Chemia polimerowa
Chemia polimerowa (zwana także chemią makrocząsteczkową) jest nauką o syntezie chemicznej i właściwościach chemicznych polimerów lub makrocząsteczek. Zgodnie z zaleceniami IUPAC, makromolekuły odnoszą się do poszczególnych łańcuchów molekularnych i są domeną chemii. Polimery opisują masowe właściwości materiałów polimerowych i należą do dziedziny fizyki polimerów (część fizyki).
Różne rodzaje makromolekuł obejmują:
- Biopolimery produkowane przez żywe organizmy:
- białka strukturalne: kolagen, keratyna, elastyna i inne
- białka funkcjonalne chemicznie: enzymy, hormony, białka transportowe i inne
- polisacharydy strukturalne: celuloza, chityna i inne
- składowanie polisacharydów: skrobia, glikogen i inne
- kwasów nukleinowych: DNA, RNA
- Polimery syntetyczne stosowane do produkcji włókien sztucznych, farb, materiałów budowlanych, mebli, części mechanicznych, klejów:
- tworzywa termoplastyczne: polietylen, teflon, polistyren, polipropylen, poliester, poliuretan, polimetakrylan metylu, polichlorek winylu, nylon, jedwab, celuloid, silikon i inne
- tworzywa termoutwardzalne: guma wulkanizowana, bakelit, kewlar, epoksyd i inne.
Polimery powstają w wyniku polimeryzacji monomerów. Chemicy opisują polimer stopniem polimeryzacji, rozkładem masy molowej, taktyką, rozkładem kopolimerów, stopniem rozgałęzienia, grupami końcowymi, wiązaniami poprzecznymi i krystalicznością. Chemicy badają również właściwości termiczne polimeru, takie jak temperatura zeszklenia i temperatura topnienia. Polimery w roztworach mają specjalne właściwości rozpuszczalności, lepkości i żelowania.
Historia
Chemia polimerów rozpoczęła się od badania długich włókien w roślinach. Prace Henri Braconnota w 1777 roku i Christiana Schönbeina w 1846 roku doprowadziły do odkrycia nitrocelulozy. Nitroceluloza poddana działaniu kamfory tworzy celuloid. Chemicy rozpuszczają celuloid w eterze lub acetonie, aby stworzyć kolodion. Lekarze używają kolodionu jako opatrunku do ran od czasu wojny domowej w USA. Octan celulozy został po raz pierwszy przygotowany w 1865 roku. W 1834 roku Friedrich Ludersdorf i Nathaniel Hayward odkryli niezależnie, że dodanie siarki do surowego kauczuku naturalnego (poliizoprenu) pomogło zapobiec lepkości materiału. W 1844 r. Charles Goodyear otrzymał amerykański patent na wulkanizowanie gumy z siarką i gorącem. Thomas Hancock otrzymał patent na ten sam proces w Wielkiej Brytanii rok wcześniej.
W 1884 roku Hilaire de Chardonnet uruchomił pierwszą fabrykę sztucznego włókna opartą na zregenerowanej celulozie, czyli wiskozowym rayonie, jako zamienniku jedwabiu, ale był on bardzo łatwopalny. W 1907 roku Leo Baekeland wynalazł pierwszy syntetyczny polimer, termoutwardzalną żywicę fenolowo-formaldehydową zwaną bakelitem. Mniej więcej w tym samym czasie Hermann Leuchs opisał syntezę N-karboksyanhydrydów i ich produktów o dużym ciężarze cząsteczkowym w reakcji z nukleofilami. Ale Leuchs nie nazwał ich polimerami, prawdopodobnie ze względu na silne poglądy Emila Fischera, jego bezpośredniego przełożonego, zaprzeczając możliwości, że jakakolwiek kowalencyjna cząsteczka przekracza 6000 daltonów. Celofan został wynaleziony w 1908 roku przez Jocques'a Brandenbergera, który wymieszał arkusze wiskozowego rayonu w kwaśnej kąpieli.
W 1922 r. Hermann Staudinger (niemiecki chemik) zaproponował, aby polimery były długimi łańcuchami atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi. Zaproponował również nazwanie tych związków "makromolekułami". Wcześniej naukowcy uważali, że polimery są skupiskami małych molekuł (zwanych koloidami), bez określonych mas cząsteczkowych, utrzymywanych razem przez nieznaną siłę. Staudinger otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1953 roku.
Wallace Carothers wynalazł pierwszy syntetyczny kauczuk zwany neoprenem w 1931 roku. Neopren był pierwszym poliestrem. W 1935 roku Carothers wynalazł nylon, prawdziwy substytut jedwabiu. W 1974 r. Paul Flory otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za pracę nad polimerowymi konfiguracjami cewek losowych w roztworze w latach pięćdziesiątych XX wieku. Stephanie Kwolek opracowała opatentowany w 1966 r. aramid, czyli nylon aromatyczny o nazwie Kevlar.
Obecnie istnieje duża liczba komercyjnych polimerów. Należą do nich materiały kompozytowe, takie jak włókno węglowe-epoksyd, polistyren-polibutadien (HIPS), akrylonitryl-butadien-styren (ABS). Chemicy projektują polimery komercyjne w celu połączenia najlepszych właściwości ich różnych składników. Na przykład, specjalne polimery stosowane w silnikach samochodowych są przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach.
Minęło sporo czasu, zanim uniwersytety wprowadziły programy nauczania i badań w dziedzinie chemii polimerowej. Institut fur Makromolekulare Chemie został założony w 1940 roku we Freiburgu, w Niemczech, pod kierownictwem Hermanna Staudingera. W Ameryce "Instytut Badań nad Polimerami" (PRI) został założony w 1941 r. przez Hermana Marka w Instytucie Politechnicznym na Brooklynie (obecnie Instytut Politechniczny NYU). Kilkuset absolwentów PRI odegrało ważną rolę w amerykańskim przemyśle polimerowym i środowisku akademickim. Inne PRI zostały założone w 1961 r. przez Richarda S. Steina na University of Massachusetts w Amherst, w 1967 r. przez Erica Baera na Case Western Reserve University i w 1988 r. na University of Akron.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest chemia polimerów?
A: Chemia polimerów (zwana również chemią makrocząsteczek) to nauka o syntezie chemicznej i właściwościach chemicznych polimerów lub makrocząsteczek.
P: Jakie są przykłady biopolimerów wytwarzanych przez żywe organizmy?
O: Przykładami biopolimerów wytwarzanych przez organizmy żywe są białka strukturalne, takie jak kolagen, keratyna, elastyna; białka funkcjonalne chemicznie, takie jak enzymy, hormony, białka transportowe; polisacharydy strukturalne, takie jak celuloza i chityna; polisacharydy magazynujące, takie jak skrobia i glikogen; oraz kwasy nukleinowe, takie jak DNA i RNA.
P: Jakie są przykłady polimerów syntetycznych stosowanych w tworzywach sztucznych?
O: Przykłady polimerów syntetycznych stosowanych w tworzywach sztucznych to tworzywa termoplastyczne, takie jak polietylen, teflon, polistyren, polipropylen, poliester, poliuretan, polimetakrylan metylu, silikon nylon rayon celuloid; tworzywa termoutwardzalne, takie jak guma wulkanizowana bakelit kevlar epoksyd.
P: Jak powstają cząsteczki polimerów?
O: Cząsteczki polimerów powstają w procesie polimeryzacji, który polega na łączeniu monomerów w celu utworzenia większej cząsteczki.
P: Jak chemicy opisują polimer?
A: Chemicy opisują polimery na podstawie stopnia polimeryzacji (liczba jednostek monomeru w łańcuchu), rozkładu masy molowej (względna ilość, jaką każdy rodzaj jednostki monomeru wnosi do masy całkowitej), taktyczności (jak regularnie lub nieregularnie ułożone są monomery wzdłuż łańcucha), rozkład kopolimerów (jaki procent stanowią różne typy/monomery), stopień rozgałęzienia (ile rozgałęzień jest poza łańcuchem głównym), grupy końcowe (rodzaj/rodzaje na obu końcach), wiązania krzyżowe (połączenia pomiędzy dwoma lub więcej łańcuchami) i krystaliczność (jak bardzo jest uporządkowany).
P: Jakie właściwości termiczne badają chemicy, kiedy patrzą na polimer?
O: Przyglądając się polimerowi chemicy badają jego temperaturę zeszklenia i temperaturę topnienia, które są związane z jego właściwościami termicznymi.
P: Jakie szczególne właściwości ma polimer w roztworze?
O: Polimer w roztworze ma specjalne właściwości związane z rozpuszczalnością, lepkością i żelowaniem.
