Proces polimeryzacji

Reakcja polimeryzacji

Reakcja polimeryzacji to reakcja cząstek zwanych monomerami. W wyniku tej reakcji chemicznej powstają związki zwane polimerami. Już w pierwszej połowie XX wieku proces polimeryzacji był wykorzystywany w przemyśle. Proces polimeryzacji uzależniony jest od panującego ciśnienia, temperatury, ilości oraz rodzaju stosowanego inicjatora i  katalizatora.

Proces polimeryzacji możemy podzielić na: polimeryzację addycyjną oraz polimeryzację kondensacyjną, czyli polikondensację. W czasie zachodzenia polimeryzacji addycyjnej następuje łączenie się monomerów. Reakcja przebiega w sposób łańcuchowy. Nie wydzielają się żadne małocząsteczkowe produkty uboczne.

Proces polimeryzacji możemy podzielić także ze względu na mechanizm zachodzącej reakcji polimeryzacji. Wyróżniamy:

- polimeryzację rodnikową;

- jonową (anionową oraz kationową);

- koordynacyjną.

Ze względów na rodzaj zastosowanej metody technologicznej mamy do czynienia z:

A) Polimeryzacją blokową, czyli polimeryzacją w masie. Zachodzi w wyniku ogrzewania monomeru w stałej fazie, ewentualnie w fazie gazowej lub ciekłej z odpowiednia ilością inicjatora lub katalizatora w odpowiednich reaktorach chemicznych. Końcowym produktem tego typu polimeryzacji jest polimer w stanie stałym (blok, pręt lub taśma) charakteryzujący się znaczną czystością oraz dużą masą cząsteczkową. Proces polimeryzacji prowadzony jest w sposób periodyczny lub ciągły.

B) Polimeryzacją w roztworze. Rozpuszczalnik jest środowiskiem zachodzącego procesu polimeryzacji. W nim rozpuszczone są reagenty. Proces polimeryzacji prowadzony jest wysokiej temperaturze. Końcowym produktem jest polimer charakteryzujący się nieznaczną polidyspersyjnością oraz małą masą cząsteczkowa, jeżeli weźmiemy pod uwagę polimer otrzymany w wyniku procesy polimeryzacji blokowej. Proces polimeryzacji w roztworze  prowadzony jest sposobem półciągłym lub periodycznym.

C) Polimeryzacją emulsyjną. Przed procesem polimeryzacji monomer musi ulec zdyspergowaniu w roztworze wodnym emulgatora (środka powierzchniowo czynnego). Dobrymi inicjatorami wykorzystywanymi w procesie polimeryzacji emulsyjnej są następujące związki chemiczne: wodoronadtlenek kumenu, nadtlenek wodoru, nadsiarczany oraz układy redoksowe. Aby proces zaszedł do środowiska reakcyjnego dodawane są odpowiednie związki pomocnicze. Ich zadaniem jest regulacja wartości pH, które panuje w środowisku reakcyjnym. Odpowiadają także za napięcie powierzchniowe. Proces polimeryzacji emulsyjnej prowadzony jest sposobem periodycznym lub półciągłym. Końcowym produktem jest lateks- wodna zawiesina substancji polimerycznej.

D) Polimeryzacją w zawiesinie, czyli polimeryzację perełkową, suspensyjną. Stosowany w tej metodzie inicjator polimeryzacji rozpuszcza się w kropli monomeru, który jest zdyspergowany w roztworze koloidów pochodzenia organicznego, takich jak poli(alkohol winylowy) lub zawiesin soli pochodzenia nieorganicznego, takich jak fosforan wapniowy. Koloidy te działają stabilizująco. Proces polimeryzacji w zawiesinie prowadzony jest sposobem periodycznym. Końcowym produktem jest polimer, który ma postać malutkich, gładkich, ewentualnie porowatych perełek.

E) Polimeryzacją w fazie gazowej. Substancjami monomerycznymi są gazy charakteryzujące się niską temperaturą krytyczną. Polimeryzacja zachodzi w adiabatycznych rurowych reaktorach, ewentualnie lub autoklawach przy zwiększonym ciśnieniu.

Charakterystyka pojęć

Monomer jest substratem, substancją, z której wytwarzany jest polimer.

Polimer to związek składający się z mniejszych elementów, które powtarzają się co pewien czas (grupy atomów, mery). Występują polimery naturalne, takie jak: białka, kauczuk, celuloza oraz polimery syntetyczne, takie jak: nylon, teflon.

Biorąc pod uwagę budowę strukturalną oraz warunki przetwarzania wyróżniamy polimery łańcuchowe, które ulegają topnieniu w podwyższonej temperaturze oraz są rozpuszczalne w określonych rozpuszczalnikach (termoplasty), termo- i chemoutwardzalne (duroplasty), które w wyniku podwyższonej temperatury lub odczynników chemicznych mogą ulec usieciowaniu i w wyniku tego procesu są tworzywami nietopliwymi oraz nierozpuszczalnymi.

Polimer addycyjny, czyli poliaddukt, to produkt poliaddycji, polimer kondensacyjny, czyli polikondensat, to produkt polikondensacji.

Polimery ataktyczne charakteryzują się nieregularną strukturą. W polimerach stereoregularnych izotaktycznych podstawniki rozmieszczone są w tej samej płaszczyźnie łańcucha.

Polimery syndiotaktyczne stereoregularne charakteryzują się posiadaniem podstawników rozmieszczonych regularnie.

Polimery są wykorzystywane do produkcji:

- przedmiotów codziennego użytku;

- folii przemysłowych;

- obwodów drukowanych;

- wyłączników membranowych;

- materiałów izolacyjnych;

- sprzętu sportowego (deski surfingowe oraz narty);

- sprzętu medycznego (strzykawki);

- mebli ogrodowych;

- uszczelek;

- klejów;

- lakierów;

- statków kosmicznych;

- części samochodowych;

- samolotów;

- płyt kompaktowych.

- wykładzin;

- elementów sprzętu audio-wideo;

- mikrochipów;

- instrumentów optycznych.

Polimery mogą wykorzystywane jako rozpuszczalniki w elektrolitach stałych.

Z substancji polimerycznej ulegającej biodegradacji (polimery homo- oraz kopolimery hydroksymaślanu, kwasu poliasparaginowego oraz hydroksywalerianianu) są wytwarzane opakowania do substancji kosmetycznych, żywice uzdatniających wodę oraz do produkcji detergentów.

Substancja polimeryczna może także być wykorzystywana do reakcji fotochemicznych (jako katalizator). Polielektrolity antenowe są stosowane w procesie degradacji zanieczyszczeń środowiska pochodzenia organicznego (tworzywa sztuczne).

Kopolimeryzacja to proces polimeryzacji mieszaniny dwóch, ewentualnie więcej, monomerów. Na skutek tego procesu  otrzymywane są substancje nazywane kopolimerami. Charakteryzują się różną struktura: mogą być przemienne, blokowe, szczepione lub statystyczne. Własności otrzymanego produktu w wyniku zajścia procesu kopolimeryzacji są uzależnione od typu łączonych merów oraz ich wzajemnych stosunków molowych.

Inicjator polimeryzacji to substancja chemiczna, która służy do zapoczątkowania polimeryzacji. Inicjator polimeryzacji wpływa na mechanizm zachodzącej reakcji, szybkość zachodzącej reakcji oraz cechy charakterystyczne otrzymane produktu. Możemy wyróżnić następujące inicjatory polimeryzacji:

- inicjator procesu polimeryzacji wolnorodnikowej. Są to substancje chemiczne, które łatwo ulegają rozpadowi na wolne rodniki lub reaktywne produkty pośrednie (nadtlenek wodoru, nadtlenek benzoilu, nadsiarczan sodowy oraz związki diazowe);

- inicjator procesu polimeryzacji kationowej, czyli kwasy Lewisa (AlCl3, BF3, SbCl5 oraz TiCl4) wprowadzane z dodatkiem odpowiedniego kokatalizatora, najczęściej jest to woda);

- inicjator procesu polimeryzacji anionowej (wodorki, metale alkaliczne, wodorotlenki, związki metaloorganiczne, amidki);

- inicjator procesu polimeryzacji koordynacyjnej (katalizator Zieglera-Natta).

Ilość wprowadzonego inicjatora powinna stanowić 0,1-2% masy substancji monomerycznej.

Katalizator to substancja wywołująca w środowisku reakcyjnym zmianę szybkości zachodzenia reakcji chemicznej. Katalizator bierze aktywny udział w procesie polimeryzacji, jednakże po zajściu procesu jego ilość nie ulega zmianie. Nie jest brany w czasie uzgadniania sumarycznych równań zachodzących reakcji chemicznych.

Związki zwiększające szybkość zachodzących procesów to katalizatory dodatnie, a związki hamujące szybkość zachodzących procesów to inhibitory (katalizatory ujemne). Katalizatory dodatnie przyspieszając zachodzące procesy obniżają energie aktywacji w wyniku zmiany drogi reakcji.

Dopasowanie odpowiedniego katalizatora do określonej reakcji nie jest zadaniem łatwym. Wymaga dużej ilości badań przeprowadzanych w pracowniach laboratoryjnych. Jako katalizatory w wielu procesach biologicznych są wykorzystywane enzymy (fermenty).

Polikondensacja to reakcja funkcyjnych grup monomerów. W trakcie tego procesu wydziela się pewna ilość substancji (chlorowodór, woda, amoniak) oraz tworzy makrocząsteczka. Wzrastanie nowo powstałej cząsteczki następuje stopniowo. W czasie  homopolikondensacji cząsteczki jednego monomeru wchodzą w reakcję z innymi cząsteczkami tego samego polimeru (polimeryzacja kwasu aminoenantowego). W czasie heteropolikondensacji cząsteczki jednego monomeru wchodzą w reakcję z innymi cząsteczkami innego monomeru ( polimeryzacja diaminy z kwasem dikarboksylowym).

Masa cząsteczkowa to liczba, która określa o ile masa średniego atomu dowolnego pierwiastka (naturalna mieszanina izotopów pierwiastka) ma większą wartość niż masa wzorcowa. Masą wzorcową jest 1/12 masy izotopu 12C (skala węglowa). Dawniej wzorcem była 1/16 masy izotopu 16O (skala tlenowa).

Masa atomowa dla izotopów nazywana jest masą izotopową, ewentualnie nuklidową.

Roztwór to wieloskładnikowy jednofazowy układ charakteryzujący się cząsteczkową dyspersją. Substancja będąca w ilościowej przewadze to rozpuszczalnik, zaś pozostałe składniki to substancje rozpuszczone.

Roztwory ze względu na stan skupienia dzielimy na:

-roztwory gazowe;

- roztwory ciekłe;

- roztwory stałe.

Roztwory ze względu na zachowanie lub odstąpienie od prawa Daltona (gazy) oraz Raoulta (ciecze) dzielimy na:

- roztwory doskonałe;

- roztwory rzeczywiste.

W medycynie występują roztwory tworząc leki w postaci rozpuszczonej (woda, alkohol, eter, gliceryna). Roztwory w dermatologii wykorzystywane są w pędzlowaniu skóry (alkoholowe lub wodne roztwory substancji barwnikowych) oraz do okładów (okład z zastosowaniem roztworu kwasu bornego), czasami w kąpielach leczniczych (nadmanganianu potasu).

Reagent to substancja, która bierze udział w reakcjach chemicznych. Może to być substratem lub produktem.

Substrat to substancja chemiczna będąca reagentem wyjściowym zachodzących reakcji chemicznych.

Produkt to substancja chemiczna, która powstaje na skutek reakcji chemicznych.

Reakcja chemiczna to przemiana substancji chemicznych w zupełnie inne substancje (produkty).

Emulgatory to substancje (związki powierzchniowo czynne), które zwiększają trwałość emulsji i charakteryzują się aktywnością powierzchniową. Stosowane emulgatory: albumina, żelatyna, kazeina, guma arabska oraz lecytyna.

pH to wykładnik aktywności jonów wodorowych, który jest zdefiniowany wzorem pH = -log[H+]. pH możemy zmierzyć przy pomocy półogniwa chinhydronowego, ewentualnie elektrody szklanej.

Napięcie powierzchniowe to napięcie międzyfazowe, które panują na granicy ośrodka gazowego oraz cieczy.

Napięcie międzyfazowe to praca niezbędna do izotermicznego oraz odwracalnego wytworzenia powierzchni jednostkowej rozdziału dwóch niemieszających się faz (cieczy oraz ciała stałego). Napięcie międzyfazowe to iloraz pracy przez powierzchnię. W układzie SI jednostka napięcia międzyfazowego jest N/m lub J/m2. Napięcie międzyfazowe powstaje na skutek różnicy sił oddziaływania międzycząsteczkowego w obu niemieszających się fazach.

Lateks, czyli mleczko kauczukowe to sok mleczny, który uzyskiwany jest z roślin kauczukodajnych. Składa się głównie z wody (około 52-60%), kauczuku (około 34-37%) i pewnej ilości białek, cukrów, żywic oraz soli mineralnych. Lateks otrzymujemy poprzez  odpowiednie nacinanie kauczukodajnych drzew i przez dodanie stabilizatorów, takich jak: amoniak, aby zapobiec procesowi koagulacji. Lateks stosujemy w procesie otrzymywania naturalnego kauczuku i w procesach przemysłowych (branża gumowa- otrzymywanie zabawek, rękawiczek gumowych, wyrobów gąbczastych, zabawek oraz do powlekania tkanin). Oprócz lateksu naturalnego wytwarzany jest także lateks syntetyczny, który jest otrzymywany w procesie uzyskiwania kauczuków syntetycznych (produkt pośredni).

Układy koloidalne, czyli roztwory koloidalne, to układy dyspersyjne składające się z małych cząstek fazy rozproszonej ( cząstki koloidalne).

Roztwory koloidalne, biorąc pod uwagę metodę otrzymywania, dzielimy na:

- układy koloidalne dyspersyjne, w których (rozdrabnianie fazy stałej ma miejsce w generatorach ultradźwiękowych);

- układy koloidalne asocjacyjne (micelarne), ma miejsce łączenie się cząstek w agregaty;

- układy koloidalne cząsteczkowe (eukoloidy), ma miejsce rozpuszczanie związku o dużej masie cząsteczkowej w wodzie (białka).

Roztwory koloidalne, biorąc pod uwagę zachowanie się w rozpuszczalniku, dzielimy na:

- układy koloidalne liofobowe, w których cząsteczki fazy rozproszonej nie mogą ulec solwatacji (zole niektórych metali szlachetnych w rozpuszczalniku, który jest tworzony przez wodę);

- układy koloidalne liofilowe, w których cząsteczki są mocno solwatowane przez cząstki fazy rozpraszającej (zol kauczuku w benzenie).

Podstawowe, charakterystyczne dla tych związków, cechy układów koloidalnych to: wysoka wartość współczynnika dyfuzji cząsteczek koloidalnych, zdolność rozpraszania światła,  podwyższona lepkość, zdolność wykonywania ruchów Brona.

Autoklaw to aparat wykorzystywany do wyjaławiania opatrunków, bielizny operacyjnej, narzędzi chirurgicznych, rękawiczek gumowych, szkła laboratoryjnego, przy wykorzystaniu pary wodnej o temperaturze równej 121-134⁰C oraz pod ciśnieniem równym 1,5-2,5 atmosfer. Aparat ten wykorzystywany jest także do przeprowadzania różnorodnych reakcji chemicznych.