Polymere aus Petroleum

09.01.2008
Polymerisation von Äthylen und Propylen zu Polyäthylen und Polypropylen.

Obwohl sowohl die Wissenschaft als auch Polymertechnologie in den frühen
fünfziger Jahren erstaunlich vorangeschritten waren, galt es immer noch, enorme Herausforderungen zu überwinden. Aufgrund des reichlichen Nachschubs und niedrigen Preises ihrer aus Petroleum gefertigten Bausteine oder "Monomere", stellten Kohlenwasserstoff-Polymere, die nur Kohlenstoff- (C) und
Wasserstoffatome (H) enthielten, eine potentiell äußerst nützliche Klasse von Substanzen dar. Besonders attraktiv waren Polymere aus den kleinsten und am reichlichsten vorhandenen Monomeren Äthylen und Propylen, die jeweils zwei
oder drei Kohlenstoffatome enthalten. Die allgemeine Fähigkeit solcher Moleküle,
die durch "Doppelbindungen" verknüpfte Paare von Kohlenstoffatomen enthielten, sich zu verbinden, und so lange Ketten zu bilden (siehe Abbildung oben), war seit langem bekannt (ein vertrautes Beispiel ist Polystyren). Im Fall von Äthylen und Propylen jedoch, präsentierte dies eine enorme Herausforderung. Die "Polymerisation" von Äthylen war gelungen, aber nur unter unerwünscht hohen Temperaturen und Drucken und resultierend in Polymeren, deren Eigenschaften
viel zu wünschen übrig ließen. Eine Polymerisation von Propylen war noch nicht erzielt worden.

Der deutsche Chemiker Karl Ziegler, der am Max-Planck-Institut für Kohleforschung in Mühlheim arbeitete, entdeckte 1953, während er die Reaktionen von Verbindungen mit Aluminium-Kohlenstoff-Bindungen untersuchte, daß die Zugabe bestimmter Metallsalze wie Titan oder Zirkonium zu diesen Verbindungen in sehr aktiven "Katalysatoren" (Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen,)
für die Polymerisation von Äthylen unter relativ milden Bedingungen, resultierte.
Da ihre Ketten länger und gerader waren, besaßen die Polymere, die auf diese Weise gebildet wurden, außerdem überlegene Eigenschaften wie Stärke, Härte,
und chemische Trägheit, was sie für viele Anwendungen sehr nützlich machte. Aufbauend auf Zieglers Entdeckung, demonstrierte der italienische Chemiker Giulio Natta vom Mailänder Polytechnischen Institut, daß ähnliche Katalysatoren in der Polymerisation von Propylen wirksam waren. Mit Hilfe der "Ziegler-Natta-Katalysatoren" war es möglich, die Kettenlänge und Strukturen der resultierenden Polypropylen-Polymere und dadurch ihrer Eigenschaften, genau zu kontrollieren. Diese Klasse von Katalysatoren bewerkstelligte unter anderem die bemerkenswerte Synthese eines Polymers, das natürlichem Gummi gleicht.

Industrielle Anwendungen von " Ziegler-Natta-Katalysatoren" erfolgten beinah augenblicklich und fahren, mit unterschiedlichen Verfeinerungen, fort, sich auszubreiten. Mit solchen Katalysatoren produziertes Polyäthylen stellt heutzutage das größte Volumen an Plastik und, zusammen mit Polypropylen, macht ungefähr
die Hälfte der gegenwärtigen Jahresproduktion von 80 Milliarden Pfund Plastik und Harz in den USA aus. Die Verwendung von Polyäthylen und Polypropylen erstreckt sich auf praktisch jeden Bereich von Industrie und täglichem Leben, einschließlich Bau- und Konstruktionsmaterialien, Container, Spielzeugen, Sportartikeln, Elektrogeräten, Textilien, Teppichen und medizinischen Produkten. In vielen dieser Verwendungsformen ersetzen Polymere andere Substanzen wie Glas und Metall, ihre speziellen Eigenschaften jedoch haben auch Anstoß zu völlig neuen Verwendungsformen gegeben, medizinische Zwecke eingeschlossen.

Ziegler und Natta erhielten 1963 den Chemie-Nobelpreis "für ihre Entdeckungen
auf dem Gebiet der Chemie und Technologie hoher Polymere". In seiner Antrittsrede, erinnerte sich Ziegler der Umstände seiner bahnbrechenden Entdeckung und der wissenschaftlichen Hindernisse, die zu überkommen waren, und erklärte: "Aber ein noch beachtlicheres Hindernis könnte sich präsentiert haben. Um dies zu illustrieren, muß ich das Paradoxon näher erklären, das die kritischen Endphasen der besagten Untersuchungen in einem 'Kohleforschungsinstitut' stattfanden. Als ich 1943 zum Kohleforschungsinstitut berufen wurde, war ich von den Zielsetzungen, die im Namen angedeutet waren, beunruhigt. Ich hatte Angst, daß ich zur Bearbeitung aufgetragener Probleme in Angewandter Chemie überwechseln müßte. Da Äthylen im Ruhrgebiet für die Koksherstellung verfügbar war, hätte die Suche nach einem neuen Polyäthylen zum Beispiel bestimmt so ein Problem dargestellt. Heute weiß ich jedoch mit Sicherheit, und damals habe ich vermutet, daß jeder Versuch ganz am Anfang, ein festgesetztes Ziel zu erreichen, die Quellen meiner Kreativität völlig ausgetrocknet hätte".

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