestrichelt gezeichnet) miteinander verknüpft. Die Amidbindungen sind blau markiert.

Polyamide lassen sich in folgende Klassen einordnen:

Nach der Art der Monomere

• Aliphatische Polyamide: die Monomere leiten sich von aliphatischen Grundkörpern ab, PA aus ε-Caprolactam (Polycaprolactam, kurz PA 6) oder aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure (PA 6.6).
• Teilaromatische Polyamide: die Monomere leiten sich zum Teil von aromatischen Grundkörpern ab, PA aus Hexamethylendiamin und Terephthalsäure (PA 6T).
• Aromatische Polyamide (Polyaramide): die Monomere leiten sich von rein aromatischen Grundkörpern ab, p-Phenylendiamin und Terephthalsäure

Nach der Art der Monomerzusammensetzung

• Homopolyamide: das Polyamid leitet sich von einer Aminocarbonsäure oder einem Lactam bzw. einem Diamin und einer Dicarbonsäure ab. Solche Polyamide lassen sich durch eine einzige Wiederholeinheit beschreiben. Beispiele hierfür sind das PA aus Caprolactam [NH–(CH₂)₅–CO]_n (PA 6) oder das PA aus Hexamethylendiamin und Adipinsäure [NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]_n (PA 6.6).
• Copolyamide: das Polyamid leitet sich von mehreren unterschiedlichen Monomeren ab. Solche Polyamide lassen sich nur durch Angabe mehrerer Wiederholeinheiten beschreiben. Beispiele hierfür sind das PA aus Caprolactam, Hexamethylendiamin und Adipinsäure [NH-(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]_n–[NH–(CH₂)₅–CO]_m (PA 6/66), oder PA aus Hexamethylendiamin, Adipinsäure und Sebacinsäure [NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₄–CO]_n–[NH–(CH₂)₆–NH–CO–(CH₂)₈–CO]_m (PA 66/610). Zu beachten ist, dass die angegebenen Formeln lediglich die Polymerzusammensetzung beschreiben, nicht aber die Abfolge der Monomereinheiten; diese sind üblicherweise statistisch über die Polymerketten verteilt.

Nach Art des Erweichungs-/Erstarrungsverhaltens

• Teilkristalline Polyamide: bilden beim Abkühlen aus der Schmelze kristalline Domänen (Phasenübergang 1. Ordnung). In der Regel erstarrt nicht die gesamte Schmelze kristallin, sondern es bilden sich auch amorphe Domänen (siehe unten). Das Verhältnis zwischen kristallinen und amorphen Domänen wird von der chemischen Natur des Polyamids und den Abkühlbedingungen bestimmt. Zusätzlich kann die Kristallisation durch nukleierende oder antinukleierende Additive gefördert oder behindert werden. Leicht kristallisierende Polyamide sind das PA 4.6 oder das PA 6.6, schwer kristallisierende Polyamide sind das PA mXD6 aus m-Xylylendiamin und Adipinsäure oder bestimmte Copolyamide.
• Amorphe Polyamide: erstarren glasartig aus der Schmelze. Im festen Zustand gibt es keine Fernordnung der Wiederholungseinheiten. Der Übergang zwischen fest und flüssig wird durch die Glasübergangstemperatur (Phasenübergang 2. Ordnung) beschrieben. Beispiele sind das PA aus Hexamethylendiamin und Isophthalsäure (PA 6I) und bestimmte Copolyamide. Im Allgemeinen enthalten amorphe Polyamide Monomereinheiten, die eine regelmäßige, kristalline Anordnung der Ketten unmöglich machen. Unter extremen Abkühlbedingungen können auch ansonsten teilkristalline Polyamide amorph erstarren.

Nach diesen Klassifizierungen ist beispielsweise PA 6.6 ein aliphatisches, teilkristallines Homopolyamid.

Darstellung

Bei der Darstellung der Homopolyamide muss zwischen dem Aminocarbonsäure-Typ (AS) und dem Diamin-Dicarbonsäure-Typ (AA-SS) unterschieden werden, A steht hierbei für eine Aminogruppe und S für eine Carboxygruppe.

Homopolyamide des AS-Typs werden entweder durch Polykondensation (kettenförmiges Monomer, Beispiel: ε-Aminocapronsäure, oben) oder ringöffnende Polymerisation (ringförmiges Monomer, Beispiel: ε-Caprolactam, unten) erzeugt:

Polymere des AA-SS-Typs werden dagegen durch Polykondensation eines Diamins und einer Dicarbonsäure hergestellt: