Polimeras: apibrėžimas, struktūra, tipai ir pavyzdžiai

Polimeras - tai molekulė, sudaryta sujungus daug mažų molekulių, vadinamų monomerais. Žodį "polimeras" galima išskaidyti į "poly" (graikiškai reiškia "daug") ir "mer" (reiškia "vienetas"). Tai rodo, kad polimero cheminę sudėtį sudaro daug mažesnių vienetų (monomerų), sujungtų į didesnę molekulę. Cheminė reakcija, kurios metu monomerai susijungia į polimerą, vadinama polimerizacija. Polimerai gali turėti labai didelį molekulinį svorį (miliardinės ar daugiau vienetų), o monomerų skaičius vienoje polimero grandinėje vadinamas polimerizacijos laipsniu.

Natūralūs ir sintetinių polimerai

Kai kurie polimerai yra natūralūs, juos gamina organizmai. Baltymai turi polipeptidų molekules, kurios yra natūralūs polimerai, sudaryti iš įvairių aminorūgščių monomerų. Nukleorūgštys yra didžiuliai gamtiniai polimerai, sudaryti iš milijonų nukleotidų vienetų. Celiuliozė ir krakmolas (dvi angliavandenių rūšys) taip pat yra natūralūs polimerai, sudaryti iš įvairiais būdais sujungtų gliukopiranozės monomerų. Guma yra polimerų mišinys. Plastmasės yra žmogaus sukurti polimerai. Daugelis pluoštų yra pagaminti iš polimerų.

Struktūra ir grandinių architektūra

Daugelis polimerų molekulių yra tarsi grandinės, kurių grandys yra monomerų vienetai. Polimerų molekulės gali būti:

• tiesios (linijinės) grandinės — paprastesnė struktūra, kuri dažnai gali kristalizuotis;
• šakotos grandinės — turi išsišakojimus nuo pagrindinės grandinės, kas paneigia tankią kristalizaciją ir keičia klampumą;
• susietos (tinklinės) struktūros — grandinės suspaustos tarpusavyje cheminiais tiltelių jungimais, sudaro trimačius tinklus (pvz., termosetai);
• kompleksinės architektūros — blokinės, žiedinės, žvaigždinės ir kt.

Tinklinio jungimo pavyzdys - polipeptidinių grandinių dviejose cisteino aminorūgščių grandyse esančios sulfhidrilo (-S-H) grupės gali susijungti ir sudaryti disulfidinį tiltelį (-S-S-), sujungiantį grandines. Tokie tilteliai stiprina baltymų struktūrą ir stabilumą.

Homopolimerai ir kopolimerai

Jei visi polimero "vienetai", vadinami monomerais, yra vienodi, polimeras vadinamas homopolimeru. Homopolimerai pavadinami prieš monomero, iš kurio polimeras sudarytas, pavadinimą pridedant priešdėlį poly-. Pavyzdžiui, polimeras, pagamintas sujungus stireno monomero molekules, vadinamas polistirenu.

Jei visi monomerai nėra vienodi, polimeras vadinamas kopolimeru arba heteropolimeru. Kopolimerai gali būti:

• atsitiktiniai (random) — monomerų vienetai išsidėsto atsitiktine seka;
• blokiniai — dideli vienodo tipo monomerų blokai grandinėje;
• pakitiminiai (alternating) — monomerai keičiasi reguliariai;
• šakotiniai (graft) — vieno tipo grandinė turi šakutes iš kito tipo monomerų.

Polimerizacijos būdai

Polimerizacija apima kelis pagrindinius mechanizmus. Plačiausiai sutinkami:

• adicijos (grandininė) polimerizacija — monomerai su dvinariais ryšiais (pvz., etilenas, styrenas) atidaromi ir prisijungia vienas prie kito be šalutinių produktų;
• kondensacijos polimerizacija — monomerai susijungia šalindami mažą molekulę (dažnai H2O arba HCl), pavyzdžiui, poliesterių ir poliamidų (nylon) sintezė;
• vivariniai ir radikaliniai mechanizmai — įvairūs iniciatoriai (radikalai, katjonai, anjonai, katalizatoriai) pradeda grandinę ir kontroliuoja polimerizacijos eigą.

Fizikinės savybės

Polimerų savybės labai priklauso nuo sudėties ir struktūros. Svarbiausi parametrai:

• molekulinė masė ir jos pasiskirstymas (Mn, Mw) — lemia mechanines savybes ir tirpumą;
• taktika (izotaktinis, syndiotaktinis, ataktinis) — stereocheminė grandinės sąranga veikia kristalizaciją;
• kristaliniškumas — dalis medžiagos kristalizuota; didesnis kristaliniškumas paprastai didina standumą ir lydimosi temperatūrą;
• stiklo perėjimo temperatūra (Tg) — temperatūra, kurioje amorfinė dalis pereina iš traškios būsenos į gumą;
• lydymosi temperatūra (Tm) — kristalinių regionų tirpimas;
• elastomerai — medžiagos, turinčios didelį atstatomąjį elastingumą (pvz., natūrali guma);
• termosetai — kietėja negrįžtamai dėl kryžminimo (pvz., epoksidai);
• termo plastikai — minkštėja šildant ir gali būti perdirbami (pvz., polietilenas, polipropilenas).

Praktiniai pavyzdžiai

Keletas gerai žinomų polimerų ir jų panaudojimo sričių:

• Polietilenas (PE) — pakuotės, plėvelės, vamzdžiai;
• Polipropilenas (PP) — automobilių dalys, tekstilė, indai;
• PVC (polivinilchloridas) — vamzdžiai, langų profiliai, izoliacija;
• Polistirenas (PS) — izoliacija, vienkartiniai indai;
• Politetrafluoretilenas (PTFE) — atsparios cheminėms medžiagoms dangos (Teflonas);
• Polietileno tereftalatas (PET) — buteliai, pluoštai (drabužiams);
• Nylon (poliamidai) — tekstilė, inžinerinės dalys;
• Baltymai, DNS — biologinės sistemų polimerai su specifinėmis funkcijomis;
• Guma — elastomerai naudojami padangose, sandarikliuose.

Apdorojimas ir gamyba

Polimerai apdorojami įvairiais būdais: ekstruziją, injekcinį liejimą, miltelinį presavimą, spinningą (pluoštams). Medžiagos pasirinkimas priklauso nuo reikiamų mechaninių, terminių ir cheminės atsparumo savybių.

Charakterizavimo metodai

Polimerų cheminė sudėtis ir savybės nustatomos taikant įvairius metodus: GPC (gelio filtracijos chromatografija) molekulinės masės pasiskirstymui, NMR ir FTIR struktūrai, DSC ir TGA terminėms savybėms, mechaniniai bandymai (tempties, kietumo) – mechaninėms savybėms. Šie metodai padeda suprasti, kaip polimero struktūra lemia jo elgesį praktikoje.

Santrauka

Polimerai yra itin įvairi medžiagų klasė: nuo natūralių biopolimerų (baltymų, nukleorūgščių, celiuliozės) iki plačiai naudojamų sintetinių plastikų ir elastomerų. Jų savybės labai priklauso nuo monomerų sudėties, grandinės architektūros, molekulinės masės ir tarpusavio jungčių (pvz., kryžminimo). Dėl šių savybių polimerai atlieka svarbų vaidmenį pramonėje, medicinoje, technologijose ir kasdieniniame gyvenime.