Tabla de Contenidos
Το πολυμερές είναι ένα μακρομόριο, δηλαδή ένα μόριο που αποτελείται από εκατοντάδες ή χιλιάδες άτομα, το οποίο σχηματίζεται από τη διαδοχική ένωση του ίδιου μικρού μορίου. Ο όρος «πολυμερές» προέρχεται από το συνδυασμό του ελληνικού προθέματος poli , που σημαίνει «πολύ», με το επίθημα mer , που σημαίνει «μέρος». Η λέξη επινοήθηκε από τον Σουηδό χημικό Jons Jacob Berzelius το 1833.
Η ανάπτυξη πολυμερών
Τα φυσικά πολυμερή χρησιμοποιούνται από αμνημονεύτων χρόνων, αλλά η ικανότητα σύνθεσης πολυμερών είναι μια πρόσφατη εξέλιξη. Το πρώτο υλικό που αναπτύχθηκε από ένα πολυμερές ήταν η νιτροκυτταρίνη . Η διαδικασία αναπτύχθηκε το 1862 από τον Βρετανό χημικό Alexander Parkes: συνδύασε τη φυσική κυτταρίνη με νιτρικό οξύ και έναν διαλύτη, και με μια επακόλουθη επεξεργασία με καμφορά παρήγαγε celluloid , ένα πολυμερές που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία ταινιών. Η διάλυση της νιτροκυτταρίνης σε αιθέρα και αλκοόλη παράγει κολλίδιο . αυτό το πολυμερές χρησιμοποιήθηκε ως χειρουργικός επίδεσμος.
Ο βουλκανισμός του καουτσούκ ήταν άλλο ένα ορόσημο στην ανάπτυξη των πολυμερών. Ο Γερμανός χημικός Friedrich Ludersdorf και ο Αμερικανός εφευρέτης Nathaniel Hayward διαπίστωσαν ότι η προσθήκη θείου στο φυσικό καουτσούκ βελτίωσε σημαντικά τις ιδιότητές του. Η διαδικασία βουλκανισμού του καουτσούκ με την προσθήκη θείου και την εφαρμογή θερμότητας περιγράφηκε από τον Βρετανό μηχανικό Thomas Hancock το 1843 και τον Αμερικανό χημικό Charles Goodyear το 1844.
Το 1926 ο Hermann Staudinger εξήγησε τη χημική δομή αυτών των υλικών και πρότεινε τη δομή του πολυστυρενίου και του πολυοξυμεθυλενίου , που ισχύει ακόμα και σήμερα. Το μοντέλο του απέδειξε ότι δημιουργήθηκαν μακριές αλυσίδες ατόμων που σχηματίστηκαν από την επαναλαμβανόμενη ένωση μέσω ομοιοπολικών δεσμών ενός μικρού μορίου. Ο Hermann Staudinger τιμήθηκε με το Νόμπελ Χημείας το 1953 για το έργο του.
Πώς σχηματίζονται τα πολυμερή;
Ο σχηματισμός ενός πολυμερούς, δηλαδή ο πολυμερισμός, είναι μια χημική αντίδραση κατά την οποία δημιουργούνται δύο δεσμοί σε ένα μικρό μόριο, γενικά ομοιοπολικοί δεσμοί, στους οποίους ενώνονται άλλες μονάδες του ίδιου μορίου. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές σχηματίζοντας μια μακριά αλυσίδα ατόμων. Το μόριο που συνθέτει το πολυμερές ονομάζεται μονομερές .
Ας δούμε ένα παράδειγμα: το πολυαιθυλένιο, ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο πλαστικό που είναι το απλούστερο πολυμερές.
Το μονομερές του πολυαιθυλενίου είναι το αιθυλένιο, ένα απλό οργανικό μόριο που έχει δύο άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με διπλό δεσμό μαζί με δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα σε κάθε άτομο άνθρακα, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Οι δεσμοί άνθρακα είναι ομοιοπολικοί. Εάν ο διπλός δεσμός σπάσει, καθένα από τα άτομα άνθρακα έχει διαθέσιμο ομοιοπολικό δεσμό για να ενώσει άλλα άτομα που αποτελούν τη δομική μονάδα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Η επαναλαμβανόμενη ένωση αυτής της δομικής μονάδας δημιουργεί ένα μακρύ γραμμικό μόριο, χωρίς διακλαδώσεις: πολυαιθυλένιο (βλ. παρακάτω σχήμα).
Ένα άλλο παράδειγμα είναι η λήψη πολυστυρενίου, ενός πολυμερούς με πολλαπλές εφαρμογές. Το μονομερές του πολυστυρενίου είναι το στυρένιο, ένα μόριο που έχει έναν δακτύλιο βενζολίου συνδεδεμένο με δύο άτομα άνθρακα με διπλό δεσμό. Όπως και στην περίπτωση του πολυαιθυλενίου, το σπάσιμο του διπλού δεσμού δημιουργεί τη δομική μονάδα που, όταν ενώνεται επανειλημμένα, αποτελεί μια μακριά αλυσίδα που σχηματίζει πολυστυρένιο (βλ. παρακάτω σχήμα).
πολυμερή
Στη φύση υπάρχουν πολλά υλικά και μόρια που παράγονται από ζωντανά όντα που είναι πολυμερή. Πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα, DNA, πολυσακχαρίτες όπως η κυτταρίνη, είναι παραδείγματα φυσικών πολυμερών. Όπως έχουμε ήδη δει, άλλα πολυμερή όπως η νιτροκυτταρίνη και το βουλκανισμένο καουτσούκ είναι τεχνητά πολυμερή που λαμβάνονται από φυσικά πολυμερή. Και τα τεχνητά πολυμερή λαμβάνονται σε εργαστήρια και βιομηχανικά μέσω χημικών αντιδράσεων. Το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC), το πολυαιθυλένιο, το πολυστυρόλιο, το νεοπρένιο και το νάιλον είναι μερικά παραδείγματα του τεράστιου φάσματος των τεχνητών πολυμερών που χρησιμοποιούνται σε μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών.
Τα τεχνητά πολυμερή ομαδοποιούνται σε δύο κατηγορίες: τα θερμοπλαστικά πολυμερή και τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή . Τα πολυμερή μπορούν να ληφθούν μέσω χημικής αντίδρασης ή από μείγμα στερεών ουσιών ή από διάλυμα στο οποίο ο πολυμερισμός προκαλείται με θερμότητα ή με εφαρμογή ακτινοβολίας γάμμα, σε μια αντίδραση που είναι μη αναστρέψιμη.
- Μόλις ολοκληρωθεί η αντίδραση, τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή τείνουν να είναι άκαμπτα και να αποικοδομούνται ή να αποσυντίθενται χωρίς να μαλακώνουν όταν θερμαίνονται πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία. Οι εποξειδικές ρητίνες, ο πολυεστέρας, οι ακρυλικές ρητίνες και η πολυουρεθάνη είναι θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή, όπως ο Βακελίτης, το Kevlar και το βουλκανισμένο καουτσούκ.
- Τα θερμοπλαστικά πολυμερή, σε αντίθεση με τα θερμοσκληρυνόμενα, είναι εύκαμπτα και μαλακώνουν και λιώνουν πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία, η οποία τους επιτρέπει να καλουπωθούν. Μερικά παραδείγματα θερμοπλαστικών πολυμερών είναι το νάιλον, το τεφλόν, το πολυαιθυλένιο και το πολυπροπυλένιο.
Μία από τις εφαρμογές των τεχνητών πολυμερών είναι η κατασκευή ινών με τις οποίες κατασκευάζονται τα υφάσματα. Αυτά τα πολυμερή πρέπει να έχουν υψηλή ελαστικότητα για να επιτρέπεται ο χειρισμός τους στις διαδικασίες παραγωγής και στην τελική τους χρήση και χαμηλή εκτασιμότητα για να διατηρούν τις διαστάσεις τους. Μια άλλη εφαρμογή των πολυμερών είναι στις κόλλες. Σε αυτή την περίπτωση, ο πολυμερισμός πρέπει να συμβεί κατά την εφαρμογή του προϊόντος, για παράδειγμα μέσω χημικής αντίδρασης με υδρατμούς στον αέρα ή στα μέρη όπου εφαρμόζεται η κόλλα, όπως συμβαίνει με τα κυανοακρυλικά που χρησιμοποιούνται σε οικιακές, βιομηχανικές εφαρμογές και εφαρμογές κλεισίματος πληγών . Τα ελαστομερή είναι μια άλλη ευρεία εφαρμογή των πολυμερών. Πρόκειται για υλικά που παραμορφώνονται όταν ασκείται δύναμη.
Επιστρώσεις, χρώματα, εξαρτήματα και εξαρτήματα που συνθέτουν μηχανισμούς και κατασκευές, διάφορα δομικά υλικά, ηλεκτρικοί και θερμικοί μονωτές, είναι μερικές από την τεράστια ποικιλία εφαρμογών πολυμερών.
Πηγές
JR Wunsch. Πολυστυρένιο-Σύνθεση, Παραγωγή και Εφαρμογές . iSmithers Rapra Publishing, 2020.
Εγχειρίδιο τεχνολογίας Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato, Nick R. Schott Plastics. κατασκευή, σύνθετα υλικά, εργαλεία, βοηθητικά . Momentum Press, 2012.
Πολυμερές: Περιγραφή, Παραδείγματα και Τύποι . Εγκυκλοπαίδεια Britannica , 2020.
William B. Jensen The Origin of the Polymer Concept . Journal of Chemical Education 85 (5): 624, 2008.
