Trudno sobie wyobrazić dzisiejsze życie bez polimerów - złożonych substancji syntetycznych, które są szeroko stosowane w różnych dziedzinach działalności człowieka. Polimery są wysokocząsteczkowymi związkami pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, składającymi się z monomerów połączonych wiązaniami chemicznymi. Monomer to powtarzające się ogniwo łańcucha, które zawiera cząsteczkę rodzicielską.
Organiczne związki wielkocząsteczkowe
Ze względu na swoje unikalne właściwości związki wielkocząsteczkowe z powodzeniem zastępują takie naturalne materiały, jak drewno, metal, kamień w różnych sferach życia, podbijając nowe obszary zastosowań. Aby usystematyzować tak dużą grupę substancji, przyjęto klasyfikację polimerów według różnych kryteriów. Należą do nich skład, metoda produkcji, konfiguracja przestrzenna i tak dalej.
Klasyfikacja polimerów według składu chemicznego dzieli je na trzy grupy:
- Organiczne substancje makrocząsteczkowe.
- Związki organoelementowe.
- Nieorganiczne związki wielkocząsteczkowe.
Największą grupę reprezentują wkładki organiczne - żywice, gumy, oleje roślinne, czyli produkty pochodzenia zwierzęcego i roślinnego. Makrocząsteczki tych substancji w głównym łańcuchu wraz z atomami węgla zawierają atomy tlenu, azotu i innych pierwiastków.
Ich właściwości:
- mają zdolność do odwracania deformacji, to znaczy elastyczności przy niskich obciążeniach;
- w małym stężeniu może tworzyć lepkie roztwory;
- zmienić właściwości fizyczne i mechaniczne pod wpływem minimalnej ilości odczynnika;
- przy działaniu mechanicznym możliwa jest orientacja kierunkowa ich makrocząsteczek.
Związki organoelementowe
Wkładki wewnątrzmaciczne, których makrocząsteczki obejmują, oprócz atomów pierwiastków nieorganicznych - krzemu, tytanu, glinu - i organicznych rodników węglowodorowych, są tworzone sztucznie, aw naturze nie są. Klasyfikacja polimerów dzieli je z kolei na trzy grupy.
- Pierwsza grupa to substancje, w których główny łańcuch składa się z atomów niektórych pierwiastków otoczonych rodnikami organicznymi.
- Druga grupa obejmuje substancje z głównym łańcuchem zawierające przemienne atomy węgla i pierwiastki takie jak siarka, azot i inne.
- Trzecia grupa obejmuje substancje z organicznymi kręgosłupami otoczonymi różnymi grupami organoelementowymi.
Przykładem są związki krzemoorganiczne, w szczególności silikon, który ma wysoką odporność na zużycie.
Nieorganiczne związki wielkocząsteczkowe w głównym łańcuchu zawierają tlenki krzemu i metali - magnez, glin lub wapń. Nie mają bocznych organicznych grup atomowych. Wiązania w głównych łańcuchach są kowalencyjne i jonowalencyjne, co decyduje o ich wysokiej wytrzymałości i odporności na ciepło. Należą do nich azbest, ceramika, szkło krzemianowe, kwarc.
Carbochain i heterochain Navy
Klasyfikacja polimerów według składu chemicznego głównego łańcucha polimeru obejmuje podział tych substancji na dwie duże grupy.
- Karbochain, w którym główny łańcuch makrocząsteczki wkładki składa się wyłącznie z atomów węgla.
- Hetero-łańcuch, w którym inne atomy znajdują się w głównym łańcuchu wraz z atomami węgla, nadając tej substancji dodatkowe właściwości.
Każda z tych dużych grup składa się z następujących podgrup, które różnią się budową łańcucha, liczbą podstawników, ich składem i liczbą bocznych rozgałęzień:
- związki z nasyconymi wiązaniami w łańcuchach, na przykład polietylen lub polipropylen;
- polimery z nienasyconymi wiązaniami w głównym łańcuchu, na przykład polibutadien;
- podstawione halogenem związki wielkocząsteczkowe - teflon;
- polimeryczne alkohole, których przykładem jest alkohol poliwinylowy;
- IUD na bazie pochodnych alkoholi, przykładem jest polioctan winylu;
- związki pochodzące od aldehydów i ketonów, takie jak poliakroleina;
- polimery pochodzące od kwasów karboksylowych, których reprezentatywny jest kwas poliakrylowy;
- substancje pochodzące z nitryli (PAN);
- substancje makrocząsteczkowe pochodzące z węglowodorów aromatycznych, na przykład polistyren.
Podział ze względu na heteroatom
Klasyfikacja polimerów może również zależeć od natury heteroatomów; obejmuje kilka grup:
- z atomami tlenu w głównym łańcuchu - proste i złożone poliestry i nadtlenki;
- związki o zawartości w głównym łańcuchu atomów azotu - poliaminy i poliamidy;
- substancje z atomami tlenu i azotu w głównym łańcuchu, na przykład poliuretany;
- IUD z atomami siarki w głównym łańcuchu - politioestry i politetrasiarczki;
- związki, w których atomy fosforu są obecne w głównym łańcuchu.
Naturalne polimery
Obecnie klasyfikacja polimerów według pochodzenia, według natury chemicznej, która dzieli je w następujący sposób:
- Naturalnie nazywane są również biopolimerami.
- Sztuczne substancje o wysokiej masie cząsteczkowej.
- Związki syntetyczne.
Naturalna marynarka wojenna jest podstawą życia na Ziemi. Najważniejsze z nich to białka - „cegły” żywych organizmów, których monomerami są aminokwasy. Białka biorą udział we wszystkich reakcjach biochemicznych organizmu, bez nich układ odpornościowy nie może działać, procesy krzepnięcia krwi, tworzenie kości i tkanki mięśniowej, praca konwersji energii i wiele więcej. Bez kwasów nukleinowych przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznych jest niemożliwe.
Polisacharydy to węglowodory o wysokiej masie cząsteczkowej, które wraz z białkami biorą udział w metabolizmie. Klasyfikacja polimerów według pochodzenia pozwala wybrać naturalne substancje makromolekularne w specjalnej grupie.
Sztuczne i syntetyczne polimery
Sztuczne polimery są otrzymywane z naturalnych różnymi metodami modyfikacji chemicznej w celu nadania im niezbędnych właściwości. Przykładem jest celuloza, z której otrzymuje się wiele tworzyw sztucznych. Klasyfikacja polimerów według pochodzenia charakteryzuje je jako substancje sztuczne. Syntetyczne wkładki otrzymywane są chemicznie przy użyciu reakcji polimeryzacji lub polikondensacji. Ich właściwości, a zatem zakres, zależą od długości makrocząsteczki, to znaczy od masy cząsteczkowej. Im większy, tym mocniejszy jest uzyskany materiał. Klasyfikacja polimerów według pochodzenia jest bardzo wygodna. Przykłady to potwierdzają.
Makrocząsteczki liniowe
Każda klasyfikacja polimerów jest raczej arbitralna i każdy ma swoje wady, ponieważ nie może wykazywać wszystkich cech tej grupy substancji. Niemniej jednak pomaga je w jakiś sposób usystematyzować. Klasyfikacja polimerów w postaci makrocząsteczek przedstawia je w postaci następujących trzech grup:
- liniowy
- rozgałęziony;
- przestrzenne, które są również nazywane siatką.
Długie, zakrzywione lub w kształcie spirali łańcuchy liniowych wkładek nadają substancjom pewne unikalne właściwości:
- ze względu na pojawienie się wiązań międzycząsteczkowych tworzą mocne włókna;
- są zdolne do dużych i długich, ale jednocześnie odwracalnych deformacji;
- ważną właściwością jest ich elastyczność;
- po rozpuszczeniu substancje te tworzą roztwory o wysokiej lepkości.
Rozgałęzione makrocząsteczki
Rozgałęzione polimery mają również strukturę liniową, ale z wieloma bocznymi gałęziami krótszymi niż główna.Jednocześnie zmieniają się także ich właściwości:
- rozpuszczalność rozgałęzionych substancji jest odpowiednio wyższa niż liniowa, tworzą one roztwory o niższej lepkości;
- wraz ze wzrostem długości łańcuchów bocznych siły międzycząsteczkowe słabną, co prowadzi do wzrostu miękkości i elastyczności materiału;
- im wyższy stopień rozgałęzienia, tym bardziej właściwości fizyczne takiej substancji zbliżają się do właściwości zwykłych związków o niskiej masie cząsteczkowej.
Trójwymiarowe makrocząsteczki
Siatkowe związki makrocząsteczkowe są płaskie (schody i parkiet) i trójwymiarowe. Płaska guma zawiera kauczuk naturalny i grafit. W polimerach przestrzennych występują sieciujące „mosty” między łańcuchami, tworząc jedną dużą trójwymiarową makrocząsteczkę, która ma niezwykłą twardość.
Przykładem jest diament lub keratyna. Siatkowe związki wielkocząsteczkowe stanowią podstawę kauczuków, niektórych rodzajów tworzyw sztucznych, a także klejów i lakierów.
Tworzywa termoplastyczne i termoutwardzalne
Klasyfikacja polimerów według pochodzenia i w odniesieniu do ogrzewania ma na celu scharakteryzowanie zachowania się tych substancji wraz z temperaturą. W zależności od procesów zachodzących podczas ogrzewania uzyskuje się różne wyniki. Jeśli interakcja międzycząsteczkowa osłabnie, a energia kinetyczna cząsteczek wzrośnie, wówczas substancja zmięknie, stając się stanem lepkim. Gdy temperatura spada, wraca do normalnego stanu - jego charakter chemiczny pozostaje niezmieniony. Takie substancje nazywane są polimerami termoplastycznymi, na przykład polietylenem.
Inna grupa związków nazywana jest termoutwardzaniem. Mechanizm procesów zachodzących w nich podczas ogrzewania jest zupełnie inny. W obecności podwójnych wiązań lub grup funkcyjnych oddziałują one ze sobą, zmieniając chemiczny charakter substancji. Po schłodzeniu nie może przywrócić pierwotnego kształtu. Przykładem są różne żywice.
Metoda polimeryzacji
Kolejna klasyfikacja polimerów polega na metodzie przygotowania. Istnieją takie sposoby na uzyskanie wkładki:
- Polimeryzacja, która może odbywać się za pomocą jonowego mechanizmu reakcji i wolnych rodników.
- Polikondensacja
Polimeryzacja to proces powstawania makrocząsteczek poprzez sekwencyjne połączenie jednostek monomeru. Są to zwykle substancje o niskiej masie cząsteczkowej z wieloma wiązaniami i grupami cyklicznymi. Podczas reakcji podwójne wiązanie lub wiązanie w grupie cyklicznej pęka i między tymi monomerami tworzą się nowe. Jeśli w reakcji biorą udział monomery tego samego gatunku, nazywa się to homopolimeryzacją. Przy stosowaniu różnych rodzajów monomerów zachodzi reakcja kopolimeryzacji.
Reakcja polimeryzacji jest reakcją łańcuchową, która może zachodzić spontanicznie, jednak do jej przyspieszenia stosuje się substancje czynne. Dzięki mechanizmowi wolnych rodników proces przebiega w kilku etapach:
- Inicjacja. Na tym etapie pod wpływem światła, ciepła, substancji chemicznych lub innego rodzaju w układzie powstają grupy aktywne - rodniki.
- Wzrost długości łańcucha. Ten etap charakteryzuje się dodaniem następujących monomerów do rodników w celu utworzenia nowych rodników.
- Otwarty łańcuch uzyskuje się przez oddziaływanie grup aktywnych z tworzeniem nieaktywnych makrocząsteczek.
Nie można kontrolować momentu zakończenia łańcucha, dlatego powstałe makrocząsteczki różnią się różnymi masami cząsteczkowymi.
Zasada jonowego mechanizmu reakcji polimeryzacji jest taka sama jak w przypadku wolnych rodników. Ale tutaj kationy i aniony działają jako centra aktywne, dlatego rozróżnia się polimeryzację kationową i anionową. W przemyśle najważniejsze polimery uzyskuje się przez polimeryzację rodnikową: polietylen, polistyren i wiele innych. Polimeryzacja jonowa stosowana jest w produkcji kauczuków syntetycznych.
Polikondensacja
Proces tworzenia związku o wysokiej masie cząsteczkowej z wydzieleniem niektórych substancji o niskiej masie cząsteczkowej jako produktu ubocznego to polikondensacja, która różni się od polimeryzacji tym, że skład pierwiastkowy powstałej makrocząsteczki nie odpowiada składowi początkowych substancji biorących udział w reakcji. Mogą w nich brać udział tylko związki z grupami funkcyjnymi, które oddziaływując, dzielą cząsteczkę prostej substancji i tworzą nowe wiązanie. Polikondensacja związków dwufunkcyjnych daje polimery liniowe. Gdy w reakcji biorą udział związki wielofunkcyjne, powstają wkładki o rozgałęzionej lub nawet przestrzennej strukturze. Substancje o niskiej masie cząsteczkowej powstałe podczas reakcji oddziałują również z produktami pośrednimi, powodując zakończenie łańcucha. Dlatego lepiej jest je usunąć ze strefy reakcji.
Pewnych polimerów nie można uzyskać znanymi metodami polimeryzacji lub polikondensacji, ponieważ nie ma wymaganych monomerów wyjściowych zdolnych do uczestniczenia w nich. W tym przypadku syntezę polimeru przeprowadza się z udziałem związków o wysokiej masie cząsteczkowej zawierających grupy funkcyjne, które są w stanie reagować ze sobą.
Klasyfikacja polimerów staje się z każdym dniem coraz bardziej skomplikowana, ponieważ pojawia się coraz więcej nowych rodzajów tych niesamowitych substancji o określonych właściwościach, a osoba bez nich nie myśli o swoim życiu. Pojawia się jednak kolejny problem, nie mniej ważny - możliwość ich łatwego i taniego usunięcia. Rozwiązanie tego problemu jest bardzo ważne dla istnienia planety.
