Polimery

Polimery to substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Materiały te mają unikalne właściwości, w zależności od rodzaju łączonych cząsteczek i sposobu ich wiązania. Niektóre polimery zginają się i rozciągają, podobnie jak guma i poliester. Inne są twarde i wytrzymałe, jak epoksydy i szkło.

Polimery występują w prawie każdym aspekcie współczesnego życia. W ciągu ostatnich pięciu minut większość ludzi miała kontakt z co najmniej jednym produktem zawierającym polimery – od butelek z wodą, przez gadżety, po opony.

Termin polimer jest często używany do określenia tworzyw sztucznych, które są polimerami syntetycznymi. Istnieją jednak również polimery naturalne; na przykład guma i drewno są polimerami naturalnymi, które składają się z prostego węglowodoru, izoprenu. Białka są naturalnymi polimerami składającymi się z aminokwasów, a kwasy nukleinowe (DNA i RNA) są polimerami nukleotydów – złożonych cząsteczek składających się z zasad zawierających azot, cukrów i kwasu fosforowego.

Polimeryzacja

Polimeryzacja jest metodą tworzenia syntetycznych polimerów poprzez łączenie mniejszych cząsteczek, zwanych monomerami, w łańcuch utrzymywany razem przez wiązania kowalencyjne. Różne reakcje chemiczne – na przykład spowodowane przez ciepło i ciśnienie – zmieniają wiązania chemiczne, które łączą monomery. Proces ten powoduje, że molekuły łączą się w strukturę liniową, rozgałęzioną lub sieciową, w wyniku czego powstają polimery.

Te łańcuchy monomerów nazywane są również makrocząsteczkami. Większość łańcuchów polimerowych posiada jako szkielet łańcuch atomów węgla. Pojedyncza makromolekuła może składać się z setek tysięcy monomerów.

Polimery – zastosowanie

Polimery są stosowane w prawie każdej dziedzinie współczesnego życia. Torby spożywcze, butelki z wodą i sodą, włókna tekstylne, telefony, komputery, opakowania żywności, części samochodowe i zabawki zawierają polimery.

Membrany do odsalania wody, nośniki używane w kontrolowanym uwalnianiu leków i biopolimery do inżynierii tkankowej, wszystkie używają polimerów.

Popularne polimery do produkcji obejmują polietylen i polipropylen. Ich cząsteczki mogą składać się z 10.000 do 200.000 monomerów.

Struktura polimerów

Wiele popularnych klas polimerów składa się z węglowodorów, związków węgla i wodoru. Polimery te są specjalnie wykonane z atomów węgla połączonych ze sobą, jeden do drugiego, w długie łańcuchy, które są nazywane szkieletem polimeru.

Ze względu na charakter węgla, jeden lub więcej innych atomów może być dołączonych do każdego atomu węgla w szkielecie. Istnieją polimery, które zawierają tylko atomy węgla i wodoru. Polietylen, polipropylen, polibutylen, polistyren i polimetylopenten są tego przykładami. Polichlorek winylu (PCW) ma chlor podłączony do całkowicie węglowego szkieletu. Teflon ma fluor przymocowany do całkowicie węglowego szkieletu.

Inne powszechnie produkowane polimery mają szkielet, który zawiera elementy inne niż węgiel. Nylony zawierają atomy azotu w szkielecie jednostki powtórzeniowej. Poliestry i poliwęglany zawierają tlen w szkielecie.

Istnieją również pewne polimery, które zamiast mieć szkielet węglowy, mają szkielet krzemowy lub fosforowy. Są one uważane za polimery nieorganiczne. Jednym z bardziej znanych polimerów na bazie krzemu jest Silly Putty.

Układ molekularny polimerów

Pomyśl o tym, jak wyglądają kluski spaghetti na talerzu. Są one podobne do tego, jak można układać polimery liniowe, jeśli nie mają określonej kolejności lub są amorficzne.

Kontrolowanie procesu polimeryzacji i hartowanie stopionych polimerów może prowadzić do amorficznej organizacji. Układ amorficzny molekuł nie ma żadnego porządku ani formy, w której łańcuchy polimerowe układałyby się same.

Polimery amorficzne są na ogół przezroczyste. Jest to ważna cecha w wielu zastosowaniach, takich jak opakowania do żywności, plastikowe okienka, soczewki do reflektorów i soczewki kontaktowe.

Oczywiście nie wszystkie polimery są przezroczyste. Łańcuchy polimerowe w obiektach, które są przezroczyste i nieprzezroczyste, mogą być w układzie krystalicznym.

Z definicji układ krystaliczny ma atomy, jony, lub w tym przypadku cząsteczki ułożone w różne wzory. Na ogół myśli się o strukturach krystalicznych w soli stołowej i kamieniach szlachetnych, ale mogą one występować w tworzywach sztucznych.

Tak jak hartowanie może tworzyć układy amorficzne, tak przetwarzanie może kontrolować stopień krystaliczności tych polimerów, które są zdolne do krystalizacji. Niektóre polimery są zaprojektowane tak, aby nigdy nie były zdolne do krystalizacji. Inne są zaprojektowane tak, aby mogły się krystalizować.

Im wyższy stopień krystaliczności, tym mniej światła może przechodzić przez polimer, a im wyższy stopień krystaliczności, tym mniej światła może przechodzić przez polimer.

Dlatego na stopień przezroczystości lub nieprzezroczystości polimeru może mieć bezpośredni wpływ jego krystaliczność. Krystaliczność przynosi korzyści w zakresie wytrzymałości, sztywności, odporności chemicznej i stabilności.

Naukowcy i inżynierowie zawsze produkują bardziej użyteczne materiały, manipulując strukturą molekularną, która wpływa na końcowy wytworzony polimer.

Producenci i przetwórcy wprowadzają różne wypełniacze, wzmocnienia i dodatki do polimerów bazowych, rozszerzając tym samym możliwości produktu.

Charakterystyka polimerów

Większość produkowanych polimerów jest termoplastyczna, co oznacza, że po uformowaniu polimeru można go wielokrotnie podgrzewać i reformować. Ta właściwość pozwala na łatwe przetwarzanie i ułatwia recykling. Druga grupa, termoutwardzalne tworzywa, nie mogą być przetapiane. Po utworzeniu tych polimerów, ponowne podgrzanie spowoduje ostateczną degradację materiału, ale nie stopienie.

Każdy polimer ma bardzo różne właściwości, ale większość polimerów ma następujące ogólne właściwości.

Polimery mogą być bardzo odporne na działanie chemikaliów. Weź pod uwagę wszystkie płyny czyszczące w Twoim domu, które są pakowane w plastik. Czytając etykiety ostrzegawcze, które opisują, co dzieje się, gdy środek chemiczny wchodzi w kontakt ze skórą lub oczami lub jest połykany, podkreślisz potrzebę odporności chemicznej w opakowaniu z tworzywa sztucznego. Podczas gdy rozpuszczalniki łatwo rozpuszczają niektóre tworzywa sztuczne, inne zapewniają bezpieczne, nietłukące się opakowania na agresywne rozpuszczalniki.
Polimery mogą być zarówno izolatorami termicznymi jak i elektrycznymi. Spacer po Twoim domu wzmocni tę koncepcję, ponieważ weźmiesz pod uwagę wszystkie urządzenia, przewody, gniazdka elektryczne i okablowanie, które są wykonane lub pokryte materiałami polimerowymi. Opór cieplny jest widoczny w kuchni z uchwytami garnka i patelni wykonanymi z polimerów, uchwytami garnka do kawy, piankowym rdzeniem lodówek i zamrażarek, izolowanymi filiżankami, chłodziarkami i kuchenką mikrofalową. Bielizna termiczna, którą nosi wielu narciarzy, wykonana jest z polipropylenu, a wypełnienie z włókna w kurtkach zimowych jest akrylowe i poliestrowe.
Ogólnie rzecz biorąc, polimery są bardzo lekkie, o znacznym stopniu wytrzymałości. Weź pod uwagę zakres zastosowań, od zabawek do konstrukcji szkieletu stacji kosmicznych, czy od delikatnego włókna nylonowego w rajstopach po kewlar, który jest używany w kamizelkach kuloodpornych. Niektóre polimery unoszą się w wodzie, podczas gdy inne tonieją. Ale w porównaniu do gęstości kamienia, betonu, stali, miedzi czy aluminium, wszystkie tworzywa sztuczne są materiałami lekkimi.
Polimery mogą być przetwarzane na różne sposoby. Wytłaczanie powoduje wytwarzanie cienkich włókien lub ciężkich rur lub folii lub butelek na żywność. W procesie formowania wtryskowego można produkować bardzo skomplikowane części lub duże panele karoserii. Tworzywa sztuczne mogą być formowane w beczki lub być mieszane z rozpuszczalnikami, aby stać się klejami lub farbami. Elastomery i niektóre tworzywa sztuczne są rozciągliwe i bardzo elastyczne. Niektóre tworzywa sztuczne są rozciągnięte w procesie przetwarzania, aby utrzymać ich kształt, np. butelki po napojach bezalkoholowych. Inne polimery mogą być spieniane, takie jak polistyren (Styrofoam), poliuretan i polietylen.
Polimery są materiałami o pozornie nieograniczonej gamie właściwości i kolorów. Polimery mają wiele nieodłącznych właściwości, które mogą być dodatkowo wzmocnione przez szeroką gamę dodatków rozszerzających ich zastosowania i zastosowania. Polimery mogą naśladować włókna bawełniane, jedwabne i wełniane, porcelanę i marmur oraz aluminium i cynk. Polimery mogą również tworzyć produkty, które nie pochodzą łatwo ze świata przyrody, takie jak przezroczyste arkusze i elastyczne folie.
Polimery są zazwyczaj wykonane z ropy naftowej, ale nie zawsze. Wiele polimerów wykonanych jest z jednostek powtarzalnych pochodzących z gazu ziemnego lub węgla albo ropy naftowej. Ale jednostki powtarzalne mogą być czasami wykonane z materiałów odnawialnych, takich jak kwas polimlekowy z kukurydzy lub celuloza z lintersu bawełnianego. Niektóre tworzywa sztuczne zawsze były wykonane z materiałów odnawialnych, takich jak octan celulozy stosowany do produkcji uchwytów śrubokrętów i wstęgi upominkowej. Gdy elementy konstrukcyjne mogą być wykonane bardziej ekonomicznie z materiałów odnawialnych niż z paliw kopalnych, albo stare tworzywa sztuczne znajdują nowe surowce, albo wprowadzane są nowe tworzywa sztuczne.
Polimery mogą być wykorzystywane do produkcji elementów, które nie mają alternatywy w postaci innych materiałów. Polimery mogą być wykonane z przezroczystych, wodoodpornych folii. PCV jest używany do produkcji rurek i torebek na krew, które przedłużają okres przydatności do spożycia krwi i produktów z krwi. PVC bezpiecznie dostarcza łatwopalny tlen w niepalnych elastycznych rurkach. A materiał antytrombogeniczny, taki jak heparyna, może być stosowany w elastycznych cewnikach z PVC do operacji na otwartym sercu, dializ i pobierania krwi. Wiele urządzeń medycznych opiera się na polimerach, aby umożliwić skuteczne działanie.