Полимер — определение, полимеризация, видове и примери

Научете всичко за полимерите — дефиниция, полимеризация, видове (хомополимери, кополимери) и примери от природа и индустрия: пластмаси, каучук, протеини, нишесте.

Полимерът е молекула, получена от съединяването на много малки молекули, наречени мономери. Думата "полимер" може да се раздели на "поли" (което на гръцки означава "много") и "мер" (което означава "единица"). Това показва как химическият състав на полимера се състои от много по-малки единици (мономери), свързани заедно в по-голяма молекула. Химичната реакция, при която мономерите се свързват заедно, за да се получи полимер, се нарича полимеризация. В зависимост от условията и механизма на реакцията, получените полимерни вериги могат да имат много различни размери и свойства; една от важните характеристики е молекулната маса (молекулно тегло) и нейното разпределение.

Някои полимери са естествени и се произвеждат от организми. Протеините имат полипептидни молекули, които са естествени полимери, изградени от различни мономерни единици аминокиселини. Нуклеиновите киселини са огромни природни полимери, съставени от милиони нуклеотидни единици. Целулозата и нишестето (два вида въглехидрати) също са природни полимери, съставени от глюкопиранозни мономери, свързани по различни начини. Каучукът е смес от полимери. Пластмасите са полимери, създадени от човека. Много влакна са изградени от полимери. Естествените полимери често са биосъвместими и биоразградими, докато много синтетични полимери са проектирани за специфични механични и термични свойства.

Ако "единиците", наречени мономери, в един полимер са еднакви, тогава полимерът се нарича "хомополимер". Хомополимерите се наименуват, като се добави префиксът poly- пред името на мономера, от който е направен полимерът. Например полимерът, получен чрез свързване на молекули на мономера стирен, се нарича полистирен. Ако всички мономери не са еднакви, полимерът се нарича "кополимер" или "хетерополимер". В кополимерите различните видове мономери могат да се редуват по различни начини (статистични, блокови, прекъснати), което силно влияе върху свойствата на материята.

Много полимерни молекули са като вериги, в които мономерните единици са звената. Полимерните молекули могат да бъдат с права верига, с разклонения от основната верига или с напречни връзки между веригите. Като пример за омрежване сулфхидрилните (-S-H) групи в две цистеинови аминокиселинни единици в полипептидни вериги могат да се свържат, за да направят дисулфиден мост (-S-S-), свързващ веригите. Степента на кристалност, степента на разклонение и наличието на напречни връзки определят твърдостта, еластичността и устойчивостта на полимера към разтворители и топлина.

Видове полимеризация

• Полимеризация чрез присъединяване (chain-growth или addition) — мономерите с двойна връзка (напр. етилен) се отварят и присъединяват последователно към растящия край на веригата. Механизми: свободнорадикална, йонна (анионна/катионна), каталитична (напр. Зiegler–Natta).
• Кондензационна полимеризация (step-growth) — при съединяване на функционални групи (напр. карбоксилни + аминни) се отделя малка молекула (напр. вода) и веригите нарастват чрез стъпки. Примери: полиамиди (найлон), полиестери (PET).
• Отваряне на пръстен (ring-opening) — полимеризация на циклични мономери (напр. лактони, лактами) чрез отваряне на пръстена и образуване на дълги вериги.

Класификация на полимерите

• По произход: естествени (целулоза, протеини, полизахариди) и синтетични (полиестер, полиолефини).
• По структура: линейни, разклонени, силно омрежени (термореактивни).
• По термодинамично поведение: термопласти (може да се топи и формира многократно) и термореактивни (омрежени, не се разтапят без разграждане).
• По предназначение: конструкционни материали, влакна, еластомери, биополимери, оптични и електрически материали и др.

Основни свойства и как се определят

• Молекулна маса и разпределение — определят механични свойства и вискозитет; измерват се чрез GPC/SEC.
• Стъклов преход (Tg) и температура на топене (Tm) — дават информация за използваемия температурен диапазон; измерват се с DSC.
• Кристалност — влияе върху твърдостта, еластичността и бариерните свойства; анализ чрез XRD или DSC.
• Термична стабилност — оценява се с TGA.
• Химичен състав — идентифицира се чрез FTIR и NMR спектроскопия.

Методи за синтез и примери

• Свободнорадикална полимеризация: широко използвана за полистирен, поли(мет)акрилати.
• Каталитична полимеризация (Ziegler–Natta, металоценни катализатори): производство на полиетилен (PE) и полипропилен (PP) с контролирани структури.
• Кондензационни реакции: производство на полиамиди (найлон-6,6) и полиестери (PET).
• Примери на често срещани полимери: полиетилен (PE), полипропилен (PP), полистирен (PS), поливинилхлорид (PVC), политетрафлуороетилен (PTFE), полиетилен терафталат (PET), полиамида (PA, найлон), каучук (натурален и синтетичен), целулоза, ДНК и протеини.

Приложения

• Опаковки и бутилки (PE, PET)
• Автомобилни части и строителство (PVC, PP, стъкло- или въглеродно-армировни полимери)
• Влакна и текстил (найлон, полиестер)
• Медицински приложения (биосъвместими и биоразградими полимери за импланти, носители за лекарства)
• Електроника и оптика (полимери с специфични диелектрични или оптични свойства)

Екология и рециклиране

Полимерите имат значително икономическо значение, но и голямо въздействие върху околната среда. Някои важни аспекти:

• Рециклиране — механично (смятане, преработка) и химично (разграждане до мономери или други химикали) рециклиране се използват за намаляване на отпадъците.
• Биоразградими полимери — разработват се за приложения, където е желателно материалът да се разгражда в природата (напр. PLA).
• Замърсяване с микропластмаси — разграждането на някои пластмаси води до образуване на микрочастици, които натрупват в екосистемите.

Кратко обобщение

Полимерите представляват голяма и разнообразна група молекули, чиито свойства и приложения зависят от вида на мономерите, начина на полимеризация и структурата на веригата. Те включват както естествени биомолекули (като протеини и ДНК), така и изкуствени материали (пластмаси, синтетични влакна), които играят ключова роля в съвременната индустрия, медицината и ежедневието, но изискват и устойчиво управление за намаляване на екологичния отпечатък.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява полимерът?

В: Какво означава думата "полимер"?

Въпрос: Как се образуват полимерите?

В: Има ли естествени полимери?

В: Има ли полимери, създадени от човека?

В: Каква е разликата между хомополимер и съполимер?

Въпрос: Как големите въглеводородни молекули се превръщат в по-малки ?

Търсене по буква