Polymeeri: määritelmä, tyypit ja esimerkit (muovit, proteiinit)

Polymeeri on molekyyli, joka muodostuu monien pienten molekyylien eli monomeerien yhdistämisestä. Sana "polymeeri" voidaan jakaa sanoihin "poly" (kreikaksi "monia") ja "mer" ("yksikkö"). Tämä kertoo, että polymeerin kemiallinen koostumus muodostuu monista pienemmistä yksiköistä (monomeereistä), jotka on liitetty yhteen suuremmaksi molekyyliksi. Kemiallinen reaktio, jossa monomeerit yhdistyvät polymeeriksi, on nimeltään polymerisaatio.

Jotkin polymeerit ovat luonnollisia ja eliöiden valmistamia. Proteiinit ovat polypeptidimolekyylejä, jotka ovat luonnollisia polymeerejä valmistettuina erilaisista aminohappomonomeeriyksiköistä. Nukleiinihapot ovat valtavia luonnollisia polymeerejä, jotka koostuvat miljoonista nukleotidiyksiköistä. Selluloosa ja tärkkelys (hiilihydraattityyppiä) ovat myös luonnollisia polymeerejä, jotka koostuvat eri tavoin toisiinsa sitoutuneista glukopyranoosimonomeereistä. Kumi on polymeerien seos. Muovit ovat ihmisen valmistamia polymeerejä. Monet kuidut on valmistettu polymeereistä.

Jos polymeerin monomeereiksi kutsutut "yksiköt" ovat kaikki samoja, polymeeriä kutsutaan homopolymeeriksi. Homopolymeerit nimetään lisäämällä etuliite poly- sen monomeerin nimen eteen, josta polymeeri on valmistettu. Esimerkiksi polymeeri, joka on valmistettu liittämällä styreenimonomeerimolekyylejä yhteen, kutsutaan polystyreeniksi.

Jos kaikki monomeerit eivät ole samoja, polymeeriä kutsutaan kopolymeeriksi tai heteropolymeeriksi. Kopolymeerejä voi olla eri tyyppejä, esimerkiksi satunnaisia, blokki- tai gradi-kopolymeerejä sekä kaupan yleisiä esimerkkejä kuten ABS (akrylonitriili-butadieeni-styreeni) tai SBR (styreeni-butadieeni-kumi).

Polymeeriketjun rakenne ja sen vaikutus ominaisuuksiin

Monet polymeerimolekyylit ovat kuin ketjuja, joissa monomeeriyksiköt ovat linkkejä. Polymeeriketjut voivat olla:

suoraketjuisia (lineaarisia),
haarautuneita pääketjusta,
tai ketjujen välisiä ristisilloitettuja verkostoja.

Esimerkiksi ristisilloittumisessa polypeptidiketjujen kahden kysteiini-aminohapon sulfhydryyliryhmät (-S-H) voivat sitoutua ja muodostaa disulfidisillan (-S-S-), joka yhdistää ketjut toisiinsa. Ristisilloittuminen tekee materiaalista usein jäykempää ja vähemmän sulavaa.

Sellaiset rakenteelliset tekijät kuin ketjun pituus (polymereissä puhutaan usein asteketju eli degree of polymerization), haarautumisaste, ristisilloitukset sekä stereokemia (esim. isotaktinen vs. ataktinen) vaikuttavat merkittävästi polymeerin mekaanisiin ja lämpöominaisuuksiin sekä liukoisuuteen ja kiteisyyteen.

Polymerisaation tyypit ja esimerkit

Yleisimpiä polymerisaation mekanismeja ovat:

Additiopolymerisaatio (esim. vapaaradikaalipolymerisaatio) — monomeerit liittyvät yhteen ilman pienten molekyylien poistumista. Tyypillisiä tuotteita ovat polyeteeni (PE), polypropeeni (PP) ja polystyreeni (PS).
Kondensaatiopolymerisaatio — monomeerit liittyvät yhteen samalla, kun pieni molekyyli (esim. vesi) irtoaa; tästä syntyy esimerkiksi polyesterit (PET) ja polyamidit (nylon).

Muovit: termoplastit vs. termosetit ja elastomeerit

Termoplastit pehmenevät ja voidaan muovata uudelleen lämmittämällä, koska niiden ketjut eivät ole voimakkaasti ristisilloittuneet. Esimerkkejä: polyeteeni (LDPE, HDPE), polypropeeni (PP), polystyreeni (PS), polyvinyylikloridi (PVC) ja polyeteenitereftalaatti (PET).

Termosetit ovat voimakkaasti ristisilloittuneita verkostoja; niiden muokkaus lämmöllä johtaa usein lopulliseen hajoamiseen, eivätkä ne pehmene uudelleen. Esimerkkejä: epoksihartsit, fenolihartsit (bakeliitti).

Elastomeerit ovat joustavia polymeerejä, jotka voivat venyä paljon ja palata alkuperäiseen muotoonsa, esimerkkinä luonnonkumi ja monet synteettiset kumit (esim. SBR, EPDM).

Luonnolliset ja synteettiset polymeerit — esimerkkejä

Luonnolliset: Proteiinit, nukleiinihapot, selluloosa, tärkkelys, luonnonkumi (kumi).
Synteettiset: polyeteeni, polypropeeni, polystyreeni, polyvinyylikloridi (PVC), polyeteenitereftalaatti (PET), polyamidi (nylon), polyesterit, ABS, SBR.

Polymeerien fysikaaliset ominaisuudet ja niihin vaikuttavat tekijät

Polymeerin käyttäytymiseen vaikuttavat muun muassa:

Molekyylipaino ja sen jakautuma (tyypillisesti kuvataan keskimääräisillä arvoilla kuten numero-keskiarvo M ja paino-keskiarvo M sekä dispersiteetti Đ = M/M).
Kiteisyys — osittain kiteiset polymeerit ovat usein kovempia ja niillä on selkeä sulamispiste (T).
Lasisiirtymälämpötila (Tg) — lämpötila, jossa amorfisessa polymeerissä tapahtuu lasimainen jäykästä kumimaiseksi muodonmuutoksesta.
Haarautuminen ja ristisilloitukset — vaikuttavat viskositeettiin, sulavuuteen ja mekaaniseen lujuuteen.

Ympäristö, kierrätys ja biologinen hajoavuus

Monet keinotekoiset polymeerit saattavat säilyä ympäristössä pitkään. Kierrätystä tehdään mekaanisesti (jauhaminen ja uudelleenmuovaus), kemiallisesti (polymeerien depolymerisaatio tai monomeerien talteenotto) ja energiana (poltto hallitusti). Biologinen hajoavuus vaihtelee; esimerkiksi luonnolliset polymeerit (selluloosa, proteiinit) ovat yleensä biohajoavia, kun taas monet öljypohjaiset muovit eivät ole helposti biohajoavia ellei niitä ole suunniteltu niin (biopohjaiset tai additivi-in muovaukset).

Polymeerien karakterisointi ja tutkimus

Polymeerejä tutkitaan useilla menetelmillä: gelikromatografia (GPC/SEC) molekyylipainojakauman löytämiseksi, nesta- ja kiinteätilan spektroskopiat (FTIR, NMR) rakenteen määrittämiseksi, diffraktio (XRD) kiteisyyden tutkimiseen sekä mekaaniset testit (vetokoe, iskusitkeys) ja lämpöanalyysit (DSC, TGA) lämmötiläisten ominaisuuksien selvittämiseen.

Käyttökohteet

Polymeerejä käytetään laajasti arjessa ja teollisuudessa: pakkausmateriaalit, rakennusmateriaalit (putket, eristeet), tekstiilit, lääketieteelliset välineet (implantit, lääkekapselit), elektroniikka, auton osat ja paljon muuta. Valinta perustuu usein mekaanisiin vaatimuksiin, kemialliseen kestävyteen, hintaan ja kierrätettävyyteen.

Yhteenvetona: polymeeri on suuri molekyyli, joka muodostuu toistuvista yksiköistä. Polymeerien monimuotoisuus (luonnolliset ja synteettiset, lineaariset ja ristit), niiden valmistustavat ja rakenne määräävät materiaalin ominaisuudet ja sovellusmahdollisuudet — yhtä lailla myös ympäristövaikutukset ja kierrätettävyyden potentiaalin.

Polymeereistä polyeteenistä ja polypropeenista valmistetut esineet.

Disulfidisilta

Monet styreenimolekyylit liittyvät yhteen polystyreenimolekyyliksi. Polymeerin molemmissa päissä olevat vinoviivat tarkoittavat, että kuvassa on vain lyhyt osa pitkästä molekyylistä.

Aiheeseen liittyvät sivut

Makromolekyyli

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on polymeeri?

V: Polymeeri on molekyyli, joka on muodostettu liittämällä yhteen monia pieniä molekyylejä, joita kutsutaan monomeereiksi.

K: Mitä sana "polymeeri" tarkoittaa?

V: Sana "polymeeri" voidaan jakaa sanoihin "poly" (joka tarkoittaa kreikaksi "monia") ja "mer" (joka tarkoittaa "yksikköä"), mikä osoittaa, että polymeerin kemiallinen koostumus koostuu monista pienemmistä yksiköistä (monomeereistä), jotka on liitetty yhteen suuremmaksi molekyyliksi.

K: Miten polymeerit muodostuvat?

V: Polymeerit muodostuvat kemiallisessa reaktiossa, jota kutsutaan polymerisaatioksi ja jossa monomeerit yhdistyvät toisiinsa polymeeriksi.

K: Onko olemassa luonnollisia polymeerejä?

V: Kyllä, jotkut polymeerit ovat luonnollisia ja eliöiden valmistamia. Proteiineissa on polypeptidimolekyylejä, jotka ovat luonnollisia polymeerejä, jotka on valmistettu erilaisista aminohappomonomeeriyksiköistä. Nukleiinihapot ovat valtavia luonnollisia polymeerejä, jotka koostuvat miljoonista nukleotidiyksiköistä. Selluloosa ja tärkkelys (kaksi hiilihydraattityyppiä) ovat myös luonnollisia polymeerejä, jotka koostuvat eri tavoin toisiinsa sitoutuneista glukopyranoosimonomeereistä. Kumi on myös polymeerien seos.

Kysymys: Onko olemassa ihmisen valmistamia polymeerejä?

V: Kyllä, muovit ovat ihmisen valmistamia polymeerejä, joita voidaan käyttää erilaisiin tarkoituksiin, kuten kuitujen tai esineiden, kuten muovipussien tai -pullojen, valmistukseen.

K: Mitä eroa on homopolymeerin ja kopolymeerin välillä?

V: Jos polymeerin monomeereiksi kutsutut "yksiköt" ovat kaikki samoja, sitä kutsutaan homopolymeeriksi; jos ne eroavat toisistaan, sitä kutsutaan joko kopolymeeriksi tai heteropolymeeriksi. Homopolymeerit voidaan nimetä lisäämällä etuliite "poly" monomeeriyksikön nimen eteen. Esim. jos styreenimolekyylit sitoutuvat toisiinsa, muodostuu polystyreenihomopolymeeri.

Kysymys: Miten suuret hiilivetymolekyylit muuttuvat pienemmiksi?

V: Raakaöljyn suuret hiilivetymolekyylit voidaan pilkkoa pienemmiksi molekyyleiksi, esim. eteeniksi, käyttämällä lämpöä - tätä prosessia kutsutaan krakkaukseksi - jonka jälkeen eteeni voidaan edelleen muuttaa toisenlaiseksi polymeeriksi nimeltä polyeteeni käyttämällä painetta ja lisäämällä katalyyttejä.