Wstęp na temat polimerów:

Polimery to związki chemiczne, wielkocząsteczkowe, które składają się z bardzo dużej ilości wielokrotnie powtórzonych jednostek, które nazywa się merami. Kolejne mery połączone są ze sobą za pomocą wiązań kowalencyjnych. Mogą one występować w cząsteczkach polimerów w postaci regularnie ułożonych ugrupowań lub też nieregularnie. Wyróżnia się dwa rodzaje polimerów: polimery syntetyczne i polimery naturalne. Polimery syntetyczne służą m.in. do wytwarzania tworzyw sztucznych, farb, lakierów, klejów i innych środków przemysłowych. Z kolei polimery naturalne stanowią podstawowy składnik budulcowy organizmów żywych. Zalicza się do nich m.in. białka, polisacharydy oraz kwasy nukleinowe.

Polimery zalicza się do grupy związków organicznych. Pierwiastkami budującymi polimery są głównie: węgiel, wodór oraz inne w większości niemetaliczne pierwiastki.

Współcześnie polimery są wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki, techniki. Przedmioty wykonane z tworzyw sztucznych, których głównym składnikiem są polimery napotykamy również w życiu codziennym. Odgrywają dużą rolę w medycynie (drobny sprzęt typy strzykawki, cewniki) oraz ochronie środowiska (wykonuje się z nich membrany do ultrafiltracji).

Polimery syntetyczne są dzisiaj chętnie wykorzystywanym materiałem konstrukcyjnym. Charakteryzują się dość wysoką wytrzymałością mechaniczną, przy jednoczesnej lekkości. Z tego względu stanowią idealny materiał w nowoczesnym budownictwie. Dodatkowo wykazują właściwości elektroizolacyjne oraz nie ulegają korozji, w przeciwieństwie do metali. Z powodzeniem zastępują tradycyjne materiały typu drewno, metal, ceramika. Powstają też nowe tworzywa, nie mające swojego odpowiednika w przyrodzie. Sprawia to, że są coraz szerzej wykorzystywane.

Oprócz najczęściej występujących polimerów organicznych znane są również polimery nieorganiczne. Można do nich zaliczyć m.in. polifosforany i polikrzemiany.

Dla polimerów podaje się tzw. stopień polimeryzacji. Jest to wielkość statystyczna określającą ilość merów przypadających na jedną cząsteczkę.

Często polimery mylone są z oligomerami. Te ostatnie substancje to również związki powstałe przez połączenie pojedynczych jednostek, jednak ich liczba waha się w granicach kilku lub kilkunastu. W przeciwieństwie do polimerów, odłączenie od nich jednego meru spowoduje różnice we właściwościach fizykochemicznych tych związków. Masa cząsteczkowa oligomerów nie jest aż tak duża w porównaniu do mas cząsteczkowych polimerów.

Polimery można podzielić na dwie grupy, w zależności od rodzaju merów budujących cząsteczkę danego polimeru. Zgodnie z tą klasyfikacją wyróżnia się homopolimery i kopolimery. Homopolimerami nazywa się polimery złożone jednakowych merów, czyli monomerów. Natomiast kopolimery zbudowane są więcej niż jednego rodzaju merów.

Istnieje również inny podział polimerów - ze względu na kształt i strukturę tych cząsteczek. Zgodnie z nim wyróżnia się cztery typy polimerów:

- polimery liniowe (inaczej: łańcuchowe) - mery ułożone w długi łańcuch.

- polimery rozgałęzione - występują boczne łańcuchy odgałęziające się od łańcucha głównego.

- polimery usieciowione - ich cząsteczki tworzą sieć przestrzenną. Np. żywice poliestrowe, żywice fenolowo - formaldehydowe.

Procesy łączenia się merów w cząsteczki:

Polimery powstają na skutek łączenia się pojedynczych jednostek, czyli merów w duże, wielkocząsteczkowe zespoły, czyli w wyniku tzw. polireakcji. Istnieje kilka rodzajów reakcji prowadzących do ich utworzenia. Wyróżnia się następujące metody łączenia ze sobą merów:

- polimeryzacja:

Polimeryzacja to podstawowa droga prowadząca do otrzymania polimeru. W jej wyniku można uzyskać zarówno homopolimery (np. polietylen), wtedy proces taki nazywa się homopolimeryzacją, jak i kopolimery (np. elastomery w kauczukach otrzymywanych syntetycznie), reakcje tą określa się mianem kopolimeryzacji.

Proces polimeryzacji prowadzi do utworzenia zazwyczaj łańcucha polimerowego, lecz nie towarzyszy temu wydzielanie produktów ubocznych. Szczególnie chętnie polimeryzacji ulegają związki chemiczne, których cząsteczki zawierają wiązania nienasycone. Przykładem takiego procesu jest polimeryzacja etenu, prowadząca do otrzymania polietylenu.

n CH2 = CH2 → (-CH2-CH2-) n

Reakcja ta zachodzi dzięki rozerwaniu wiązań wielokrotnych, w przypadku etenu - wiązania podwójnego. Na końcach takiego łańcuch dołączają się dowolne rodniki lub wolne atomy. Mogą nimi być np. atomy wodoru powstałe z etenu.

- polikondensacja:

Polikondensacja to proces przebiegający stopniowo. W jej wyniku uzyskuje się polimer, jednocześnie wydziela się produkt uboczny, zazwyczaj niskocząsteczkowy. Polikondensacji ulegają związki chemiczne, których cząsteczki zawierają jedynie wiązania nasycone. Przykładem takiej reakcji może być polikondensacja fenolu, prowadząca do otrzymania bakelitu.

- Poliaddycja:

Poliaddycja, podobnie jak polikondensacja to proces zachodzący stopniowo, jednak nie towarzyszy mu wydzielanie niskocząsteczkowego produktu ubocznego. Podczas łączenie merów - cząsteczek zawierających wiązanie nienasycone, często następuje przesunięcie ruchliwego atomu wodoru, prowadzące do przegrupowania wewnątrz cząsteczek monomerów. Przykładem reakcji poliaddycji jest synteza poliuretanów, które powstają m.in. z dioli i diizocyjanianów.

Polireakcje mogą zachodzić w różnorodnych warunkach. Jedne wymagają wysokich temperatur, inne przebiegają w warunkach wysokiego ciśnienia. W niektórych reakcjach tworzenia polimerów potrzeba zastosować katalizator.

Polimery syntetyczne i tworzywa sztuczne:

Tworzywa sztuczne do materiały, których głównym składnikiem są polimery - syntetyczne, choć wykorzystuje się również polimery naturalne. We współczesnym świecie odgrywają ogromna rolę. Stosuje się je w następujących dziedzinach:

- w budownictwie, jako elementy konstrukcyjne i wykończeniowe.

- w elektrotechnice i elektronice.

- urządzeni gospodarstwa domowego, m.in. jako obudowy sprzętów.

- w medycynie do wytwarzania drobnego sprzętu np. strzykawek, drenów itp.

- produkuje się z nich opakowania.

- i inne

Ze względu na własności elastyczne, a co za tym idzie i zastosowanie tworzyw sztucznych można ja podzielić na kilka grup, o odmiennych właściwościach. Według klasycznego podziału Fishera wyróżnia się dwa rodzaje:

- plastomery łatwo ulęgają topieniu; ich współczynnik sprężystości wzdłużnej wynosi ok. 1000-1500 MPa. Z tego względu są używane do produkcji przedmiotów o skomplikowanych kształtach, gdyż łatwo można z nich odlewać dowolne formy. W życiu codziennym można je spotkać jako obudowy sprzętu elektronicznego.

- elastomery to tworzywa o dużej plastyczności i zdolności do rozciągania (współczynnik sprężystości wzdłużnej dla nich wynosi ok. 1-6 MPa). Łatwo zmieniają swój kształt, właściwościami przypominają kauczuk, przez co często go zastępują.

Tworzywa sztuczne można również podzielić ze względu na ich właściwości termiczne. Zgodnie z ta klasyfikacja wyróżnia się:

- tworzywa termoplastyczne, czyli tworzywa, które pod wpływem wysokiej temperatury łatwo topią się.

- tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne , czyli tworzywa które pod działanie czynników chemicznych lub termicznych stają się nietopliwe i nierozpuszczalne. Tworzywa te określa się jedną nazwą - duroplasty.

Charakterystyka wybranych polimerów wykorzystywanych do produkcji tworzyw sztucznych:

Polietylen:

Wzór: [-CH2-CH2-]n

Polietylen to polimer, który otrzymuje się w wyniku polimeryzacji etenu. Stanowi białe, sproszkowane lub zgranulowane ciało stałe. Po raz pierwszy odkryto go w roku 1937. Szybko znalazł zastosowanie w technice. Stanowi główny składnik tworzywa sztucznego o tej samej nazwie.

Do właściwości fizycznych polietylenu należy zaliczyć: własności dielektryczne, zwartość tworzywa oraz łatwości do zarysowywania jego powierzchni. Jak większość polimerów, polietylen wykazuje odporność na działanie czynników chemicznych. Nie reaguje z kwasami, wodorotlenkami, solami oraz w przeważającej większości ze związkami organicznymi. Pod działaniem węglowodorów łańcuchowych, aromatycznych, a także chlorowcopochodnych węglowodorowych, może ulec zniszczeniu. Substancje te sprawiają, że polietylen pęcznieje i traci swoje właściwości. Nie ulega zniszczeniu w niskich temperaturach, aż do 50 ºC.

Polietylen znajduje szerokie zastosowanie. Wyroby z niego otaczają nas w życiu codziennym. Stanowi substrat do produkcji rur, kabli, folii, węzy, opakowań oraz wielu innych przedmiotów. Często wytwarza się z niego pojemniki do przechowywania żywności. Wyjątek stanowią jedynie artykuły oparte na tłuszczach zwierzęcych, które nie nadają się do tych celów. Ponadto polietylen używa się do wytwarzania zabawek, nart, żagli, lin, a także w technice do produkcji urządzeń elektrycznych oraz aparatur chemicznych. Materiały wykonane z użyciem włókien polietylenowych zalicza się do jednych z najodporniejszych pod względem mechanicznym. W Polsce można się spotkać z dwiema nazwami handlowymi tego tworzywa: politen i petrolen. Obydwa typy polietylenu są wytwarzane w warunkach wysokiego ciśnienia.

Polichlorek winylu (PVC):

Wzór: [-CH2-CHCl-]n

Polichlorek winylu, w skrócie nazywany PVC - od pierwszych liter angielskiej nazwy tego związku, powstaje w procesie polimeryzacji chloroetenu. Reakcja tą prowadzi się w podwyższonej temperaturze oraz przy wysokim ciśnieniu. W efekcie uzyskuje się ciało stałe, występujące w postaci białego proszku. Jego gęstość wynosi ok. 1,4 g/cm3. Tworzywo powstałe z tego polimery jest twarde i charakteryzuje się wysoką wytrzymałością mechaniczną. Ponadto wykazuje właściwości dielektryczne. Nie ulega zniszczeniu pod wpływem większości rozpuszczalników, wyjątek stanowią jedynie pirydyna, cykloheksanon, dwusiarczek węgla. Pod wpływem tych substancji ulega pęcznieniu, podobnie jak polietylen, lub rozpuszcza się. Jego wadą jest niska odporność na promieniowanie świetlne oraz działanie temperatury.

Wyróżnia się dwa rodzaje polichlorku winylu: miękki i twardy. Miękki polichlorek winylu znany jest pod nazwami handlowymi jako polwinit i igelit. Znajduje on zastosowanie przy oczyszczaniu wody oraz innych substancji - wytwarza się niego membrany do ultrafiltracji. Ponadto wykonuje się z niego wykładziny podłogowe i tapicerskie, a także sztuczne skóry.

Z kolei twardy polichlorek winylu wykorzystuje się do produkcji płytek podłogowych, tworzyw elektroizolacyjnych, materiałów budowlanych i konstrukcyjnych. Kiedyś stanowiły surowiec do wytwarzania płyt gramofonowych.

Poliamidy:

Poliamidy na nazwa dotycząca grupy związków chemicznych, wielkocząsteczkowych, w których obecne są ugrupowania amidowe. Powstają w wyniku polireakcji merów, które zawierają w swoich cząsteczkach grupy atomów zdolnych do utworzenia wiązania amidowego.

Tworzą ciała o budowie krystalicznej, zdolne do pochłaniania niewielkich ilości wody. Ich cechami charakterystycznymi są: twardość, sprężystość oraz odporność na działanie sił tarcia. Na skalę przemysłową uzyskuje się poliamidy w procesach przeróbki związków chemicznych, zawartych w gazie ziemnym lub ropie naftowej. Tworzywa te wytwarza się na szeroką skalę, gdyż są wykorzystywane w wielu dziedzinach techniki. Wytwarza się z nich przedmioty, które są wyjątkowo mało łamliwe i wytrzymałe. W przeciwieństwie do wyżej wymienionych tworzyw sztucznych, ulegają one zniszczeniu pod działaniem takich czynników chemicznych, jak: kwasy, stężone zasady oraz substancje o działaniu utleniającym.

Z poliamidów produkuje się włókna tekstylne (nylon i poliamid), nici chirurgiczne, szczotki, folie. Są stosowane również w technice do pokrywania metali oraz przy konstrukcjach wodociągowych.

Polimetakrylan metylu:

Polimetakrylan metylu to polimer charakteryzujący się dość wysoka odpornością na działanie ultrafioletu oraz warunków atmosferycznych. Dzięki temu produkt wykonany z tego materiału nie ulega żółknięciu. Niestety, nie wykazuje odporności na wysoką temperaturę, ulega zniszczeniu już w temperaturze powyżej 70 ºC. Jest ciałem stałym, przezroczystym, o transparentnym zabarwieniu: białym, niebieskim lub brązowym.

To materiał wyjątkowo łatwo poddający się kształtowaniu. Z tego względu znalazł szerokie zastosowanie. Wykorzystuje się go w przemyśle budowlanym i konstrukcyjnym jako tzw. pleksy. Ponadto używa się go wyrobu osłon, pokryw, reflektorów oraz wyrobów znanych z życia codziennego: protez dentystycznych, antyram, tablic, biżuterii, wyświetlaczy, jak również przeszklenia typu kabin prysznicowych, czy drzwi i okien. Tworzywa te spotyka się pod nazwami handlowymi jako pleksiglas lub metapleks.

Naturalne polimery:

Powyżej przedstawiona została charakterystyka polimerów otrzymywanych sztucznie i wykorzystywanych współcześnie do wyrobów różnorakich materiałów. Jednak oprócz polimerów syntetycznych istnieje jeszcze duża grupa związków polimerycznych występujących w przyrodzie naturalnie. Stanowią one substancje wytwarzane przez organizmy żywe lub też są ich składnikami budulcowymi.

Charakterystyka wybranych polimerów występujących w przyrodzie naturalnie:

Celuloza:

Celuloza, nazywana inaczej błonnikiem to polisacharyd - cukier zbudowany z wielu (powyżej 1000) pierścieni glukozy. Pojedyncze jednostki glukozowe są połączone wiązaniami β-glikozydowymi i tworzą długi, nie rozgałęziony łańcuch polimeru. Celuloza jest białą masą o strukturze włóknistej, nierozpuszczalną w wodzie. Jest odporna na działanie większości czynników chemicznych. Naturalnie występuje w tkankach roślinnych, spełniając funkcję budulcowe. Otrzymuje się ją m.in. z włókien drewna, bawełny, słomy, konopi, lnu lub juty poprzez oddzielenie od innych składników. Wykonuje się to działając na nie np. tlenkiem siarki (IV) i wodorosiarczanem (IV) wapnia. Celulozę wykorzystuje się w przemyśle do produkcji m.in. papieru, tkanin oraz tworzyw sztucznych. Stanowi również bazę do wytwarzania farb, lakierów, klejów, bawełny strzelniczej i fibry. Jest stosowana w kosmetyce do zagęszczania kremów i innych wyrobów oraz w farmaceutyce do powlekania kapsułek i tabletek.

Skrobia:

Skrobia jest często potocznie nazywana krochmalem. Podobnie jak celuloza, także skrobia to polisacharyd. Zbudowana jest z wielu, powyżej 300, pierścieni glukozowych, które są połączone wiązaniami α-glikozydowymi. Skrobia składa się dwóch rodzajów łańcuchów polimerów: amylozy i amylopektyny. Stanowi biały, amorficzny proszek, który nie rozpuszcza się w zimnej wodzie oraz rozpuszczalnikach organicznych. Naturalną funkcją skrobi jest magazynowanie glukozy, stanowi materiał zapasowy roślin. Występuje w ziarnach zbóż, bulwach (np. ziemniak, batat, maniok), owocach, a także w łodygach i pniach roślin drzewiastych (np. sagowiec). Jest wykorzystywany w przemyśle spożywczym, do otrzymywania cukru, w przemyśle kosmetycznym, włókienniczym i farmaceutycznym. Ponadto stanowi substrat w produkcji klejów.