Polimerų chemija – makromolekulių sintezė, savybės ir taikymai

Polimerų chemija: makromolekulių sintezė, savybės ir taikymai — sužinokite apie biopolimerus, sintetinius plastikų tipus, jų fizikines ir chemines ypatybes bei pritaikymą industrijoje.

Polimerų chemija (dar vadinama makromolekulių chemija) tiria mokslas apie polimerų arba makromolekulių cheminę sintezę, jų struktūrą, fizikines ir chemines savybes bei praktinius taikymus. Pagal IUPAC rekomendacijas, makromolekulės – tai ilgos, pasikartojančių vienetų grandinės, kurios nagrinėjamos tiek chemijos, tiek fizikos perspektyvos. Polimerų chemija glaudžiai susijusi su medžiagų mokslais, biologija ir inžinerija, nes polimerai sudaro didžiąją dalį šiuolaikinių medžiagų panaudojimo objektų.

Makromolekulių tipai

Skirtingų rūšių makromolekulės skirstomos į dvi dideles grupes: natūralūs (biopolimerai) ir sintetiniai polimerai. Svarbiausi pavyzdžiai:

• Biopolimerai, kuriuos gamina gyvieji organizmai:
  • struktūriniai baltymai: kolagenas, keratinas, elastinas ir kiti;
  • chemiškai funkcionuojantys baltymai: fermentai, hormonai, transportiniai baltymai ir kt.;
  • struktūriniai polisacharidai: celiuliozė, chitinas ir kiti;
  • kaupiamieji polisacharidai: krakmolas, glikogenas ir kt.;
  • nukleino rūgštys: DNR, RNR.
• Sintetiniai polimerai, naudojami pramonėje:

  Šiuos polimerus plačiai taiko plastiko pluoštui, dažams, statybinėms medžiagoms, baldams, mechaninėms dalims, klijams ir kt.

  • termoplastikus: polietileną, tefloną, polistireną, polipropileną, poliesterį, poliuretaną, polimetilmetakrilatą, polivinilchloridą, nailoną, rajoną, celiuloidą, silikoną ir kt.;
  • termoreaktyvūs plastikai (daugiausiai sukietėja nekaitinami): vulkanizuota guma, bakelitas, kevlaras, epoksidiniai derva ir kt.

Polimerizacijos būdai

Polimerai susidaro polimerizuojant monomerus. Dažniausi polimerizacijos mechanizmai yra:

• Pridėjimo (radikalinė, joninė, koordinacinė) polimerizacija — monomerai su dvigubomis jungtimis prijunginami vienas prie kito be šalutinių produktų;
• Kondensacinė polimerizacija — grandinėjant susidaro šalutiniai produktai (pvz., vanduo), tipinė poliamidų ir poliestersintėzė;
• Žiedinė atidarymo polimerizacija — atviri žiedai formuoja grandines (pvz., kai kurių plastifikatorių ir elastomerų sintezė);
• Kontroliuotos/žingsninės metodikos (RAFT, ATRP, anijininės metodikos) leidžia tiksliai valdyti molinę masę, dispersiją ir galutines grandinės funkcines grupes.

Struktūriniai ir fizikiniai parametrai

Chemikai apibūdina polimerą pagal kelis pagrindinius parametrus:

• Polimerizacijos laipsnis ir vidutinė molinė masė (Mn, Mw) bei molinės masės pasiskirstymas (dispersija);
• Taktiškumas (ordinacija stereochemijoje) — lemia mechanines ir optines savybes;
• Kopolimerų pasiskirstymas — atsitiktinis, blokinis ar darinys, įtakoja savybes;
• Šakotumas ir skersinės jungtys — šakotumas mažina kristalizaciją, o skersinės jungtys (crosslinking) didina tvirtumą ir termostabilumą;
• Galinės grupės — lemia polimero reakcines galimybes ir priedų sukibimą;
• Kristalingumas — amorfiniai ir dalinai kristaliniai polimerai turi skirtingą tvirtumą, skaidrumą ir cheminį atsparumą.

Šiluminės ir tirpumo savybės

Chemikai tiria polimero šilumines savybes, pavyzdžiui, jo stiklėjimo temperatūrą (Tg) ir lydymosi temperatūrą (Tm). Šios temperatūros lemia polimero panaudojimo intervalus ir apdorojimo sąlygas (liejimas, ekstrudavimas, formavimas). Polimerai tirpale pasižymi ypatingomis tirpumo, klampumo ir geliškumo savybėmis — šios savybės svarbios formulėms, dangoms, klijams ir biomedicinos taikymams.

Taikymai

Polimerai naudojami beveik visose pramonės šakose:

• pakuotėse ir kasdienėse vartojimo priemonėse (polietilenas, polipropilenas, PET);
• tekstilėje (nailonas, poliesteriai, akrilo pluoštai);
• statyboje ir automobilyje (PVC, poliuretanai, kompozitai);
• elektronikoje ir optikoje (laidūs polimerai, polimeriniai šviesos diodai);
• medicinoje (biokompatibilūs polimerai, stimuliuojamos išsiskyrimo sistemos, chirurginės siūlės);
• specializuotuose sluoksniuose ir dangose (antikorozinės dervos, hidrofobinės dangos).

Charakterizavimo metodai

Polimerų savybėms nustatyti dažniausiai taikomi instrumentiniai metodai:

• GPC/SEC (gelio porų chromatografija) — molinės masės ir pasiskirstymo nustatymui;
• NMR — cheminės struktūros ir taktiškumo analizei;
• DSC ir TGA — terminių savybių (Tg, Tm, terminė stabilumas) tyrimui;
• FTIR ir Raman — funkcinių grupių identifikavimui;
• ME (SEM/TEM), XRD — morfologijos ir kristalinių sričių tyrimui;
• Rheometrija — klampumo ir srauto savybių nustatymui.

Aplinkosauga ir tvarumas

Didėjant susirūpinimui dėl atliekų ir mikroplastiko, polimerų chemija aktyviai siekia sprendimų: biologinio pagrindo ir biologiškai skaidžių polimerų kūrimas, mechaninis ir cheminis perdirbimas, depolimerizacija į monomerus bei mažesnio poveikio aplinkai polimerizacijos procesų diegimas. Tvarių alternatyvų plėtra ir gyvavimo ciklo vertinimas (LCA) tampa esminiais polimerų mokslo ir pramonės prioritetais.

Santrauka: polimerų chemija apima platų temų spektrą — nuo monomerų sintezės ir polimerizacijos mechanizmų iki molekulinės struktūros, fizikinių savybių ir praktinių pritaikymų. Supratimas apie struktūrą–savybės ryšį leidžia kurti pažangesnes, tvaresnes ir funkcionalesnes medžiagas ateities poreikiams tenkinti.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra polimerų chemija?

K: Kokie yra kai kurie gyvųjų organizmų gaminamų biopolimerų pavyzdžiai?

K: Kokie yra keli sintetinių polimerų, naudojamų plastikams gaminti, pavyzdžiai?

K: Kaip susidaro polimerų molekulės?

K: Kaip chemikai apibūdina polimerą?

Klausimas: Kokias termines savybes chemikai tiria nagrinėdami polimerą?

K: Kokiomis ypatingomis savybėmis pasižymi polimeras, kai jis yra tirpale?

Paieška pagal raidę