Polymeerikemia: makromolekyylien synteesi, ominaisuudet ja sovellukset

Polymeerikemia: syvä katsaus makromolekyylien synteesiin, ominaisuuksiin ja sovelluksiin — biopolymeerit, synteettiset muovit ja modernit materiaalit. Lue lisää.

Tekijä: Leandro Alegsa

Polymeerikemia (myös makromolekyylikemia) on polymeerien tai makromolekyylien kemiallisen synteesin ja kemiallisten ominaisuuksien tiede. IUPAC:n suositusten mukaan makromolekyylit tarkoittavat yksittäisiä molekyyliketjuja ja ovat kemian alaa. Polymeerit kuvaavat polymeerimateriaalien bulkkiominaisuuksia ja kuuluvat polymeerifysiikan alaan (osa fysiikkaa).

Polymeerikemiassa tutkitaan sekä polymeerien synteesiä ja rakenteen hallintaa että niiden kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Keskeisiä käsitteitä ovat monomeeri, polymerisaatioaste (eli ketjun pituus tai moolimassa), moolimassajakauma, taktiikka (sidosryhmien järjestys), haarautumisaste, ristisidostus, loppuryhmät ja kiteisyys. Nämä rakennepiirteet vaikuttavat suoraan polymeerin mekaaniseen käyttäytymiseen, lämmönkestoon ja liukoisuusominaisuuksiin.

Syntetisaatiomenetelmät

Polymeerit muodostuvat monomeerien polymerisaatiosta. Polymerisaatioita on useita periaatteita:

  • Ketjuuntuva (addition) polymerisaatio: reaktio käynnistyy radikaalien, ioni- tai koordinaatioaktiivisten keskusten kautta. Esimerkkejä ovat radikaalipolymerisaatio ja anioni-/kationipolymerisaatio.
  • Astia- tai kondensaatiopolymerisaatio: monomeerien välille muodostuu sidoksia samalla kun poistuu pieniä molekyylejä (esim. vesi).
  • Kontrolloidut / "living" -polymerisaatiot: kuten ATRP, RAFT ja anioninen living-polymerisaatio, mahdollistavat tarkan ketjupituuden ja kopolymeerirakenteen hallinnan.
  • Ring-avautumispolymerisaatio: sykliset monomeerit avautuvat ja liittyvät ketjuksi (esim. laktoonit, sykloetanoni-derivaatit).
  • Katalyyttipohjaiset menetelmät: Ziegler–Natta- tai metallocene-katalyysit käytössä erityisesti polyeteenin ja polypropeenin valmistuksessa.

Polymeerien synteesissä valitaan menetelmä haluttujen ominaisuuksien (moolimassa, jakautuma, taktiikka, haarautuminen, päätyryhmät) saavuttamiseksi. Reaktio-olosuhteet, liuottimet, inhibitorit ja katalyytit muokkaavat lopputuotetta.

Rakenne–ominaisuus -suhde

Chemistit kuvaavat polymeeriä sen polymerisaatioasteen, moolimassajakauman, taktiikan, kopolymeerijakauman, haarautumisasteen, loppuryhmien, ristisidosten ja kiteisyyden avulla. Nämä tekijät määräävät monia käytännön ominaisuuksia:

  • Lasittumislämpötila (Tg) ja sulamislämpötila (Tm) säätelevät polymeerin jäykkyyttä ja lämpötilakäyttäytymistä.
  • Kiteisyysaste vaikuttaa mekaaniseen lujuuteen, lämmönjohtavuuteen ja kemialliseen resistanssiin.
  • Haarautuminen ja ristisidostus lisäävät jäykkyyttä ja vähentävät liukoisuutta; ristisidokset voivat tehdä vakiomuotoisia verkkomateriaaleja (esim. elastomeerit, hartsit).
  • Päätyryhmät ja funktionaaliset sivuketjut vaikuttavat pintakemialliseen käyttäytymiseen, liukoisuuteen ja reaktiivisuuteen.
  • Viskoelastisuus: polymeerit käyttäytyvät ajan ja lämpötilan funktiona sekä elastisesti että viskoosisti; tätä mitataan reologiaan liittyvin menetelmin.

Luokittelu ja esimerkkejä

Erilaisia makromolekyylejä ovat:

Näiden esimerkkien lisäksi on runsaasti funktionaalisia kopolymeerejä, blokkikopolymeerejä, seossysteemejä ja komposiitteja, joilla pyritään yhdistämään eri materiaalien parhaat ominaisuudet.

Karakterisointi ja analyysimenetelmät

Kemistit tutkivat myös polymeerin lämpöominaisuuksia, kuten sen lasittumislämpötilaa ja sulamislämpötilaa. Lisäksi käytetään monia analyyttisiä menetelmiä:

  • GPC/SEC (kokoerotusgelikromatografia) moolimassajakauman määrittämiseen
  • NMR- ja FTIR-spektroskopia rakenteen ja funktionaalisten ryhmien tunnistamiseen
  • DSC ja TGA lämmönkesto- ja lämpöominaisuuksien mittaukseen
  • Röntgendiffraktio (XRD) kiteisyyden arviointiin
  • Valon sironta ja viskositeettimittaukset molekyylipainon ja rakenneominaisuuksien selvittämiseen
  • Rheologia ja mekaaniset kokeet mekaanisten ominaisuuksien kartoittamiseen

Liuoksessa olevilla polymeereillä on erityisiä ominaisuuksia liukoisuuden, viskositeetin ja geeliytymisen osalta; näitä mittaamalla saadaan tietoa ketjupituudesta, konformaatioista ja vuorovaikutuksista liuottimen kanssa.

Sovellukset

Polymeerikemian sovellukset ulottuvat lähes kaikille teollisuuden aloille:

  • Pakkausmateriaalit ja kuluttajamuovit (polyeteeni, PET, PVC)
  • Kuidut ja tekstiilit (nailon, polyesteri, viskoosi)
  • Rakennusmateriaalit ja eristys (polyuretaanit, epoksit, PVC)
  • Liimat, pinnoitteet ja maalit
  • Mekaaniset osat ja komposiitit (autoteollisuus, ilmailu)
  • Lääketiede: biohajoavat polymeerit, lääkkeiden kantajat, kudostekniikka (esim. polymeerihydrokkeelit)
  • Elektroniikka ja optiikka: johtavat ja eristävät polymeerit, OLED-, PV- ja anturiteknologiat

Kestävyys, kierrätys ja ympäristövaikutukset

Polymeerien laajamittainen käyttö tuo mukanaan ympäristöhaasteita: muovin kertymisen, mikromuovit ja biologisen hajoamisen ongelmat. Siksi polymeerikemiassa kehitetään myös ratkaisuja:

  • mekaaninen ja kemiallinen kierrätys sekä monimutkaisempien materiaalivirtojen sulkeminen kiertotalouden periaattein
  • biohajoavat ja biohankittavat polymeerit (esim. PLA, PHA)
  • suunnittelu kierrätettävyyttä silmällä pitäen (design for recycling)
  • degradaatio- ja toksisuustutkimukset sekä regulatiivinen kehitys

Tulevaisuuden suuntaukset

Tutkimus suuntautuu yhä enemmän monitoiminnallisiin ja älykkäisiin polymeereihin, kiertotalousratkaisuihin ja uusiin biopohjaisiin materiaaleihin. Lisäksi tavoitteena on parantaa materiaalien elinkaarta, valmistusprosessien energiatehokkuutta ja vähentää haitallisia ympäristövaikutuksia.

Yhteenvetona: polymeerikemia yhdistää synteesin, rakenteen ja ominaisuuksien tutkimuksen tavoitteenaan suunnitella materiaaleja erilaisiin käyttötarkoituksiin sekä kehittää kestävämpiä vaihtoehtoja nykyisille polymeerijärjestelmille.

Historia

Polymeerikemia alkoi tutkimalla kasvien pitkiä kuituja. Henri Braconnot'n työ vuonna 1777 ja Christian Schönbeinin työ vuonna 1846 johtivat nitroselluloosan löytämiseen. Kamferilla käsitellystä nitroselluloosasta saadaan selluloidia. Kemistit liuottavat selluloidia eetteriin tai asetoniin kollodiumin valmistamiseksi. Lääkärit ovat käyttäneet kollodiumia haavasidoksena Yhdysvaltain sisällissodasta lähtien. Selluloosa-asetaattia valmistettiin ensimmäisen kerran vuonna 1865. Vuonna 1834 Friedrich Ludersdorf ja Nathaniel Hayward havaitsivat toisistaan riippumatta, että rikin lisääminen raa'an luonnonkumin (polyisopreenin) joukkoon auttoi estämään materiaalin tahmaantumisen. Vuonna 1844 Charles Goodyear sai Yhdysvaltain patentin kumin vulkanointiin rikin ja lämmön avulla. Thomas Hancock oli saanut patentin samasta prosessista Yhdistyneessä kuningaskunnassa vuotta aiemmin.

Vuonna 1884 Hilaire de Chardonnet perusti ensimmäisen keinokuitutehtaan, joka perustui regeneroituun selluloosaan eli viskoosiin, joka oli silkin korvike, mutta se oli erittäin helposti syttyvää. Vuonna 1907 Leo Baekeland keksi ensimmäisen synteettisen polymeerin, lämpökovettuvan fenoliformaldehydihartsin nimeltä bakeliitti. Samoihin aikoihin Hermann Leuchs raportoi N-karboksyanhydridien synteesistä ja niiden korkean molekyylipainon tuotteista, jotka syntyvät reagoidessaan nukleofiilien kanssa. Leuchs ei kuitenkaan kutsunut niitä polymeereiksi, mikä johtui mahdollisesti hänen välittömän esimiehensä Emil Fischerin vahvoista näkemyksistä, jotka kielsivät minkä tahansa yli 6000 daltonin kovalenttisen molekyylin mahdollisuuden. Sellofaanin keksi vuonna 1908 Jocques Brandenberger, joka ruiskutti viskoosiviskoosilevyjä happokylpyyn.

Vuonna 1922 saksalainen kemisti Hermann Staudinger esitti, että polymeerit ovat pitkiä ketjuja, joissa atomit ovat kovalenttisten sidosten avulla kiinni toisissaan. Hän ehdotti myös näiden yhdisteiden nimeämistä "makromolekyyleiksi". Sitä ennen tutkijat uskoivat, että polymeerit olivat pienistä molekyyleistä koostuvia klustereita (kolloideja), joilla ei ollut tarkkaa molekyylipainoa ja joita tuntematon voima piti yhdessä. Staudinger sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1953.

Wallace Carothers keksi ensimmäisen synteettisen kumin nimeltä neopreeni vuonna 1931. Neopreeni oli ensimmäinen polyesteri. Carothers keksi vuonna 1935 nailonin, joka oli todellinen silkin korvike. Paul Flory sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1974 työstään, joka koski polymeerien satunnaisia käämikonfiguraatioita liuoksessa 1950-luvulla. Stephanie Kwolek kehitti aramidin eli aromaattisen nailonin nimeltä Kevlar, joka patentoitiin vuonna 1966.

Kaupallisia polymeerejä on nykyään suuri määrä. Niitä ovat esimerkiksi hiilikuituepoksi, polystyreenipolybutadieeni (HIPS) ja akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS). Kemistit suunnittelevat kaupallisia polymeerejä siten, että niissä yhdistyvät eri komponenttien parhaat ominaisuudet. Esimerkiksi autojen moottoreissa käytettävät erikoispolymeerit on suunniteltu toimimaan korkeissa lämpötiloissa.

Kesti kauan ennen kuin yliopistoissa otettiin käyttöön polymeerikemian opetus- ja tutkimusohjelmia. Saksan Freiburgiin perustettiin vuonna 1940 Hermann Staudingerin johdolla Institut fur Makromolekulare Chemie. Amerikassa Herman Mark perusti vuonna 1941 Brooklynin polyteknilliseen instituuttiin (nykyisin NYU:n polyteknillinen instituutti) "Polymer Research Institute" (PRI). PRI:stä valmistuneilla useilla sadoilla tutkinnon suorittaneilla oli tärkeä asema Yhdysvaltojen polymeeriteollisuudessa ja yliopistoissa. Muita PRI:itä perusti Richard S. Stein vuonna 1961 Massachusettsin yliopistoon Amherstiin, Eric Baer vuonna 1967 Case Western Reserve Universityyn ja Eric Baer vuonna 1988 Akronin yliopistoon.

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mitä on polymeerikemia?


V: Polymeerikemia (myös makromolekyylikemia) on polymeerien tai makromolekyylien kemiallisen synteesin ja kemiallisten ominaisuuksien tiede.

K: Mitkä ovat esimerkkejä elävien organismien tuottamista biopolymeereistä?


V: Esimerkkejä elävien organismien tuottamista biopolymeereistä ovat rakenneproteiinit, kuten kollageeni, keratiini ja elastiini; kemiallisesti funktionaaliset proteiinit, kuten entsyymit, hormonit ja kuljetusproteiinit; rakennepolysakkaridit, kuten selluloosa ja kitiini; varastopolysakkaridit, kuten tärkkelys ja glykogeeni; ja nukleiinihapot, kuten DNA ja RNA.

Kysymys: Mitkä ovat esimerkkejä synteettisistä polymeereistä, joita käytetään muoveissa?


V: Esimerkkejä synteettisistä polymeereistä, joita käytetään muoveissa, ovat termoplastiset muovit, kuten polyeteeni, teflon, polystyreeni, polypropeeni, polyesteri, polyuretaani, polymetyylimetakrylaatti, nailon, selluloidi, silikoni; lämpökovettuvat muovit, kuten vulkanoitu kumi, bakeliitti, kevlar, epoksi.

K: Miten polymeerimolekyylit muodostuvat?


V: Polymeerimolekyylit muodostuvat polymerisaatioprosessin avulla, jossa monomeerit yhdistyvät toisiinsa muodostaen suuremman molekyylin.

K: Miten kemistit kuvaavat polymeeriä?


A: Kemistit kuvaavat polymeeriä sen polymerisaatioasteen (ketjussa olevien monomeeriyksiköiden lukumäärä), moolimassan jakautumisen (kunkin monomeeriyksikön suhteellinen osuus kokonaismassasta) ja taktiikan (kuinka säännöllisesti tai epäsäännöllisesti monomeerit ovat järjestäytyneet ketjussa) perusteella, kopolymeerijakauma (kuinka suuri osuus koostuu eri tyyppeistä/monomeereista), haarautumisaste (kuinka monta haaraa pääketjussa on), pääte-ryhmät (tyyppi/-t molemmissa päissä), ristisidokset (kahden tai useamman ketjun väliset yhteydet) ja kiteisyys (kuinka järjestäytynyt se on).

Kysymys: Mitä lämpöominaisuuksia kemistit tutkivat tarkastellessaan polymeeriä?


V: Kemistit tutkivat polymeeriä tarkastellessaan sen lasittumislämpötilaa ja sulamislämpötilaa, jotka liittyvät sen lämpöominaisuuksiin.

K: Mitä erityisiä ominaisuuksia polymeerillä on liuoksessa?


V: Kun polymeeri on liuoksessa, sillä on erityisiä ominaisuuksia, jotka liittyvät liukoisuuteen, viskositeettiin ja geeliytymiseen.


Etsiä
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3