Polimer kémia

A polimerkémia (más néven makromolekuláris kémia) a polimerek vagy makromolekulák kémiai szintézisének és kémiai tulajdonságainak tudománya. Az IUPAC ajánlásai szerint a makromolekulák az egyes molekulaláncokra utalnak, és a kémia területét képezik. A polimerek a polimer anyagok ömlesztett tulajdonságait írják le, és a polimerfizika (a fizika része) területéhez tartoznak.

A makromolekulák különböző fajtái a következők:

Az élő szervezetek által termelt biopolimerek:

szerkezeti fehérjék: kollagén, keratin, elasztin és mások
kémiailag funkcionális fehérjék: enzimek, hormonok, transzportfehérjék és mások.
szerkezeti poliszacharidok: cellulóz, kitin és mások
tároló poliszacharidok: keményítő, glikogén és mások
nukleinsavak: DNS, RNS

Szintetikus polimerek, amelyeket műanyagszálakhoz, festékekhez, építőanyagokhoz, bútorokhoz, mechanikai alkatrészekhez, ragasztókhoz használnak:

hőre lágyuló műanyagok: polietilén, teflon, polisztirol, polipropilén, poliészter, poliuretán, polimetil-metakrilát, polivinil-klorid, nejlon, rayon, celluloid, szilikon és mások.
hőre keményedő műanyagok: vulkanizált gumi, bakelit, kevlár, epoxi és mások.

A polimerek monomerek polimerizációjával jönnek létre. A kémikusok a polimert a polimerizációs fok, a moláris tömegeloszlás, a taktilitás, a kopolimereloszlás, az elágazás mértéke, a végcsoportok, a keresztkötések és a kristályosság alapján jellemzik. A vegyészek tanulmányozzák a polimer termikus tulajdonságait is, például az üvegesedési és olvadási hőmérsékletét. Az oldatban lévő polimerek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek az oldhatóság, a viszkozitás és a zselésedés tekintetében.

Történelem

A polimerkémia a növények hosszú rostjainak tanulmányozásával kezdődött. Henri Braconnot 1777-es munkája és Christian Schönbein 1846-os munkája vezetett a nitrocellulóz felfedezéséhez. A kámforral kezelt nitrocellulóz celluloidot eredményez. A kémikusok a celluloidot éterben vagy acetonban oldják fel, hogy kollódiumot készítsenek. Az orvosok az amerikai polgárháború óta használják a kollódiumot sebkötözőként. A cellulóz-acetátot először 1865-ben állították elő. 1834-ben Friedrich Ludersdorf és Nathaniel Hayward egymástól függetlenül felfedezték, hogy a nyers természetes gumi (poliizoprén) kén hozzáadásával megakadályozható, hogy az anyag ragadós legyen. 1844-ben Charles Goodyear amerikai szabadalmat kapott a gumi kénnel és hővel történő vulkanizálására. Thomas Hancock egy évvel korábban ugyanerre az eljárásra már kapott szabadalmat az Egyesült Királyságban.

1884-ben Hilaire de Chardonnet elindította az első műszálgyárat, amely regenerált cellulózon, azaz viszkózselymen alapult, a selyem helyettesítőjeként, de nagyon gyúlékony volt. 1907-ben Leo Baekeland feltalálta az első szintetikus polimert, egy hőre keményedő fenol-formaldehid gyantát, a bakelitet. Ugyanebben az időben Hermann Leuchs beszámolt az N-karboxianhidridek és nagy molekulatömegű termékeik szintéziséről nukleofilokkal való reakció során. Leuchs azonban nem nevezte őket polimereknek, valószínűleg közvetlen felettese, Emil Fischer határozott nézetei miatt, aki tagadta a 6000 daltont meghaladó kovalens molekulák lehetőségét. A celofánt 1908-ban találta fel Jocques Brandenberger, aki viszkózselyem lapokat spriccelt savas fürdőbe.

1922-ben Hermann Staudinger (német kémikus) azt javasolta, hogy a polimerek hosszú atomláncok, amelyeket kovalens kötések tartanak össze. Azt is javasolta, hogy ezeket a vegyületeket "makromolekuláknak" nevezzék el. Ezt megelőzően a tudósok úgy vélték, hogy a polimerek kis molekulák (úgynevezett kolloidok) csoportjai, amelyeknek nincs meghatározott molekulatömege, és amelyeket ismeretlen erő tart össze. Staudinger 1953-ban kémiai Nobel-díjat kapott.

Wallace Carothers 1931-ben találta fel az első szintetikus gumit, a neoprént. A neoprén volt az első poliészter. Carothers 1935-ben feltalálta a nejlont, a selyem valódi helyettesítőjét. Paul Flory 1974-ben kémiai Nobel-díjat kapott az 1950-es években a polimerek véletlenszerű tekercskonfigurációival kapcsolatos, oldatban végzett munkájáért. Stephanie Kwolek kifejlesztett egy aramidot, vagy aromás nejlont, a Kevlart, amelyet 1966-ban szabadalmaztattak.

Ma már számos kereskedelmi polimer létezik. Ezek közé tartoznak az olyan kompozit anyagok, mint a szénszál-epoxi, polisztirol-polibutadién (HIPS), akrilnitril-butadién-sztirol (ABS). A kémikusok úgy tervezik a kereskedelmi polimereket, hogy a különböző összetevők legjobb tulajdonságait egyesítsék. Például az autómotorokban használt speciális polimereket úgy tervezték, hogy magas hőmérsékleten is működjenek.

Hosszú időbe telt, mire az egyetemeken bevezették a polimerkémia oktatási és kutatási programjait. A németországi Freiburgban 1940-ben Hermann Staudinger vezetésével megalakult az "Institut fur Makromolekulare Chemie". Amerikában 1941-ben Herman Mark alapított egy "Polimer Kutatóintézetet" (PRI) a brooklyni Politechnikai Intézetben (ma Polytechnic Institute of NYU). A PRI több száz végzőse fontos szerepet játszott az amerikai polimeriparban és a tudományos életben. További PRI-ket alapított 1961-ben Richard S. Stein a Massachusetts-i Amhersti Egyetemen, 1967-ben Eric Baer a Case Western Reserve Egyetemen és 1988-ban az Akroni Egyetemen.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a polimer kémia?

V: A polimerkémia (más néven makromolekuláris kémia) a polimerek vagy makromolekulák kémiai szintézisének és kémiai tulajdonságainak tudománya.

K: Milyen példák vannak az élő szervezetek által előállított biopolimerekre?

V: Az élő szervezetek által termelt biopolimerek közé tartoznak például a strukturális fehérjék, mint a kollagén, a keratin, az elasztin; a kémiailag funkcionális fehérjék, mint az enzimek, hormonok, transzportfehérjék; a strukturális poliszacharidok, mint a cellulóz és a kitin; a tároló poliszacharidok, mint a keményítő és a glikogén; és a nukleinsavak, mint a DNS és az RNS.

K: Milyen példákat említhetünk a műanyagokhoz használt szintetikus polimerekre?

V: A műanyagokhoz használt szintetikus polimerek közé tartoznak például a hőre lágyuló műanyagok, mint a polietilén, teflon, polisztirol, polipropilén, poliészter, poliuretán, polimetil-metakrilát, nejlon rayon celluloid szilikon; hőre keményedő műanyagok, mint a vulkanizált gumi bakelit kevlár epoxi.

K: Hogyan keletkeznek a polimer molekulák?

V: A polimer molekulák a polimerizáció folyamatával jönnek létre, amely során a monomerek nagyobb molekulát alkotva egyesülnek.

K: Hogyan írják le a vegyészek a polimert?

A: A kémikusok a polimereket a polimerizációs fok (a monomer egységek száma a láncban), a moláris tömegeloszlás (az egyes monomeregység-típusok relatív hozzájárulása a teljes tömeghez), a takticitás (a monomerek szabályos vagy szabálytalan elrendezése a lánc mentén) alapján írják le, kopolimereloszlás (hány százalékban állnak különböző típusok/monomerek), elágazás mértéke (hány elágazás van a fő láncból), végcsoportok (a típus(ok) mindkét végén), keresztkötések (két vagy több lánc közötti kapcsolatok) és kristályosság (mennyire rendezett).

K: Milyen termikus tulajdonságokat vizsgálnak a vegyészek, amikor egy polimert vizsgálnak?

V: Amikor egy polimert vizsgálnak, a kémikusok az üvegesedési és olvadási hőmérsékletét vizsgálják, amelyek a termikus tulajdonságokkal kapcsolatosak.

K: Milyen különleges tulajdonságokkal rendelkezik egy polimer oldatban?

V: Oldott állapotban a polimer az oldhatósággal, viszkozitással és zselésedéssel kapcsolatos különleges tulajdonságokkal rendelkezik.