Polümeeride keemia: makromolekulide süntees, tüübid ja omadused

Polümeeride keemia — põhjalik juhend makromolekulide sünteesist, tüüpidest, omadustest ja rakendustest tööstuses ning bioteadustes.

Polümeeride keemia (ka makromolekulaarkeemia) on teadus polümeeride või makromolekulide keemilisest sünteesi ja keemiliste omaduste kohta. IUPACi soovituste kohaselt viitavad makromolekulid üksikutele molekuliahelatele ja on keemia valdkond. Polümeerid kirjeldavad polümeermaterjalide lahtiseid omadusi ja kuuluvad polümeeride füüsika valdkonda (füüsika osa). Selles artiklis selgitatakse põhimõisteid, sünteesimeetodeid, polümeeride struktuure, peamisi omadusi ja nende praktilisi rakendusi ning keskkonnamõjusid.

Põhiterminid ja sünteesi

Polümeerid moodustuvad monomeeride polümerisatsiooni teel. Peamised polümerisatsioonimehhanismid on:

• Lisandumise (ahelkasvuline) polümerisatsioon — monomeerid lisanduvad kasvavale ahelale ühe lisandva rühma kaupa; näideteks on alkeeni polümerisatsioon (polüetüleen, polüpropüleen, polüstüreen).
• Kondenseerumine (astmeline) polümerisatsioon — kaks või enam bifunktsionaalset monomeeri reageerivad, vabastades väikeseid molekule (nt vesi, metanool); tüüpilised polüesterid ja polüamiidid tekivad kondensatsioonireaktsioonidega.
• Kopolümerisatsioon — kahe või enama erineva monomeeri järjestus ahelas; tulemuseks võivad olla blokkkopolümeerid, sekvensilised või statistilised kopolümeerid, mille omadused on kombineeritud lähtematerjalide omadustest.

Polümeeride sünteesil kasutatakse erinevaid katalüsaatoreid, initsiaatoreid ja tööstuslikke meetodeid (nt anioon- ja katioonpolümerisatsioon, vaba radikaalpülatsiooni, metatees). Sünteesi tingimused (temp., rõhk, lahenduskeskkond) mõjutavad molaarset massi, jaotust ja molekulaarset struktuuri.

Polümeeride liigid ja näited

Erinevate makromolekulide hulka kuuluvad:

• Biopolümeerid, mida toodavad elusorganismid:
  • struktuurilised valgud: kollageen, keratiin, elastiin ja teised
  • keemiliselt funktsionaalsed valgud: ensüümid, hormoonid, transpordivalgud jt.
  • struktuursed polüsahhariidid: tselluloos, kitiin jt.
  • ladustatavad polüsahhariidid: tärklis, glükogeen jt.
  • nukleiinhapped: DNA, RNA
• Sünteetilised polümeerid, mida kasutatakse plastkiudude, värvide, ehitusmaterjalide, mööbli, mehaaniliste osade ja liimide valmistamiseks:
  • termoplastid: polüetüleen, teflon, polüstüreen, polüpropüleen, polüester, polüuretaan, polümetüülmetakrülaat, polüvinüülkloriid, nailon, rayon, tselluloid, silikoon jt.
  • termokõvastuvad plastid: vulkaniseeritud kummi, bakeliit, kevlar, epoksü ja muud.

Struktuurilised omadused ja molekulaarne arhitektuur

Polümeeri ahela pikkus, hargnemine, ristseosed ning taktilisus mõjutavad oluliselt materiaalseid omadusi. Keemikud kirjeldavad polümeeri järgmiste parameetrite järgi: polümerisatsiooniaste, molaarne massijaotus, taktilisus (rõhuasetusega stereosugulustel — isotaktne, sindiotaktne, ataktne), kopolümeerijaotus, hargnemisaste, lõpprühmad, kristallilisus ja termilised omadused.

Ristseosed muudavad polümeeri võrgustikuks, andes tugevuse ja kuumuskindluse (nt termokõvastuvad materjalid). Hargnemine mõjutab viskoossust ja sulamisomadusi: tugevalt hargnenud ahelad ei kristalliseeru nii hästi kui lineaarseid ahelaid.

Molekulmass, jaotus ja optimeerimine

Molekulmassi määratletakse mitmete keskmiste kaudu: aritmeetiline keskmine (Mn), raskusastme keskmine (Mw) ja nende suhe, mida nimetatakse dispersiooniks või polüdispersusindeksiks (PDI = Mw/Mn). Kõrgem Mw annab tavaliselt parema mehaanilise tugevuse, kuid raskendab töötlemist. Polümeeri omadused sõltuvad sageli mitte ainult keskmisest massist, vaid ka massijaotusest — kitsas jaotus toodab ühtlasemaid omadusi.

Termilised ja mehaanilised omadused

Polümeeride olulised termilised näitajad on:

• klaasistumistemperatuur (Tg) — temperatuuri juures amorfne polümeer läheb klaasjasest rabedast režiimist kummi- või elastseks režiimiks;
• sulamistemperatuur (Tm) — kristalliliste piirkondade sulamine;
• termiline lagunemine — temperatuur, kus algab keemiline degradeerumine.

Mehaanilised omadused (tõmbetugevus, paindetugevus, jäikus, väsimiskindlus) sõltuvad kristallilisusest, molekulmassist, ristseostusest ja täiteainete kasutamisest.

Lahused ja viskoossus

Polümeeridel on lahuses erilised omadused — lahustuvus, viskoossus ja geelistumine. Polümeeride lahuste viskoossus sõltub molekulmassist ja molekulide omavahelisest seostumisest; kontsentreeritud lahused võivad moodustada mikrogelist või katted. Solvendi polaarsus, temperatuur ja ahela struktuur määravad, kas polümeer lahustub ja millises kontsentratsioonis tekib võrgustik.

Karakteriseerimismeetodid

Polümeeride uurimiseks kasutatakse mitmeid analüütilisi meetodeid:

• GPC/SEC (gelpermeatsioonkromatograafia) — molaarmassi jaotuse määramiseks;
• NMR ja IR-spektrid — keemilise koostise ja rühmade tuvastamiseks;
• DSC (differentiaalne skaneeriv kalorimeetria) — Tg ja Tm määramiseks;
• TGA (termogravimeetria) — termilise stabiilsuse ja täiteainete/mahustajate sisalduse uurimiseks;
• X-ray difraktomeetria ja röntgensõtkumine — kristallilisuse ja struktuuri analüüsiks;
• Mehaanilised katsed ja mikroskoopia (SEM, TEM) — morfoloogia ja mehaaniliste omaduste hindamiseks.

Rakendused ja keskkonnamõjud

Polümeeride kasutusalad on väga erinevad: pakenditest ja tarbeesemetest kuni meditsiiniseadmete, autode ja elektroonikani. Sünteetilised polümeerid, nagu polüetüleen, polüvinüülkloriid või nailon, on igapäevaelus laialdaselt levinud.

Keskkonnaküsimused on polümeeriteaduses olulised — plastireostus, biolakenduvus ja ringlussevõtt. Sünteesitakse aina enam biolagunevaid ja ringlussevõetavaid polümeere ning uuritakse polümeeride eluiga ja degradeerumisprodukte. Additiivid, stabilisaatorid ja plastifikaatorid mõjutavad nii omadusi kui ka keskkonna- ja tervisemõjusid.

Praktilised märkused ja ohutus

Polümeeride töötlemisel tuleb arvestada tekkivate lenduvate ainete, tolmu ja keemiliste reaktiivide ohutusega. Kõrgete temperatuuride ja töötlemismeetodite puhul on oluline ventilatsioon ning sobivad isikukaitsevahendid. Samuti tuleks planeerida materjalide ringlussevõtu ja utiliseerimise strateegiad.

Kokkuvõttes ühendab polümeeride keemia orgaanilise keemia, materjaliteaduse ja füüsika elemente, pakkudes tööriistu uute materjalide kavandamiseks ja olemasolevate omaduste optimeerimiseks. Keemikud ja materjaliteadlased uurivad pidevalt uusi sünteesimeetodeid, täiteaineid ja ringlussevõttlahendusi, et vastata tehnoloogilistele ja keskkonnaalastele väljakutsetele.

Küsimused ja vastused

K: Mis on polümeeride keemia?

K: Millised on mõned näited elusorganismide poolt toodetud biopolümeeridest?

K: Milliseid sünteetilisi polümeere kasutatakse plastide valmistamiseks?

K: Kuidas moodustuvad polümeermolekulid?

K: Kuidas kirjeldavad keemikud polümeeri?

K: Milliseid termilisi omadusi uurivad keemikud polümeeri vaadeldes?

K: Millised eriomadused on polümeeril, kui see on lahuses?

Otsing