Polymer

En polymer er et stoff som består av makromolekyler. [ 2 ] Et makromolekyl er et molekyl med høy molekylmasse, hvis struktur i hovedsak dannes av en repetisjon av molekylenheter med lav molekylmasse. [ 2 ]

En polymer (fra gresk : πολυς [polys] "mye" og μερος [meros] "del" eller "segment") er et stoff sammensatt av store molekyler, eller makromolekyler (vanligvis organiske ) dannet av foreningen gjennom kovalente bindinger av en eller flere enkle enheter kalt monomerer . [ 3 ]

På grunn av deres store variasjon av egenskaper, spiller både syntetiske og naturlige polymerer en viktig rolle i livene våre. [ 4 ] Polymerer omfatter både den syntetiske plasten vi alle er kjent med, som polyetylen , så vel som naturlige biopolymerer som DNA og proteiner , som er grunnleggende for biologisk struktur og funksjon.

Polyisopren (fra gummi ) er et eksempel på en naturlig polymer, og polystyren ( fra polystyrenskum eller emballasje) er et eksempel på en syntetisk polymer. I en biologisk sammenheng er i hovedsak alle makromolekyler, for eksempel: proteiner ( polyamider ), nukleinsyrer ( polynukleotider ) og polysakkarider , i stor grad sammensatt av polymerer.

Naturlige og syntetiske polymerer lages fra polymerisering av forskjellige monomerer. Dens store molekylmasse sammenlignet med mindre molekyler gir den (polymerer) unike fysiske egenskaper, inkludert hardhet , høy elastisitet , viskoelastisitet og en tendens til å danne amorfe og/eller semi-krystallinske strukturer i stedet for krystaller .

Begrepet "polymer" ble foreslått i 1833 av Jöns Jacob Berzelius , med en definisjon forskjellig fra den moderne IUPAC -definisjonen . [ 5 ] Det nåværende konseptet med polymerer som kovalent koblede makromolekylære strukturer ble foreslått i 1920 av Herman Staudinger ; [ 6 ] som brukte et tiår på å søke etter eksperimentelle bevis for å støtte denne hypotesen. [ 7 ]

Polymerer studeres innen polymervitenskap (som inkluderer polymerkjemi og polymerfysikk ), biofysikk og materialvitenskap og ingeniørvitenskap . Historisk sett har produktene som er et resultat av sammenføyning av repeterende enheter via kovalente bindinger vært hovedfokus for polymervitenskap. Imidlertid fokuserer for tiden et fremvoksende forskningsområde på supramolekylære polymerer som dannes gjennom ikke-kovalente bindinger.

Vanlige eksempler

Polymerer kan klassifiseres i to grupper: de som er dannet av naturen og syntetiske. Naturlige polymerer som hamp , skjellakk , rav , ull , silke og naturgummi har blitt brukt av mennesker i århundrer. En annen variasjon av naturlige polymerer som finnes er for eksempel cellulose , som er hovedkomponenten i tre og papir.

Listen over syntetiske polymerer , i rekkefølge etter verdens etterspørsel, inkluderer polyetylen , polypropylen , polystyren , polyvinylklorid , syntetisk gummi, fenol-formaldehydharpiks ( bakelitt ), neopren , nylon , polyakrylnitril , polyvinylbutyral , silikon og mange flere. Mer enn 330 millioner tonn av disse polymerene produseres hvert år (2015). [ 8 ]

Ryggraden i plastpolymerer består vanligvis hovedsakelig av karbonatomer . Et eksempel er polyetylen, hvis repeterende enhet er monomeren etylen . Det finnes også andre typer skjeletter, for eksempel som ved å integrere elementer som silisium danner materialer som silikon, tilstede i dum kitt og vanntette fugemasser. Oksygen kan også være tilstede i polymere ryggrader, for eksempel i polyetylenglykol , polysakkarider (i glykosidbindinger ) og i DNA (i fosfodiesterbindinger ).

Historikk

Naturlige polymerer er grunnlaget for noen av de tidligste materialene som brukes, som tre- og plantefibre, lær, sener, ull , silke og cellulose , etc. De har vært mye brukt og har vært svært viktige gjennom historien, selv om det tok lang tid å kjenne til sammensetningen deres og hvordan de skulle syntetiseres kunstig. Forestillingen om et makromolekyl ble introdusert sent i kjemiens historie . Selv om det ble foreskrevet av Wilhelm Eduard Weber , og til og med Henri Braconnot på begynnelsen av 1800-tallet, så mange forskere på dem som aggregater eller miceller. Begrepet "polymer" ble først brukt i 1866 av Marcellin Berthelot . [ 9 ]

Før du vet mye om dem, begynte de første syntetiske polymerene som ble oppnådd fra modifisering av naturlige polymerer for å forbedre deres fysiske egenskaper for å bruke dem å dukke opp på midten av det nittende århundre. I 1839 modifiserte Charles Goodyear gummi ved å varme den opp med svovel, siden den var sprø ved lave temperaturer og klissete ved høye temperaturer. Gummien ble vulkanisert gummi , et stoff som er motstandsdyktig mot et bredt spekter av temperaturer. Cellulosenitrat ble ved et uhell syntetisert i 1846 av kjemikeren Christian Friedrich Schönbein og i 1868 syntetiserte John W. Hyatt celluloid fra cellulosenitrat . En annen hendelse som bidro til den fortsatte utviklingen av polymerer var modifiseringen av cellulose som tillot fremveksten av syntetiske fibre kalt rayon.

Senere utviklet den belgiske kjemikeren Leo Hendrik Baekeland i 1907 [ 10 ] den første helsyntetiske polymeren, Bakelite , et meget slitesterkt materiale som, fordi det kom fra rimelige materialer, som fenol og formaldehyd , ble svært vellykket i en viss periode. tidens vær. Andre viktige polymerer ble syntetisert i årene etter, for eksempel polystyren (PS) i 1911 eller polyvinylklorid ( PVC ) i 1912.

Uansett fremskritt innen industriell anvendelse av polymerer, var imidlertid ikke mye informasjon tilgjengelig om deres struktur. I 1922 begynte den tyske kjemikeren Hermann Staudinger å studere polymerer og i 1926 antok han at de var lange kjeder av små enheter holdt sammen av kovalente bindinger. Han foreslo strukturformlene for polystyren og polyoksymetylen, som de er kjent i dag, som gigantiske molekylkjeder dannet av den kovalente assosiasjonen av visse atomgrupper kalt "strukturelle enheter". Dette konseptet ble "grunnlaget" for makromolekylær kjemi først etter 1930, da det ble allment akseptert og bidro til utviklingen av polymerkjemi, både syntetisk og naturlig. I 1953 mottok han Nobelprisen i kjemi for sitt arbeid.

Ideen om makromolekyler ble støttet og utviklet år senere av Wallace Carothers , som hadde jobbet i DuPont-selskapet siden 1928 og som etablerte et stort antall nye polymerer: polyestere , polyamider , neopren , etc.

Den påfølgende industrielle utviklingen av makromolekylær vitenskap ble fremskyndet av andre verdenskrig . USA ble fratatt, da de gikk inn i krigen, forsyningen av naturgummi fra Sørøst-Asia. Så de lanserte et omfattende forskningsprogram for å finne syntetisk gummi .

På 1950-tallet utviklet tyskeren Karl Ziegler og italieneren Giulio Natta Ziegler-Natta-katalysatorer og ble tildelt Nobelprisen i kjemi i 1963. Nok en Nobelpris i kjemi ble tildelt Paul J. Flory for sine studier av polymerer i 1974.

I andre halvdel av 1900-tallet ble det utviklet nye produksjonsmetoder, polymerer og applikasjoner. For eksempel metallocenkatalysatorer , høyfaste fibre , ledende polymerer (i 2000 mottok Alan J. Heeger , Alan G. MacDiarmid og Hideki Shirakawa Nobelprisen i kjemi for utviklingen av disse polymerene), komplekse polymerstrukturer, flytende polymerkrystaller , etc.

Polymerisering

I organisk kjemi kalles reaksjonen der en polymer syntetiseres fra monomerene polymerisasjon. Avhengig av mekanismen som polymerisasjonsreaksjonen oppstår for å gi opphav til polymeren, er den klassifisert som " trinnspolymerisasjon " eller " kjedepolymerisasjon ". I alle fall vil størrelsen på kjeden avhenge av parametere som temperatur eller reaksjonstid, hvor hver kjede har en annen størrelse og derfor en annen molekylmasse , og det er derfor vi snakker om gjennomsnittlig masse av polymeren.

Typer polymerisering

Det er to hovedtyper av polymerisering:

I hver forening av to monomerer går et lite molekyl tapt, for eksempel vann. På grunn av dette er ikke molekylmassen til polymeren nødvendigvis et eksakt multiplum av molekylmassen til monomeren. Kondensasjonspolymerer er delt inn i to grupper:

bakelitter polyamider polyestere polyetylenglykol silikoner

Trinnvis polymerisering (kondensasjon) krever minst bifunksjonelle monomerer. De bør vite at polymerer kan bearbeides.

Eksempel: HOOC--R1--NH2

Hvis den reagerer med seg selv, så:

2 HOOC--R1--NH2 <----> HOOC--R1--NH· + ·OC--R1--NH2 + H2O <----> HOOC--R1-NH--CO-- R1-NH2 + H2O

I denne typen polymerisasjon er molekylmassen til polymeren et eksakt multiplum av molekylmassen til monomeren .

De følger vanligvis en trefasemekanisme, med homolytisk brudd:

Initiering : CH2=CHCl + katalysator ⇒ •CH2–CHCl• Formering eller vekst : 2 •CH2–CHCl• ⇒ •CH2–CHCl–CH2–CHCl• Avslutning : Frie radikaler i endene binder seg til urenheter eller forbinder to kjeder med en nøytralisert terminal.

Polymerisering av styren for å gi polystyren
n indikerer polymerisasjonsgraden

På den annen side kan polymerene være lineære, dannet av en enkelt kjede av monomerer, eller denne kjeden kan ha grener av større eller mindre størrelse. Tverrbindinger kan også dannes forårsaket av bindingen mellom atomer i forskjellige kjeder.

Den kjemiske naturen til monomerene, deres molekylvekt og andre fysiske egenskaper, så vel som deres struktur, bestemmer forskjellige egenskaper for hver polymer. For eksempel, hvis en polymer er tverrbundet, vil materialet være vanskeligere å smelte enn hvis det ikke var tverrbundet.

Karbonbindinger i polymerer er ikke ekvivalente med hverandre, så avhengig av den stereokjemiske rekkefølgen av bindingene kan en polymer være: ataktisk (ingen rekkefølge), isotaktisk (samme rekkefølge) eller syndiotaktisk (vekslende rekkefølge). Han kaller det taktisitet . Egenskapene til en polymer kan modifiseres sterkt avhengig av dens stereokjemi .

I tilfelle polymeren kommer fra en enkelt type monomer kalles den en homopolymer og hvis den kommer fra flere monomerer kalles den en kopolymer eller heteropolymer . For eksempel er polystyren en homopolymer, siden den kommer fra en enkelt type monomer, styren, mens man starter fra styren og akrylnitril, kan få en kopolymer av disse to monomerene.

I heteropolymerer kan monomerer fordeles på forskjellige måter, spesielt for naturlige polymerer, monomerer kan gjentas tilfeldig, informativt (som i polypeptider av proteiner eller polynukleotider av nukleinsyrer ) eller periodisk, som i peptidoglykan eller i noen polysakkarider.

Monomerene som utgjør kjeden til en kopolymer kan være lokalisert i hovedkjeden alternerende i henhold til forskjellige mønstre, kalt alternerende kopolymer , blokkkopolymer , tilfeldig kopolymer , podekopolymer . For å oppnå denne utformingen må polymerisasjonsreaksjonen og katalysatorene være egnet.


a) Homopolymer b) Alternerende kopolymer
c) Blokkkopolymer d) Tilfeldig kopolymer
e) Podekopolymer

Til slutt kan endene av polymerene være forskjellige fra resten av polymerkjeden, men resten av kjeden er mye viktigere enn disse endene fordi kjeden er av stor lengde sammenlignet med endene.

Egenskaper

Elektriske egenskaper

Industrielle polymerer har generelt en tendens til å være dårlige elektriske ledere, og det er grunnen til at de er mye brukt i den elektriske og elektroniske industrien som isolasjonsmaterialer. Bakelitt ( fenolharpikser) erstattet med fordel porselen og glass i lavspenningskoblingsanlegg for mange år siden; Termoplast som PVC og PE, blant annet, brukes i produksjonen av elektriske kabler , som for tiden når applikasjonsspenninger på over 20 KV , og nesten alle elektronisk utstyrshus er laget av termoplast med utmerkede egenskaper, mekaniske, så vel som elektriske og svært høy holdbar og motstandsdyktig mot miljøet , som for eksempel ABS-harpikser .

For å unngå statiske ladninger i applikasjoner som krever det, har bruken av antistatiske midler som tillater delvis ledning av elektriske ladninger på polymeroverflaten blitt utbredt .

Åpenbart er den største ulempen med plastmaterialer i disse applikasjonene knyttet til tapet av mekaniske og geometriske egenskaper med temperatur. Imidlertid finnes det allerede materialer som tåler relativt høye temperaturer (over 200 °C) uten problemer.

De elektriske egenskapene til industrielle polymerer bestemmes hovedsakelig av materialets kjemiske natur ( kovalente bindinger med større eller mindre polaritet) og er ikke veldig følsomme for den krystallinske eller amorfe mikrostrukturen til materialet, noe som påvirker de mekaniske egenskapene mye mer. Studien er utført gjennom atferdstester i elektriske felt med forskjellig intensitet og frekvens. Deretter analyseres de elektriske egenskapene til disse materialene.

Ledende polymerer ble utviklet i 1974 og deres applikasjoner studeres fortsatt.

Fysiske egenskaper til polymerer

Røntgendiffraksjonsstudier på kommersielle polyetylenprøver viser at dette materialet , laget av molekyler som kan inneholde fra 1 000 til 150 000 CH 2 -CH 2 -grupper, presenterer områder med et visst krystallinsk arrangement, og andre hvor en amorf karakter er tydelig. : sistnevnte regnes som glassfeil. I dette tilfellet er kreftene som er ansvarlige for den kvasikrystallinske ordenen de såkalte van der Waals-kreftene . I andre tilfeller ( nylon 66) ligger ansvaret for bestilling hos H-bindingene .

Temperaturen er svært viktig i forhold til oppførselen til polymerer. Ved lavere temperaturer blir polymerer hardere og med visse glassaktige egenskaper, på grunn av tap av relativ bevegelse mellom kjedene som utgjør materialet. Temperaturen som de krystallinske sonene smelter ved kalles smeltetemperaturen (Tf). En annen viktig temperatur er dekomponeringstemperaturen og det er praktisk at den ligger godt over Tf.

Mekaniske egenskaper

De er en direkte konsekvens av dens sammensetning, så vel som molekylær struktur , både på molekylært og supermolekylært nivå. For tiden er de mekaniske egenskapene som er av interesse de av polymere materialer, og disse må forbedres ved å modifisere sammensetningen eller morfologien: for eksempel å endre temperaturen ved hvilken polymerene mykner og gjenvinner den elastiske faste tilstanden eller også den generelle graden av tredimensjonal rekkefølge. Normalt er insentivet for studier av mekaniske egenskaper generelt på grunn av behovet for å korrelere responsen til forskjellige materialer under en rekke forhold for å forutsi oppførselen til disse polymerene i praktiske applikasjoner.

I lang tid har det vært gjort forsøk på å forstå den mekaniske oppførselen til plastmaterialer gjennom nettverksdeformasjon av tverrbundne polymerer og sammenfiltrede molekylkjeder, men forsøk på å beskrive deformasjonen av andre faste polymerer i form av prosesser som opererer i molekylær skala er nyere. Derfor vil de forskjellige typene respons vist av faste polymerer ved forskjellige nivåer av påført stress, elastisitet, viskoelastisitet, krypning og brudd bli vurdert.

Klassifisering

Det er flere mulige måter å klassifisere polymerer på, uten å utelukke hverandre.

I henhold til opprinnelsen

I henhold til polymeriseringsmekanismen

I 1929 foreslo Carothers følgende klassifisering:

Florys klassifisering (modifisering av Carothers for å vurdere kinetikken til reaksjonen):

I henhold til dens kjemiske sammensetning

Blant dem kan skilles: Eksempler: polyetylen og polypropylen . Eksempler: polystyren og styren-butadien-gummi . Eksempler: PVC og PTFE . Noen underkategorier av betydning: uorganiske polymerer. Blant andre:

I henhold til søknadene dine

Basert på deres egenskaper og sluttbruk, kan polymerer klassifiseres i:

I henhold til oppførselen når den øker temperaturen

For å klassifisere polymerer er en av de enkleste empiriske måtene å varme dem over en viss temperatur. Avhengig av om materialet smelter og flyter, eller tvert imot, det gjør det ikke, er tre typer polymerer differensiert:

Klassifiseringen av termoplast / herdeplast er uavhengig av klassifiseringen av elastomerer / plast / fibre. Det er plast som har en termoplastisk oppførsel og andre som oppfører seg som herdeplast. Dette utgjør faktisk hovedinndelingen av plastgruppen og betyr ofte at når man snakker om "termoseter" så refererer man faktisk bare til "termosettplast". Men dette bør ikke få oss til å glemme at elastomerer også er delt inn i herdeplast (de aller fleste) og termoplast (en minoritet, men med svært interessante bruksområder).

Nomenklatur

Bortsett fra nomenklaturreglene etablert av IUPAC , er det en annen alternativ mekanisme som polymerer også kan navngis med, og den er basert på monomeren de kommer fra. Dette systemet er det vanligste. Blant forbindelsene som er navngitt på denne måten er: polyetylen og polystyren . Når navnet på monomeren er et enkelt ord, blir polymeren laget av den ganske enkelt navngitt ved å legge til prefikset poly.

Internasjonale standarder publisert av IUPAC indikerer at det generelle prinsippet for å navngi basispolymerer er å bruke prefikset poly- etterfulgt av den repeterende strukturelle enheten (SRU) som definerer polymeren, skrevet i parentes. EBU må navngis etter de konvensjonelle IUPAC-reglene for enkle molekyler. [ 11 ]

Eksempel:
Poly(tio-1,4-fenylen)

IUPAC-standarder brukes ofte til å navngi polymerer med kompliserte strukturer, da de lar dem bli entydig identifisert i vitenskapelige artikkeldatabaser. [ 12 ] Tvert imot, de brukes vanligvis ikke for polymerer med en enklere struktur og i vanlig bruk, hovedsakelig fordi disse polymerene ble oppfunnet før de første IUPAC-standardene ble publisert, i 1952 , og derfor deres "vanlige" navn eller "tradisjonelle" "har allerede blitt populær.

I praksis blir polymerer i vanlig bruk vanligvis navngitt i henhold til ett av følgende alternativer:

monomer EBU Polymer
tradisjonelt system etylen polyetylen
IUPAC-systemet eten metylen poly(metylen)
monomer EBU Polymer
tradisjonelt system styren polystyren
IUPAC-systemet fenyleten 1-fenyletylen poly(1-fenyletylen)

IUPAC erkjenner at tradisjonelle navn er fast etablert ved bruken av dem og har ikke til hensikt å avskaffe dem, men bare gradvis redusere bruken i vitenskapelige publikasjoner. [ 11 ]

Eksempler på polymerer av stor betydning

Hovedtyper av polymerer

Mest brukte polymerer etter bransjer

Funksjonelle polymerer

Se også

Referanser

  1. ↑ Roiter, Y.; Minko, S. (2005). "AFM enkeltmolekyleksperimenter ved fast-væske-grensesnittet: In situ-konformasjon av adsorberte fleksible polyelektrolyttkjeder". Journal of the American Chemical Society 127 (45): 15688-15689. PMID  16277495 . doi : 10.1021/ja0558239 . 
  2. ↑ a b IUPAC (1997). «Kompendium for kjemisk terminologi, 2. utg. ("Gullboken"). Makromolekyl (polymermolekyl)» . I McNaught, AD, Wilkinson, A., red. IUPAC Gullbok . Blackwell Scientific Publications. ISBN  0-9678550-9-8 . doi : 10.1351/gullbok . Hentet 14. juli 2020 . 
  3. ^ "polymer | Beskrivelse, eksempler og typer» . Encyclopedia Britannica (på engelsk) . Hentet 10. juli 2020 . 
  4. ^ McCrum, N.G.; Bucknall, C.B. (1997). Prinsipper for polymerteknikk (2. utgave). Oxford University Press. ISBN  0-19-856527-5 . OCLC  36681710 . Hentet 10. juli 2020 . 
  5. ^ Jensen, William B. (2008-05). "Opprinnelsen til polymerkonseptet" . Journal of Chemical Education (på engelsk) 85 (5): 624. ISSN  0021-9584 . doi : 10.1021/ed085p624 . Hentet 13. juli 2020 . 
  6. ^ Staudinger, H. (12. juni 1920). «Over polymerisering» . Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A- og B-serien ) 53 (6): 1073-1085. doi : 10.1002/cber.19200530627 . Hentet 13. juli 2020 . 
  7. ↑ Allcock, HR; Mark, James E., 1934- (2003). Moderne polymerkjemi. (3. utgave utgave). Pearson/Prentice Hall. ISBN  0-13-065056-0 . OCLC  51096012 . Hentet 13. juli 2020 . 
  8. ^ Rosato, Donald V. Rosato, Marlene G. Schott, Nick R., 1939- (2012). Håndbok for plastteknologi. produksjon, kompositter, verktøy, hjelpemidler . Momentum Press. ISBN  978-1-60650-084-2 . OCLC  826719848 . Hentet 13. juli 2020 . 
  9. ↑ Service de Sciences des Polymères (2010). "Printemps des Sciences 2010 - Les polymères - Université libre de Bruxelles" (pdf) (på fransk) . infosciences8.ulb.ac.be. Arkivert fra originalen 5. august 2016 . Hentet 3. november 2015 . 
  10. ↑ Varmtvann
  11. ↑ a b IUPAC (2002). "Nomenklatur av vanlige enkeltstrengede organiske polymerer (IUPAC-anbefalinger 2002)" . Ren appl. Chem. (74). s. 1921-1956 . Arkivert fra originalen 14. mai 2011 . Hentet 28. oktober 2007 . 
  12. ↑ Macossay, Jy Wilks, ES "Macromolecular Nomenclature Note No. 18: SRUs: Using the Rules" . Avdeling for polymerkjemi i American Chemical Society . Arkivert fra originalen 5. juli 2008 . Hentet 28. oktober 2007 . 

Bibliografi

Eksterne lenker