Polimerų chemija
Polimerų chemija (dar vadinama makromolekulių chemija) - tai mokslas apie polimerų arba makromolekulių cheminę sintezę ir chemines savybes. Pagal IUPAC rekomendacijas makromolekulės reiškia atskiras molekulines grandines ir yra chemijos sritis. Polimerai apibūdina polimerinių medžiagų tūrines savybes ir priklauso polimerų fizikos sričiai (fizikos dalis).
Skirtingų rūšių makromolekulės yra šios:
- Biopolimerai, kuriuos gamina gyvieji organizmai:
- struktūriniai baltymai: kolagenas, keratinas, elastinas ir kiti.
- chemiškai funkcionuojantys baltymai: fermentai, hormonai, transportiniai baltymai ir kiti.
- struktūriniai polisacharidai: celiuliozė, chitinas ir kiti.
- kaupiamieji polisacharidai: krakmolas, glikogenas ir kiti.
- nukleino rūgštys: DNR, RNR
- Sintetiniai polimerai, naudojami plastiko pluoštui, dažams, statybinėms medžiagoms, baldams, mechaninėms dalims, klijams gaminti:
- termoplastikus: polietileną, tefloną, polistireną, polipropileną, poliesterį, poliuretaną, polimetilmetakrilatą, polivinilchloridą, nailoną, rajoną, celiuloidą, silikoną ir kt.
- termoreaktyvūs plastikai: vulkanizuota guma, bakelitas, kevlaras, epoksidiniai ir kiti.
Polimerai susidaro polimerizuojant monomerus. Chemikai polimerą apibūdina pagal polimerizacijos laipsnį, molinės masės pasiskirstymą, taktiškumą, kopolimerų pasiskirstymą, šakotumo laipsnį, pagal galines grupes, skersines jungtis ir kristalingumą. Chemikai taip pat tiria polimero šilumines savybes, pavyzdžiui, jo stiklėjimo temperatūrą ir lydymosi temperatūrą. Polimerai tirpale pasižymi ypatingomis tirpumo, klampumo ir geliškumo savybėmis.
Istorija
Polimerų chemija prasidėjo nuo ilgų augalų pluoštų tyrinėjimo. 1777 m. Henri Braconnot ir 1846 m. Christian Schönbein atrado nitroceliuliozę. Iš nitroceliuliozės, apdorotos kamparu, gautas celiuloidas. Chemikai ištirpina celiuloidą eteryje arba acetone, kad gautų kolodioną. Nuo JAV pilietinio karo laikų gydytojai naudojo kolodioną kaip žaizdų tvarstį. Pirmą kartą celiuliozės acetatas buvo pagamintas 1865 m. 1834 m. Friedrichas Ludersdorfas ir Nathanielis Haywardas nepriklausomai vienas nuo kito atrado, kad į žalią natūralų kaučiuką (poliizopreną) pridėjus sieros, medžiaga netampa lipni. 1844 m. Charlesas Goodyearas gavo JAV patentą dėl kaučiuko vulkanizavimo naudojant sierą ir karštį. Thomas Hancockas metais anksčiau Jungtinėje Karalystėje buvo gavęs tokio paties proceso patentą.
1884 m. Hileras de Šardonė (Hilaire de Chardonnet) įkūrė pirmąjį dirbtinio pluošto fabriką, kurio pagrindą sudarė regeneruota celiuliozė, arba viskozės pluoštas, kaip šilko pakaitalas, tačiau jis buvo labai degus. 1907 m. Leo Baekelandas (Leo Baekeland) išrado pirmąjį sintetinį polimerą - termoreaktyvią fenolio-formaldehido dervą, vadinamą bakelitu. Maždaug tuo pačiu metu Hermannas Leuchsas pranešė apie N-karboksianhidridų ir jų didelės molekulinės masės produktų sintezę reaguojant su nukleofilais. Tačiau Leuchsas jų nevadino polimerais, galbūt dėl to, kad jo tiesioginis vadovas Emilis Fišeris (Emil Fischer) laikėsi griežtos nuomonės, neigdamas bet kokios kovalentinės molekulės, viršijančios 6000 daltonų, galimybę. Celofaną 1908 m. išrado Žokas Brandenbergeris (Jocques Brandenberger), kuris į rūgšties vonią įleido viskozės pluošto lakštus.
1922 m. vokiečių chemikas Hermanas Staudingeris pasiūlė, kad polimerai yra ilgos atomų grandinės, sujungtos kovalentiniais ryšiais. Jis taip pat pasiūlė šiuos junginius pavadinti "makromolekulėmis". Iki tol mokslininkai manė, kad polimerai yra mažų molekulių (vadinamų koloidais) klasteriai, neturintys apibrėžto molekulinio svorio, kuriuos tarpusavyje jungia nežinoma jėga. 1953 m. Staudingeris gavo Nobelio chemijos premiją.
1931 m. Wallace'as Carothersas išrado pirmąjį sintetinį kaučiuką, vadinamą neoprenu. Neoprenas buvo pirmasis poliesteris. Carothersas 1935 m. išrado nailoną - tikrą šilko pakaitalą. 1974 m. Polui Floriui (Paul Flory) buvo paskirta Nobelio chemijos premija už darbą, susijusį su polimerų atsitiktinių ričių konfigūracijomis tirpale, atliktą XX a. šeštajame dešimtmetyje. Stephanie Kwolek sukūrė aramidą, arba aromatinį nailoną, pavadintą "Kevlar", užpatentuotą 1966 m.
Šiuo metu yra daug komercinių polimerų. Tai kompozicinės medžiagos, pavyzdžiui, anglies pluošto epoksidinė medžiaga, polistirenas-polibutadienas (HIPS), akrilnitrilas-butadieno-stirolas (ABS). Chemikai kuria komercinius polimerus taip, kad juose būtų suderintos geriausios įvairių komponentų savybės. Pavyzdžiui, specialūs polimerai, naudojami automobilių varikliuose, sukurti taip, kad veiktų aukštoje temperatūroje.
Praėjo daug laiko, kol universitetuose buvo pradėtos dėstyti polimerų chemijos mokymo ir mokslinių tyrimų programos. 1940 m. Freiburge (Vokietija) buvo įkurtas "Institut fur Makromolekulare Chemie", kuriam vadovavo Hermannas Staudingeris. Amerikoje 1941 m. Bruklino politechnikos institute (dabar - Niujorko universiteto politechnikos institutas) Hermanas Markas įsteigė "Polimerų tyrimų institutą" (PRI). Keli šimtai PRI absolventų atliko svarbų vaidmenį JAV polimerų pramonėje ir akademinėje bendruomenėje. Kitus PRI 1961 m. įkūrė Ričardas S. Šteinas (Richard S. Stein) Masačusetso universitete Amherste, 1967 m. Erikas Baeris (Eric Baer) Case Western Reserve universitete ir 1988 m. Akrono universitete.
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra polimerų chemija?
A: Polimerų chemija (dar vadinama makromolekulių chemija) - tai mokslas apie polimerų arba makromolekulių cheminę sintezę ir chemines savybes.
K: Kokie yra kai kurie gyvųjų organizmų gaminamų biopolimerų pavyzdžiai?
Atsakymas: Gyvųjų organizmų gaminamų biopolimerų pavyzdžiai yra struktūriniai baltymai, tokie kaip kolagenas, keratinas, elastinas; chemiškai funkciniai baltymai, tokie kaip fermentai, hormonai, transportiniai baltymai; struktūriniai polisacharidai, tokie kaip celiuliozė ir chitinas; kaupiamieji polisacharidai, tokie kaip krakmolas ir glikogenas; nukleino rūgštys, tokios kaip DNR ir RNR.
K: Kokie yra keli sintetinių polimerų, naudojamų plastikams gaminti, pavyzdžiai?
A: Plastikams naudojamų sintetinių polimerų pavyzdžiai: termoplastai, tokie kaip polietilenas, teflonas, polistirenas, polipropilenas, poliesteris, poliuretanas, polimetilmetakrilatas, nailonas, celiuliozė, celiuliozė, silikonas; termoreaktyvūs plastikai, tokie kaip vulkanizuota guma, bakelitas, kevlaras, epoksidas.
K: Kaip susidaro polimerų molekulės?
A: Polimerų molekulės susidaro vykstant polimerizacijos procesui, kurio metu monomerai sujungiami į didesnę molekulę.
K: Kaip chemikai apibūdina polimerą?
A: Chemikai polimerą apibūdina pagal polimerizacijos laipsnį (monomerų vienetų skaičių grandinėje), molinės masės pasiskirstymą (santykinį kiekvienos rūšies monomerų vienetų kiekį bendroje masėje), taktiškumą (kaip taisyklingai ar netaisyklingai išilgai grandinės išsidėstę monomerai), kopolimerų pasiskirstymas (kokią procentinę dalį sudaro skirtingų tipų ir (arba) monomerai), išsišakojimo laipsnis (kiek šakų yra pagrindinėje grandinėje), galinės grupės (tipas (-ai) abiejuose galuose), kryžminiai ryšiai (jungtys tarp dviejų ar daugiau grandinių) ir kristališkumas (kokia yra tvarka).
Klausimas: Kokias termines savybes chemikai tiria nagrinėdami polimerą?
A: Nagrinėdami polimerą chemikai tiria jo stiklėjimo temperatūrą ir lydymosi temperatūrą, kurios yra susijusios su jo šiluminėmis savybėmis.
K: Kokiomis ypatingomis savybėmis pasižymi polimeras, kai jis yra tirpale?
Atsakymas: Tirpdamas polimeras pasižymi ypatingomis savybėmis, susijusiomis su tirpumu, klampumu ir gelizacija.
