Polimery

Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) – substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową" rozumie się zwykle taką sytuację, gdy odjęcie lub przyłączenie jednego meru nie zmienia w zasadniczym stopniu ogólnych własności chemicznych i fizycznych związku chemicznego. Odróżnia to polimery od oligomerów, które mają jeszcze na tyle małą masę cząsteczkową, że dodanie do nich lub odjęcie jednego meru skutkuje zauważalną zmianą np. ich temperatury topnienia.

Fragment łańcucha przykładowego syntetycznego polimeru – polipropylenu

Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych. Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami.

Podział polimerów

Wyróżnia się następujące podziały polimerów:

• ze względu na ich pochodzenie
• ze względu na topologię cząsteczek, czyli ich ogólny kształt przestrzenny
• ze względu na jednorodność budowy

Podział ze względu na pochodzenie

• polimery syntetyczne - są to polimery pochodzące w 100% z syntezy chemicznej zaczynającej się od prostych monomerów
• polimery naturalne - są to polimery wytwarzane w 100% przez organizmy żywe; są to m.in. celuloza, białka, kwasy nukleinowe.
• polimery modyfikowane - są to polimery naturalne, które jednak zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany ich własności użytkowych np.: octan celulozy, białko modyfikowane, skrobia modyfikowana.

Podział ze względu na topologię

Struktury topologiczne polimerów ukazują architekturę oraz sposoby łączenia się ze sobą poszczególnych merów. Topologiczne parametry strukturalne cząsteczek: - skład chemiczny - konstytucja makrocząsteczek (rodzaje par atomów, rodzaje wiązań) - rozmieszczenie centrów konfiguracyjnych. Topologia związana ściśle ze strukturą:

• polimer liniowy - są to polimery, w których łańcuchy główne są proste i nie mają żadnych rozgałęzień np: wysokociśnieniowy polietylen lub teflon.
• polimer rozgałęziony - są to polimery, w których łańcuchy główne są rozgałęzione - wyróżnia się tutaj:
  • polimer bocznołańcuchowy - w którym, krótkie, boczne łańcuchy są regularnie bądź nieregularnie rozmieszczone wzdłuż głównego łańcucha;
  • polimer rozgałęziony wielokrotnie po angielsku hyperbranched, w którym występuje wiele wielkokrotnych rozgałęzień, tak że nie da się już wyróżnić głównego łańcucha;
  • polimer gwiazdowy - w którym z jednego centralnego punktu wybiega kilka do kilkunastu "ramion" będących zwykłymi liniowymi łańcuchami;
• polimer drabinkowy - są to polimery, w których występują dwa równoległe łańcuchy główne połączone okresowo krótkimi bocznymi łańcuchami, wyróżnia się formę całkowitą oraz częściową (bok tworzący szkielet jest od miejscami poprzerywany).
• polimer usieciowany - są to polimery, które tworzą przestrzenną ciągłą sieć, tak że nie da się już w nich wyróżnić pojedynczych cząsteczek. Dzieli się je na wysokiej i niskiej gęstości usieciowania.
• polimer cykliczny - stosunkowo rzadko spotykany, w którym zamiast liniowych cząsteczek występują ogromne cząsteczki cykliczne.
• polimer katetanowy - przypominający połączone ogniwa łańcucha; cykliczne fragmenty przenikają się tworząc długi łańcuch polimerowy.
• polimer rateksanowy - tzw. struktura szaszłykowa, czyli na łańcuch polimerowy "nawleczone" zostały krótkie cykliczne cząsteczki.
• polimer dendrymeryczny - czyli z jednego łańcucha rozchodzą się następne, a z nich kolejne - powstaje dendrymeryczna struktura przypominająca drzewo.

Dodatkowo rozpatruje się topologię polimerów ze względu na ograniczenia w przestrzeni, czyli jednowymiarowe - płaskie, dwuwymiarowe - czyli szczepione z płaskiej powierzchni) oraz trójwymiarowe - szczepione na sferze.

Podział ze względu na jednorodność budowy chemicznej

Podział ten opiera się na tym, czy w łańcuchu polimeru występuje jeden merów, czy też jest zbudowany z bloków pochodzących od dwóch lub więcej monomerów. Polimery zbudowane z wielu bloków pochodzących od kilku monomerów nazywa się kopolimerami, zaś te które są otrzymywane z jednego monomeru homopolimerami.

Kopolimery dzieli się z kolei na:

• kopolimer statystyczny - są to polimery, w których występują krótkie losowo przemieszane bloki pochodzące od poszczególnych merów
• kopolimer gradientowy - są to polimery, w których wstępują krótkie losowo przemieszane bloki, jednak na jednym z końców cząsteczki można znaleźć więcej bloków jednego rodzaju a na drugim drugiego rodzaju
• kopolimer naprzemienny - są to polimery, w których ściśle naprzemiennie występują krótkie bloki pochodzące od poszczególnych merów
• kopolimer blokowy - są to polimery, w których występują długie bloki pochodzące z poszczególnych merów - zazwyczaj tylko 2 lub 3
• polimer szczepiony - są polimery, w których do głównego łańcucha są przyłączone bloki pochodzące od innego monomeru w formie bocznych odgałęzień.

Podział ze względu na budowę

• poliolefina - są to polimery zawierające tylko węgiel i wodór, w których występują długie łańcuchy węglowe -C-C-C-. Do najbardziej znanych przykładów zaliczają się polietylen, polipropylen i polistyren
• polimer winylowy - są to polimery otrzymywane w wyniku rozerwania wiązań C=C występujących w monomerach, na skutek czego powstają długie łańcuchy węglowe. Formalnie rzecz biorąc większość poliolefin również należy do polimerów winylowych, ale zazwyczaj rozumie się pod tą nazwą takie polimery jak poliakrylan, polimetakrylan, polichlorek winylu itp., a więc zawierające oprócz węgla i wodoru także inne atomy.
• polieter - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania eterowe, najbardziej znanym przedstawicielem jest poli(tlenek etylenu)
• poliamidy - są to polimery w których występuje wiązanie amidowe (-NH-C(O)-)
• poliuretany - są to polimery, w których występuje wiązanie uretanowe (-NH-C(O)-O-)
• poliestry - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występuje wiązanie estrowe (-C(O)-O-)
• poliwęglany - są to polimery, w których występuje wiązanie węglanowe (-O-C(O)-O-)
• polimer nieorganiczny - są to polimery, w których w głównych łańcuchach nie występują atomy węgla, takie jak polisiloksan, polifosfazen, polisiarczek i wiele innych.
• polipeptydy, poli(węglowodany), kwasy nukleinowe - to wszystko są biopolimery.

Podział ze względu na taktyczność

• polimer izotaktyczny - grupy boczne wyłącznie po jednej stronie łańcucha
• polimer syndiotaktyczny - grupy boczne naprzemiennie po obu stronach łańcucha
• polimer ataktyczny - losowe położenie grup bocznych

Zastosowania polimerów

• tworzywa sztuczne
• farby i lakiery
• kleje i podobne środki powierzchniowo czynne
• polimery ciekłokrystaliczne
• membrany i inne materiały o zdolnościach rozdzielczych
• mikrosfery polimerowe
• stałe paliwa rakietowe

Przykłady polimerów

• polietylen (PE) – folie, jest odporny chemicznie, biały lub przezroczysty, tłusty w dotyku
• polipropylen (PP) – bardziej wytrzymały i odporny chemicznie, o wyższej temperaturze topnienia niż polietylen, ale trudniejszy w obróbce; łatwo się go barwi na żywe kolory; przykładowe zastosowania: wykładziny, rury, pojemniki, zabawki
• polistyren (PS) - tworzywo konstrukcyjne, kruche ale wytrzymałe na zgniatanie
• poliakrylonitryl (PAN) - popularna "anilana" - podstawowy składnik tzw. sztucznego jedwabiu
• poli(tereftalan etylenu) - (PET) - tworzywo przezroczyste, z którego produkuje się większość plastikowych butelek, oraz jest też stosowane jak sztuczne włókno (patrz polartec)
• poli(tlenek etylenu) (PEO) - "sztuczna stal" - tworzywo konstrukcyjne o bardzo dużej wytrzymałości na rozciąganie i skręcanie
• poli(chlorek winylu) (PCW, PVC) – wykazuje dużą odporność na działanie stężonych kwasów i zasad, produkuje się z niego panele podłogowe, rurki i węże, często występuje jako składnik klejów i lakierów
• nylon – mocny i rozciągliwy, wykorzystywany do produkcji lin i sztucznych włókien
• kauczuk syntetyczny – cała grupa polimerów o własnościach elastycznych
• politetrafluoroetylen (PTFE) – charakteryzuje się dużym napięciem powierzchniowym oraz jest wyjątkowo odporny chemicznie, ma też dość wysoką odporność termiczną, ale jest bardzo kosztowny i trudny w obróbce
• poli(metakrylan metylu) (PMM) (szkło organiczne) – tworzywo o dużej przezroczystości, w zakresie światła widzialnego i UV
• polisiloksan - cała gama tworzyw, od kauczuków i żeli stosowanych w medycynie po tworzywa konstrukcyjne, farby i smary

Zobacz też

• sieciowanie
• elastyczność i krystaliczność
• mery i monomery
• dimery, trimery, oligomery i pleinomery
• kopolimery
• biopolimery
• dendrymery

Bibliografia

• Praca zbiorowa, "Chemia polimerów", red. Zbigniew Florjańczyk, Stanisław Penczek, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 2002, tom 1 i 2, ISBN 83-7207-368-6
• Jan Pielichowski, Andrzej Puszyński, "Chemia polimerów", Wydawnictwo "Teza", 2004, ISBN 83-920988-0-3
• Malcolm P. Stevens, "Wprowadzenie do chemii polimerów", tł. Mirosław Włodarczyk at al, PWN 1983, ISBN 83-01-03110-7

Linki zewnętrzne

• Definicja polimeru wg IUPAC (format PDF).