Polümeerid: mis need on, kuidas moodustuvad ja kus neid kasutatakse

Polümeerid: avasta, kuidas monomeerid liituvad, looduslikud ja sünteetilised tüübid ning nende rakendused tööstuses, meditsiinis ja igapäevaelus.

Polümeer on molekul, mis on valmistatud paljude väikeste molekulide, nn monomeeride ühendamisest. Sõna "polümeer" koosneb kreekakeelsetest osadest "polü" (palju) ja "mer" (ühik), mis rõhutab, et polümeeri keemiline koostis koosneb paljudest korduvatest väiksematest ühikutest. Monomeeride omavahelise sidumise keemilist protsessi nimetatakse polümerisatsiooniks. Polümerisatsioon võib toimuda erinevate mehhanismide kaudu (näiteks liitmis- ehk kettahela- või kondensatsioonipolümerisatsioon), mis määravad lõpptoodangu struktuuri ja omadused.

Mõned polümeerid on looduslikud ja organismide poolt valmistatud. Näiteks valgud on polüpeptiidmolekulid, moodustunud erinevatest aminohapete monomeeridest; neil on organismis olulised struktuuri- ja ensümaatilised funktsioonid. Nukleiinhapped (DNA ja RNA) on tohutud looduslikud polümeerid, mis koosnevad nukleotiididest ja kannavad geneetilist informatsiooni. Tselluloos ja tärklis on süsivesikute gruppe, mis samuti on looduslikud polümeerid ja moodustuvad glükoosühikutest seotud ahelatena. Kumm on looduslik polümeer või polümeeride segu, mida tehnoloogiliselt töödeldakse, et saada elastseid materjale. Plastid on inimtekkelised polümeerid. Paljud kiud (näiteks puuvill, polüester, nailon) on samuti valmistatud polümeeridest ja neid kasutatakse tekstiilitööstuses.

Kuidas polümeerid moodustuvad

Polümeeri moodustumiseks on vajalik monomeeride keemiline reaktsioon. Peamised polümerisatsiooni tüübid on:

• Liitumispolümerisatsioon (chain-growth): monomeerid lisanduvad järjest ahelale, sageli radikaalide, ioonide või katalüsaatorite abil. Näited: polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüstüreen (PS).
• Kondensatsioonipolümerisatsioon (step-growth): kaks erinevat monomeeri reageerivad ja vabaneva väikese molekuli (nt vee) eraldumisel tekib polümeer. Näited: polüesterid (nt PET), polüamidid (nt nailon).

Polümerisatsiooni tingimused (temperatuur, rõhk, katalüsaatorid) mõjutavad polümeeri molekulmassi, ahelate pikkust ja omadusi. Tehnoloogilised protsessid nagu vulkaniseerimine toovad sisse ristsidemeid, muutes materjali tugevamaks ja elastsemaks (näiteks kummitoodetes).

Struktuur ja tüübid

Polümeere kirjeldatakse mitmel tasandil:

• Homopolümeer — kui kõik korduvad üksused on samad. Nimetatakse tavaliselt eesliitega polü- + monomeeri nimi (nt polüstüreen, mis on valmistatud stüreeni monomeeridest).
• Kopolümeer (ehk heteropolümeer) — kui korduvad üksused on erinevad. Kopolümeerid võivad olla blokilised (plokkidest koosnevad), juhuslikud (random) või harulised (graft), mis annab neile erinevaid mehaanilisi ja termilisi omadusi.
• Ahelastruktuurid: polümeermolekulid võivad olla sirged (lineaarsed), hargnenud või ristsidetega (võrgustunud). Ristsidemed suurendavad tugevust ja temperatuuri- või keemilist stabiilsust.
• Molekulmassi ja jaotusega seotud omadused: polümeeride omadused sõltuvad keskmisest molekulmassist ja selle jaotusest (molekulide pikkuste varieeruvus), samuti molekulide orientatsioonist ja kristallilisusest.
• Struktuurse omaduse nüansid: tacticity (külgasenduse kordumine), stereokeemia ja kristallilisus mõjutavad selgelt sulamistemperatuuri (Tm), klaasistumistemperatuuri (Tg) ja jäikust.

Omadused

Polümeeride peamised omadused sõltuvad nende keemilisest struktuurist ja töötlemisest:

• Mehaanilised omadused: elastsus, tugevus, sitkus.
• Termilised omadused: klaasistumis- ja sulamistemperatuur, kuumuskindlus.
• Keemiline vastupidavus: happe-, leelise- või lahusti-kindlus.
• Elektrilised omadused: isolaatorid või juhtivad polümeerid (sünteetilised või modifitseeritud).
• Optilised omadused: läbipaistvus või opakne ning spetsiifilised valguse neeldumise/gardimise omadused.

Kus polümeere kasutatakse

Polümeeride mitmekülgsus teeb neist ühe tähtsama materjaliklassi kaasaegses maailmas. Peamised rakendusalad:

• Pakendamine: polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüstüreen (PS), PET — kergekaalulised ja taktikaalsed pakendid.
• Tekstiilid ja kiud: polüester, nailon, akrüül — rõivad, tööstuslikud tekstiilid, matid.
• Ehitus ja autotööstus: PVC, kumm, komposiidid — torud, isolatsioon, siseviimistlus, autokered.
• Elektroonika ja elektroonilised komponendid: isolaatorid, juhtivad polümeerid, trükitud trükkplaadid.
• Tervishoid ja meditsiin: biopolümeerid, implantaadid, ravimivormid, steriilsed pakendid — ka bioolitavad polümeerid (nt polülaktiid PLA, polühhidroksüalkanoaadid PHA).
• Liimid ja kattematerjalid: vastupidavad pinnad ja kaitsekatted.
• 3D-printimine: termoplastid (PLA, ABS jne) ja fotopolümeerid prototüüpimiseks ja väikesarjade tootmiseks.
• Komposiidid: tugevuse ja jäikuse suurendamiseks polümeerid kombineerituna kiududega (nt klaas- või süsinikkiududega).

Keskkonnamõjud ja ringlussevõtt

Kuigi polümeerid annavad palju kasu, on plastide laialdasel kasutamisel olnud tugevaid keskkonnamõjusid: polüetüleenist ja teistest plastidest tekivad jäätmed, mis võivad lõppeda prügilates, meres microplastics-ina või põletamisel õhusaasteallikana. Oluline lähenemine on:

• Ringlussevõtt: mehhaaniline ümbertöötlemine (sortimine, purustamine, sulatamine ja uuesti töötlemine), keemiline ringlussevõtt, mis lagundab plasti monomeerideks, ja energiautiliseerimine.
• Biolagunevad ja biopõhised polümeerid: biopõhised alternatiivid nagu PLA ja PHA, mis võivad sobivate tingimuste korral laguneda, vähendades püsivaid jäätmeid.
• Vähenenud tarbimine ja paremad disainilahendused: toote elutsükli optimeerimine, korduvkasutus ja materjalisäästlik disain.

Kokkuvõte

Polümeerid on väga mitmekesine ja laialt kasutatav materjaliklass, mis hõlmab nii looduslikke molekule (nt valgud, nukleiinhapped, tselluloos) kui ka inimese valmistatud plaste ja tehnilisi elastomeere. Nende struktuur, tootmismeetod ja töötlemine määravad lõpptoote omadused ning kasutusalad — alates igapäevastest pakenditest kuni kõrgtasemelise meditsiinitehnikani. Tänapäeva väljakutseks on tagada polümeeride säästev tootmine ja käitlemine, et vähendada keskkonnamõjusid ning suurendada taaskasutust ja biolagunevate alternatiivide kasutamist.

Küsimused ja vastused

K: Mis on polümeer?

K: Mida tähendab sõna "polümeer"?

K: Kuidas moodustuvad polümeerid?

K: Kas on olemas looduslikke polümeere?

K: Kas on olemas inimtekkelisi polümeere?

K: Mis vahe on homopolümeeril ja kopolümeeril?

Küsimus: Kuidas muutuvad suured süsivesiniku molekulid väiksemateks molekulideks ?

Otsing