Химия на полимерите: дефиниция, видове, свойства и приложения

Химия на полимерите: дефиниция, видове, свойства и приложения — открийте как макромолекулите оформят биополимери и пластмаси, техните свойства и практични приложения.

Автор: Leandro Alegsa

Химията на полимерите (наричана още макромолекулна химия) е наука за химичния синтез и химичните свойства на полимерите или макромолекулите. Според препоръките на IUPAC макромолекулите се отнасят до отделните молекулни вериги и са област на химията. Полимерите описват обемните свойства на полимерните материали и принадлежат към областта на физиката на полимерите (част от физиката).

Различните видове макромолекули включват:

Полимерите се образуват чрез полимеризация на мономери. Химиците описват полимера чрез степента му на полимеризация, разпределението на моларната маса, тактилността, разпределението на съполимерите, степента на разклоняване, чрез крайните групи, напречните връзки и кристалността му. Химиците изучават и термичните свойства на полимера, като например температурата на встъкляване и температурата на топене. Полимерите в разтвор имат специални характеристики за разтворимост, вискозитет и желиране.

Основни понятия и обяснение

Полимер е голяма молекула (макромолекула), съставена от повтарящи се звена, наречени мономери. Свойствата на полимера зависят не само от типа мономери, но и от молекулната маса, разклонението, наличието на напречни връзки, тактичността и кристалността. Степен на полимеризация означава средния брой мономерни единици в една верига; моларно разпределение описва разликите в размера на веригите в пробата.

Методи на полимеризация

  • Полимеризация чрез растеж (chain-growth) — включва радикална, йонна или координационна полимеризация; типични примери са полимеризацията на етилен, стирен, винилхлорид.
  • Степенна полимеризация (step-growth или кондензационна) — мономерите се свързват постепенно; примери: полиамиди, полиестери.
  • Рингово-отваряща полимеризация — използва се за синтеза на полициклични или силиконови полимери.
  • Кополимеризация — включва два или повече вида мономери, което дава възможност за настройка на свойства чрез разпределение на звената.

Структура — свойства

Връзката между структурата и свойствата е ключова:

  • Кристалност — по-висока кристалност обикновено означава по-висока твърдост и точка на топене.
  • Температура на встъкляване (Tg) — при температури под Tg полимерът е стъкловидно твърд; над Tg е по-еластичен или каучуков.
  • Напречни връзки (crosslinks) — карат материалите да станат неплавливи (термореактивни).
  • Разклоняване — влияе върху плътността, разтворимостта и вискозитета.

Характеризация

Честo използвани методи за анализ и определяне на свойствата:

  • Гел пермеационна хроматография (GPC/SEC) — за молекулна маса и разпределение.
  • NMR и FTIR спектроскопия — за определяне на химична структура и функционални групи.
  • DSC и TGA — термичен анализ (Tg, Tm, термична стабилност).
  • Реометри и вискозиметри — за механични и течливи свойства.
  • Микроскопии (SEM, TEM) — морфология и фазаразпределение.

Обработка и производствени технологии

  • Екструзия — производство на тръби, фолиа, влакна.
  • Инерционно формоване (injection molding) — масово производство на детайли с висока прецизност.
  • Духане (blow molding) — флакони и съдове.
  • Ротационно формоване, ламиниране, 3D печат — специализирани приложения.

Приложения

Полимерите са навсякъде: опаковки и фолиа, текстил и влакна, автомобилна и въздухоплавателна индустрия, електроника (изолатори, печатни платки), медицински прибори и импланти, строителни материали, лепила, покрития и бои. Вече са разработени и функционални полимери — проводими, биосъвместими, самозалепващи се и интелигентни (responsive) материали.

Деградация и рециклиране

Полимерите могат да се разграждат механично, термично, химично или биологично. Съществуват няколко стратегии за управление на отпадъците:

  • Механичен рециклинг — събиране, почистване и повторна формация на суровината.
  • Химичен рециклинг — разлагане до мономери или малки молекули за повторна синтеза.
  • Биораградими полимери — PLA, PHA и други, разграждащи се по-бързо в природни условия.
  • Енергийно оползотворяване — горене с рекуперация на енергия (със съображения за емисии).

Безопасност и екологични аспекти

При работа с мономери и полимери трябва да се вземат предвид токсичност, отделяне на летливи органични съединения (ЛОС), миграция на добавки (пластификатори, стабилизатори) и потенциални микропластични емисии. Разработките в областта на устойчивите материали и зеления синтез целят да намалят въздействието върху околната среда.

Съвременни направления и бъдеще

  • Развитие на биополимери и биоразградими материали.
  • Полимерни композити с висока якост и ниско тегло за транспорт и космически приложения.
  • Проводими полимери и материали за електроника и енергия (батерии, суперкондензатори).
  • „Интелигентни“ полимери, реагиращи на температура, pH, светлина или електрически сигнал за медицински и индустриални приложения.

Обобщено, химията на полимерите е междудисциплинарна област, която свързва синтез, физика на материалите, инженерство и екология, и играе ключова роля в съвременните технологии и устойчивото развитие.

История

Химията на полимерите започва с изучаването на дългите влакна в растенията. Работата на Анри Браконо през 1777 г. и работата на Кристиан Шьонбейн през 1846 г. водят до откриването на нитроцелулозата. От нитроцелулозата, обработена с камфор, се получава целулоид. Химиците разтварят целулоида в етер или ацетон, за да получат колодион. Лекарите използват колодия като превръзка за рани още от времето на Гражданската война в САЩ. Целулозният ацетат е приготвен за първи път през 1865 г. През 1834 г. Фридрих Лудерсдорф и Натаниел Хейуърд независимо един от друг откриват, че добавянето на сяра към суровия естествен каучук (полиизопрен) помага да се предотврати слепването на материала. През 1844 г. Чарлз Гудиър получава американски патент за вулканизиране на каучук със сяра и топлина. Томас Хенкок получава патент за същия процес в Обединеното кралство година по-рано.

През 1884 г. Илер дьо Шардоне открива първата фабрика за изкуствени влакна, която се основава на регенерирана целулоза или вискозна коприна като заместител на коприната, но тя е много лесно запалима. През 1907 г. Лео Бакеланд изобретява първия синтетичен полимер - термореактивна фенол-формалдехидна смола, наречена бакелит. Приблизително по същото време Херман Лойкс съобщава за синтеза на N-карбоксианхидриди и техните продукти с високо молекулно тегло при реакция с нуклеофили. Но Лойхс не ги нарича полимери, вероятно поради силните възгледи на Емил Фишер, негов пряк ръководител, който отрича възможността за съществуване на ковалентна молекула, надвишаваща 6000 далтона. Целофанът е изобретен през 1908 г. от Джок Бранденбергер, който пуска листове вискозна коприна в киселинна баня.

През 1922 г. Херман Щаудингер (немски химик) предлага полимерите да са дълги вериги от атоми, свързани помежду си с ковалентни връзки. Той също така предлага тези съединения да се наричат "макромолекули". Преди това учените са смятали, че полимерите са клъстери от малки молекули (наречени колоиди), без определено молекулно тегло, които се държат заедно от неизвестна сила. През 1953 г. Щаудингер получава Нобелова награда за химия.

През 1931 г. Уолъс Каротърс изобретява първия синтетичен каучук, наречен неопрен. Неопренът е първият полиестер. През 1935 г. Каротърс изобретява найлон, който е истински заместител на коприната. Пол Флори получава Нобелова награда за химия през 1974 г. за работата си върху конфигурациите на случайни намотки на полимери в разтвор през 50-те години на миналия век. Стефани Кволек разработва арамид или ароматен найлон, наречен Кевлар, патентован през 1966 г.

Понастоящем има голям брой търговски полимери. Те включват композитни материали като въглеродни влакна-епоксидни, полистирол-полибутадиен (HIPS), акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS). Химиците проектират търговските полимери така, че да съчетават най-добрите свойства на различните им компоненти. Например специалните полимери, използвани в автомобилните двигатели, са проектирани да работят при високи температури.

Мина много време, преди университетите да въведат програми за преподаване и изследвания в областта на полимерната химия. През 1940 г. във Фрайбург, Германия, е основан "Institut fur Makromolekulare Chemie" под ръководството на Херман Щаудингер. В Америка през 1941 г. в Политехническия институт на Бруклин (сега Политехнически институт на Нюйоркския университет) е създаден "Полимерен изследователски институт" (Polymer Research Institute - PRI) от Херман Марк. Няколкостотин възпитаници на PRI играят важна роля в полимерната индустрия и академичните среди на САЩ. Други PRI са основани през 1961 г. от Ричард С. Стайн в Масачузетския университет в Амхърст, през 1967 г. от Ерик Баер в университета Case Western Reserve и през 1988 г. в университета в Акрон.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява полимерната химия?


О: Полимерната химия (наричана още макромолекулна химия) е наука за химичния синтез и химичните свойства на полимерите или макромолекулите.

В: Кои са някои примери за биополимери, произвеждани от живите организми?


О: Примерите за биополимери, произвеждани от живите организми, включват структурни протеини като колаген, кератин, еластин; химически функционални протеини като ензими, хормони, транспортни протеини; структурни полизахариди като целулоза и хитин; полизахариди за съхранение като нишесте и гликоген; и нуклеинови киселини като ДНК и РНК.

Въпрос: Кои са някои примери за синтетични полимери, използвани за производство на пластмаси?


О: Примерите за синтетични полимери, използвани за пластмаси, включват термопласти като полиетилен, тефлон, полистирен, полипропилен, полиестер, полиуретан, полиметилметакрилат, найлон, целулоид, силикон; термореактивни пластмаси като вулканизиран каучук, бакелит, кевлар, епоксид.

Въпрос: Как се образуват молекулите на полимерите?


О: Молекулите на полимерите се образуват чрез процеса на полимеризация, който включва комбиниране на мономери заедно, за да се образува по-голяма молекула.

В: Как химиците описват полимера?


A: Химиците описват полимера въз основа на степента му на полимеризация (броя на мономерните единици във веригата), разпределението на моларната маса (относителното количество, което всеки вид мономерна единица допринася за общата маса), тактилността (колко правилно или неправилно са разположени мономерите по веригата), разпределение на съполимера (какъв процент от него се състои от различни видове/мономери), степен на разклоняване (колко разклонения има от основната верига), крайни групи (видът/и в двата края), напречни връзки (връзки между две или повече вериги) и кристалност (колко е подредена).

Въпрос: Какви термични свойства изучават химиците, когато разглеждат даден полимер?


О: Когато разглеждат даден полимер, химиците изучават температурата на встъкляване и температурата на топене, които са свързани с топлинните му свойства.

В: Какви специални характеристики има полимерът, когато е в разтвор?


О: Когато е в разтвор, полимерът има специални характеристики, свързани с разтворимостта, вискозитета и желирането.


обискирам
AlegsaOnline.com - 2020 / 2025 - License CC3