Polümeeride keemia

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).

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.

Polümeerid moodustuvad monomeeride polümerisatsiooni teel. Keemikud kirjeldavad polümeeri polümerisatsiooniastme, molaarse massijaotuse, taktilisuse, kopolümeerijaotuse, hargnemisastme, lõpprühmade, ristseoste ja kristallilisuse järgi. Samuti uurivad keemikud polümeeri termilisi omadusi, näiteks klaasistumistemperatuuri ja sulamistemperatuuri. Polümeeridel on lahuses erilised omadused lahustuvuse, viskoossuse ja geelistumise osas.

Ajalugu

Polümeeride keemia sai alguse taimede pikkade kiudude uurimisest. Henri Braconnot' töö 1777. aastal ja Christian Schönbeini töö 1846. aastal viisid nitrotselluloosi avastamiseni. Nitrotselluloosist, mida on töödeldud kamforiga, saadakse tselluloid. Keemikud lahustavad tselluloidi eetris või atsetoonis, et valmistada kolloodiumi. Arstid on kasutanud kolloodiumi haavasidemetena alates USA kodusõjast. Tselluloosatsetaati valmistati esmakordselt 1865. aastal. 1834. aastal avastasid Friedrich Ludersdorf ja Nathaniel Hayward sõltumatult, et väävli lisamine toorele looduslikule kautšukile (polüisopreen) aitab vältida materjali kleepumist. 1844. aastal sai Charles Goodyear USA patendi kummi vulkaniseerimiseks väävli ja kuumusega. Thomas Hancock oli saanud sama protsessi kohta patendi Ühendkuningriigis aasta varem.

1884. aastal alustas Hilaire de Chardonnet esimest tehiskiudude tehast, mis põhines regenereeritud tselluloosil ehk viskoosil, mis asendas siidi, kuid oli väga kergesti süttiv. 1907. aastal leiutas Leo Baekeland esimese sünteetilise polümeeri, termokõveneva fenool-formaldehüüdvaigu, mida nimetati bakeliidiks. Umbes samal ajal teatas Hermann Leuchs N-karboksüanhüdriidide ja nende suure molekulmassiga toodete sünteesist reaktsioonil nukleofiilidega. Kuid Leuchs ei nimetanud neid polümeerideks, tõenäoliselt tema otsese juhendaja Emil Fischeri tugevate seisukohtade tõttu, kes eitas igasuguse üle 6000 daltoni sisaldava kovalentse molekuli võimalikkust. Tsellofaani leiutas 1908. aastal Jocques Brandenberger, kes pritsis viskoosist viskoosilehti happevanni.

1922. aastal pakkus Hermann Staudinger (saksa keemik) välja, et polümeerid on pikad ahelad aatomitest, mida hoiavad koos kovalentsed sidemed. Ta tegi ka ettepaneku nimetada neid ühendeid "makromolekulideks". Enne seda uskusid teadlased, et polümeerid on väikeste molekulide (nn kolloidide) kogumid, millel puudub kindel molekulmass ja mida hoiab koos tundmatu jõud. Staudinger sai 1953. aastal Nobeli keemiapreemia.

Wallace Carothers leiutas 1931. aastal esimese sünteetilise kummi, mida nimetatakse neopreeniks. Neopreen oli esimene polüester. Carothers leiutas 1935. aastal nailoni, mis oli tõeline siidi asendaja. Paul Flory sai 1974. aastal Nobeli keemiapreemia oma töö eest polümeeride juhuslike spiraalkonfiguratsioonide kohta lahuses 1950. aastatel. Stephanie Kwolek töötas välja aramiidi ehk aromaatse nailoni nimega Kevlar, mis patenteeriti 1966. aastal.

Praegu on olemas suur hulk kaubanduslikke polümeere. Nende hulka kuuluvad sellised komposiitmaterjalid nagu süsinikkiud-epoksü, polüstüreen-polübutadieen (HIPS), akrüülnitriil-butadieen-stüreen (ABS). Keemikud kavandavad kaubanduslikke polümeere nii, et need ühendaksid oma erinevate komponentide parimad omadused. Näiteks automootorites kasutatavad spetsiaalsed polümeerid on kavandatud töötama kõrgetel temperatuuridel.

Kulus palju aega, enne kui ülikoolides võeti kasutusele polümeerikeemia õppe- ja teadusprogrammid. Saksamaal Freiburgis asutati 1940. aastal Hermann Staudingeri juhtimisel "Institut fur Makromolekulare Chemie". Ameerikas asutati 1941. aastal Herman Marki poolt Brooklyni Polütehnilises Instituudis (praegu NYU Polütehniline Instituut) "Polymer Research Institute" (PRI). Mitusada PRI lõpetajat mängisid olulist rolli USA polümeeritööstuses ja akadeemilistes ringkondades. Teised PRId asutas 1961. aastal Richard S. Stein Massachusettsi Ülikoolis Amherstis, 1967. aastal Eric Baer Case Western Reserve Ülikoolis ja 1988. aastal Akroni Ülikoolis.

Küsimused ja vastused

K: Mis on polümeeride keemia?

V: Polümeerikeemia (ka makromolekulaarkeemia) on teadus polümeeride või makromolekulide keemilisest sünteesi ja keemiliste omaduste kohta.

K: Millised on mõned näited elusorganismide poolt toodetud biopolümeeridest?

V: Elusorganismide toodetud biopolümeeride hulka kuuluvad näiteks struktuurivalgud nagu kollageen, keratiin, elastiin; keemiliselt funktsionaalsed valgud nagu ensüümid, hormoonid, transpordivalgud; struktuursed polüsahhariidid nagu tselluloos ja kitiin; säilituspolüsahhariidid nagu tärklis ja glükogeen; ja nukleiinhapped nagu DNA ja RNA.

K: Milliseid sünteetilisi polümeere kasutatakse plastide valmistamiseks?

V: Plastide valmistamiseks kasutatavate sünteetiliste polümeeride hulka kuuluvad näiteks termoplastid nagu polüetüleen, teflon, polüstüreen, polüpropüleen, polüester, polüuretaan, polümetüülmetakrülaat, nailon rayon tselluloid silikoon; termokõvastuvad plastid nagu vulkaniseeritud kummi bakeliit kevlar epoksü.

K: Kuidas moodustuvad polümeermolekulid?

V: Polümeermolekulid moodustuvad polümerisatsiooni teel, mis hõlmab monomeeride ühendamist, et moodustada suurem molekul.

K: Kuidas kirjeldavad keemikud polümeeri?

A: Keemikud kirjeldavad polümeeri selle polümerisatsiooniastme (monomeeriühikute arv ahelas), molaarse massijaotuse (iga monomeeriühikutüübi suhteline osakaal kogumassis), taktilisuse (kui korrapäraselt või ebakorrapäraselt on monomeerid ahelas paigutatud) alusel, kopolümeeri jaotus (kui suur on eri tüüpi/monomeeride osakaal), hargnemisaste (kui palju harusid on põhiahelast väljas), lõpprühmad (tüüp/rühmad mõlemas otsas), ristsidemed (ühendused kahe või enama ahela vahel) ja kristallilisus (kui korrastatud on).

K: Milliseid termilisi omadusi uurivad keemikud polümeeri vaadeldes?

V: Polümeeri vaadeldes uurivad keemikud selle klaasistumistemperatuuri ja sulamistemperatuuri, mis on seotud polümeeri soojusomadustega.

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

V: Lahuses oleval polümeeril on erilised omadused, mis on seotud lahustuvuse viskoossuse ja geelistumisega.