polymer

Polymery (příklady)
Opakující se jednotku polymeru polypropylenu .
Celulóza je polymer a nejdůležitější strukturální prvek v rostlinách.

Polymer [ polimeːɐ̯ ] (od starořecké πολύ , poly ‚e‘ a μέρος , Meros ‚část‘) je chemická látka , která se skládá z makromolekul . Makromolekuly těchto látek jsou tvořeny jednou nebo více strukturními jednotkami, takzvanými konstitučními opakujícími se jednotkami nebo opakujícími se jednotkami. Adjektivum polymer podle toho znamená „skládá se z mnoha (stejných) částí“. V mnoha případech, polymer se skládá z nestejných makromolekul, protože počet opakujících se jednotek a tím i molekulová hmotnost se molekul liší. Syntetické nebo polosyntetické polymery jsou hlavní součástí výroby plastů . Polymery produkované živými bytostmi se nazývají biopolymery a mají zásadní význam pro život.

Klasifikace

Polymery lze rozdělit na přírodní a syntetické polymery.

• Přírodní polymery ( biopolymery ) jsou syntetizovány v živých organismech a tvoří základní stavební kameny organismů. Mezi tyto polymery patří bílkoviny ; tvoří například vlasy a hedvábí . Tyto polysacharidy patří celulóza , škrob, a chitin . Nukleové kyseliny plní mnoho biologických funkcí, jako je deoxyribonukleová kyselina jako genetický materiál.
• Syntetické polymery jsou látky vyráběné průmyslově nebo v laboratorním měřítku polyreakcemi , včetně polyethylenu , polystyrenu a polyvinylchloridu . Chemicky modifikované polymery jsou výsledkem dalšího zpracování biopolymerů, například nitrocelulózy , celuloidu nebo škrobových derivátů.

Polymery lze klasifikovat podle počtu základních materiálů ( monomerů ), ze kterých jsou vyrobeny.

• Homopolymery se skládají pouze z jednoho typu monomeru, jako je polyethylen , polypropylen , polyvinylchlorid nebo polykaprolaktam . Přírodní homopolymer je přírodní kaučuk jako polyisopren .
• Kopolymery se skládají z různých monomerů, jako je kopolymer akrylonitril-butadien-styren (ABS), styren-akrylonitril (SAN) nebo butylový kaučuk . Většina biopolymerů jsou kopolymery.
• Polymerní směsi se vytvářejí smícháním různých homopolymerů a / nebo kopolymerů. Obvykle se vyrábějí intenzivním mechanickým mícháním roztavených polymerů, což má za následek homogenní materiál. Speciální formou směsi je polymerní slitina .

Kromě toho mohou být organické z různých anorganických polymerů. Na rozdíl od organických polymerů anorganické polymery neobsahují v hlavním řetězci polymeru žádné atomy uhlíku . Anorganické polymery zahrnují polysiloxany , polyfosfazeny nebo polysilazany . Zatímco brýle se nepočítají mezi polymery, ve většině chemických učebnic, brýle a v některých případech také keramiky a čedičových jsou považovány anorganické polymery v jiných učebnicích a v textilní technologie .

Syntetické polymery

Polymerní chemie

Tvorba polymerů z jednotlivých monomerů probíhá prostřednictvím různých typů polyreakcí , jako jsou řetězové polymerace , polykondenzace nebo polyadice .

Struktura polymerů

Makromolekuly, které se tvoří během syntézy, mají různé základní struktury, které určují fyzikální vlastnosti polymeru. Mohou se tvořit lineární makromolekuly, které se skládají pouze z jednoho polymerního řetězce ( hlavního řetězce ). V případě polyethylenu je hlavním řetězcem n -alkan s dlouhým řetězcem . Podle reakčních podmínek se tvoří také rozvětvené makromolekuly s hlavním řetězcem a postranními řetězci , v případě polyethylenu by to byly alkylové radikály . Kromě délky řetězce určuje stupeň rozvětvení také hustotu, pevnost a teplotu tání polymeru. Polymery s vysokým rozvětvením jsou amorfní , molekuly v pevné látce spolu navzájem nerušeně interagují. Zejména nerozvětvené makromolekuly tvoří částečně krystalickou strukturu jako pevná látka , která je na obrázku níže označena červeně. Zatímco rozvětvené a nerozvětvené polymery jsou obvykle termoplasty , mnoho elastomerů má mezi „hlavními řetězci“ síť se širokými oky . Uzavřená síť naopak vede k termosetům . Sítě a pobočky jsou na obrázcích zobrazeny jako červené tečky.

lineární makromolekula

rozvětvená makromolekula

semikrystalická struktura lineárních polymerů

zesíťovaný polymer se širokými oky

zesíťovaný polymer s úzkými oky

Polymery, které jsou vytvořeny pouze z jednoho (skutečného nebo imaginárního) typu monomeru, se nazývají homopolymery . Polymery vyrobené ze dvou nebo více různých typů monomerů jsou kopolymery . Polymery, jako je polyethylentereftalát , které jsou nutně vyrobeny ze dvou různých monomerů, jsou obvykle považovány za homopolymery, protože současně může vzniknout pouze jedna charakteristická opakující se jednotka.

Homo- a kopolymery (příklady)
Homopolymerní polystyren : konstituční opakující se jednotka, která se opakuje nkrát v makromolekule.	Homopolymer poly (dimethylsiloxan) , silikon . Hlavní řetězec se skládá z křemíku a atomy kyslíku.	Kopolymer styren-butadien-kaučuk : Monomery styren a 1,3-butadien tvoří dvě konstituční opakující se jednotky , které se mohou střídat v libovolném pořadí v makromolekule, jak je znázorněno na obrázku.	Polyethylentereftalát má pouze jednu charakteristickou konstituční opakující se jednotku, i když pro syntézu musí být použity dva monomery.

V případě kopolymerů lze sekvenci konstitučních opakujících se jednotek řídit syntetickou cestou. Je rozdělen na náhodné a střídavé kopolymery, blokové kopolymery, roubované kopolymery a gradientové kopolymery. Na obrázku níže jsou bipolymery schematicky znázorněny, Ⓐ a Ⓑ symbolizují dvě opakující se jednotky.

Náhodný kopolymer	Gradientový kopolymer	Roubový kopolymer
Střídavý kopolymer	Blokový kopolymer

Opakující se jednotky mohou nést substituenty („zbytky“) a na obrázcích jsou často označeny písmenem R. Pokud jsou monomerní jednotky asymetrické, dochází k taktice uspořádání v makromolekule. Polymery lze rozdělit na ataktické, izotaktické a syndiotaktické polymery. Příkladem taktiky je polystyren se zbytkem fenylové skupiny . Zatímco klasická cesta syntézy vede k ataktickým, amorfním plastům, syndiotaktická syntéza vede ke krystalickému polystyrenu s rostoucím ekonomickým významem.

izotaktický

syndiotaktický

ataktický

V případě polymerů, které jsou nenasycených v hlavním řetězci , cis nebo trans Neudává polymery nastat analogicky k cis - trans izomerie , jako je tomu v případě přírodního kaučuku nebo butadienového kaučuku . Stereospecifické polymerace často vedou k vyšší mechanické pevnosti, vyšší krystalinitě, vyšší hustotě a vyšší tepelné stabilitě.

Řez z polymerního řetězce cis -1,4 -polybutadienu . Jednotka C 4 je označena modře .

Řez z polymerního řetězce trans -1,4 -polybutadienu. Jednotka C 4 je označena modře .

Pevné struktury

Makroskopické fyzikální vlastnosti polymeru jsou úzce spojeny s interakcemi mezi polymerními řetězci.

Statistická koule

Propletení několika molekul s kulovitými substrukturami

• Ataktické polymery, polymery s vysokým stupněm větvení a náhodné kopolymery tvoří v pevném stavu amorfní , sklovité struktury. V tavenině a roztoku mají molekuly s dlouhým řetězcem tendenci tvořit neustále se měnící „statistickou spleť“, viz Gaussův řetězec (model s volným připojením řetězce). V pevném stavu jsou příslušné konformace molekul zmrazeny. Propletení a spletení molekul řetězce mezi sebou vede k „mechanické vazbě“ mezi řetězci. Mezimolekulární a intramolekulární vazby menší valence se vyskytují pouze v místech, kde jsou molekulární segmenty dostatečně blízko sebe. Nepravidelná struktura molekul brání bližšímu uspořádání. Takovým úpravám se někdy říká „struktura špaget“.

Polyethylen: klikatá konformace molekul v těsném řetězci

Lamely s vázacími molekulami

Sférolit

Spirála

p -aramid , tečkovaná červená: vodíkové vazby

• Lineární polymery s pravidelnou strukturou, s málo rozvětvenými a stereoregulárními (izo a syndiotaktickými) polymery mají v pevném stavu částečně krystalickou strukturu. V případě jednoduše strukturovaných polymerů, jako je polyethylen , v idealizovaném pohledu nejsou velké plochy ve formě spleti, ale spíše v cikcakové konformaci. Několik klikatých konformací tvoří husté řetězové obaly, a proto jsou v těchto oblastech krystalické. Takové krystality se nazývají lamely a jsou mnohem tenčí (často kolem 10 nm) než je délka polymerů. Jsou tvořeny více či méně pravidelnými záhyby jednoho nebo více molekulárních řetězců. Mezi lamelami jsou amorfní struktury. Jednotlivé molekuly mohou tvořit propletence mezi lamelami, ale mohou se také podílet na tvorbě dvou (nebo více) lamel (vazebných molekul). Několik lamel tvoří nadstavbu, sférolit , často o průměru v rozmezí od 0,05 do 1 mm.

Typ a uspořádání (funkčních) zbytků opakujících se jednotek ovlivňuje nebo určuje krystalinitu a sílu vazeb sekundárních valencí. U izotaktického polypropylenu tvoří molekuly šroubovici . Stejně jako u cikcak konformace, šroubovice umožňují těsné řetězové balení. Obzvláště silné intermolekulární interakce nastávají, když zbytky opakujících se jednotek umožňují vytvoření vodíkových vazeb , jako je tomu například u p- aramidu . Krystalinita a superstruktura jsou vždy závislé na podmínkách, za kterých vznikají, viz také krystalizace polymerů . Ve srovnání s amorfními strukturami vedou částečně krystalické struktury k vyšší tuhosti, hustotě, teplotě tání a odolnosti polymeru.

• Polymery zesítěné se širokými oky jsou elastomery a stejně jako termoplasty nelze tavit bez rozkladu. Termoplastické elastomery jsou na druhé straně reverzibilně „fyzicky zesítěné“ prostřednictvím sekundárních valencí a lze je roztavit. Jednou variantou jsou blokové kopolymery, ve kterých tvrdý segment polymeru má tendenci krystalizovat, a měkký segment s amorfní strukturou. Tvrdé segmenty zajišťují fyzickou síť se širokými oky.

zesíťovaný polymer se širokými oky

Síťovaný polymer se širokými oky při zatížení v tahu

Krystality jako „síťování“: varianta termoplastického elastomeru

částečně krystalický termoplastický elastomer pod tahovým zatížením

Fyzika polymerů

Klasifikace polymerních materiálů je založena na DIN 7724 na základě teplotního profilu smykového modulu a tahu nastaveného při pokojové teplotě. Je založen na mechanickém chování v rozsahu provozních teplot a na existenci rozsahu tání (rozsah průtoku):

1. Termosety
2. Elastomery
3. Termoplasty
4. Termoplastické elastomery

V polymerní fyzice se člověk zabývá mimo jiné

• Průměrná molární hmotnost , distribuce molární hmotnosti
• Krystalizace a krystalizační kinetika
• Povrchové vlastnosti polymerů
• Reologie , tj. Chování při proudění a viskozita

Tepelně odolné polymery

Teplotní odolnost polymeru závisí na struktuře použitých monomerů, stabilita vazeb mezi monomery a interakcích mezi polymerními řetězci. Vysokého tepelného odporu lze dosáhnout zvýšením entalpie fúze a snížením entropie fúze . V případě amorfních polymerů by teplota skelného přechodu a v případě částečně krystalických polymerů měla být teplota skla a teplota tání co nejvyšší. K dosažení teplotní odolnosti mohou být CH vazby a CC vazby nahrazeny vazbami mezi uhlíkem a heteroatomy, jako je fluor, dusík nebo kyslík, nebo stabilnějšími aromatickými vazbami. Další možností je konstrukce polymerů se dvěma paralelními a propojenými hlavními řetězci (žebříkové polymery).

Vodivé polymery

Předpokladem elektrické vodivosti polymerů je přítomnost konjugovaných pí-elektronových systémů . Takové polymery jsou však zpočátku stále izolátory, v lepším případě polovodiči. Vodivost, srovnatelná s vodivostí kovových, se nastavuje pouze tehdy, jsou -li polymery oxidačně nebo redukčně dotovány . První výzkumy byly provedeny na polyacetylenu , jehož vodivost byla dosažena dopingem pentafluoridem arsenu nebo jódem . Kromě toho se zvyšuje vodivost, jak se zvyšuje krystalinita polymeru. Dalšími příklady vodivých polymerů jsou dopovaný polypyrrol , polyfenylensulfid , polythiofen a organokovové komplexy s makrocyklickými ligandy, jako je ftalocyanin . Oxidačního dopingu se dosáhne pentafluoridem arzenu, chloridem titaničitým , bromem nebo jódem, zatímco redukčního dopingu se dosáhne slitinami sodíku a draslíku nebo benzofenonátem dilithia. Doping vytváří náboje na polymerních řetězcích, které jsou delokalizovány přes řetězce konjugací π. Vysvětlení vodivosti polymerů je však velmi složité. Byly učiněny pokusy k popisu transportu náboje podél polyenové řetězce s soliton koncepcí nebo s modelem bipolaronech ( charge páry drženy dohromady v malém prostoru).

K výrobě polytronických aplikací se používají vodivé, tj. Elektricky aktivní polymery. Na rozdíl od molekulární elektroniky nejsou informace zpracovávány v jednotlivých molekulách, ale v různě dopovaných objemech.

Tyto elektronické aplikace jsou:

• Zobrazuje: OFET , OLED
• RFID tagy
• Solární články
• Senzory a akční členy
• Palivové články
• Lithium polymerové baterie
• Elektrolytické kondenzátory

Další aplikací je zpracování polymerů pomocí elektroniky při elektrostatickém zvlákňování .

Posouzení zdraví

Polymery jsou obecně klasifikovány jako zdravotně nezávadné. Plasty lze proto v zásadě používat v lékařství (např. Jako implantáty ) nebo v potravinářství (jako obaly ). Je však třeba dbát na to, aby ve výrobním procesu byly použity pouze neškodné katalyzátory , aby nezůstaly žádné škodlivé monomery atd.

Supramolekulární polymery

Relativně novou oblastí chemie polymerů obsahující supramolekulární polymery, tedy polymery, ve kterých jsou bloky samy o kovalentními vazbami , ale relativně slabých mezimolekulárních vazeb, jako jsou vodíkové vazby , iontové vazby , kov-ligand interakcí , van der Waalsovy a hydrofobní interakce jsou drženy společně. Tyto mezimolekulární vazby lze snadno zlomit (při zvýšené teplotě), ale také mohou rychle ustoupit (při ochlazení). Kvůli této reverzibilitě jsou supramolekulární polymery novou třídou samoopravných materiálů. Dalším důsledkem slabých mezimolekulárních vazeb je nízká viskozita tavenin supramolekulárních polymerů, což může být výhodné při výrobě a zpracování, ale také v určitých aplikacích, jako je inkoustový tisk.

Zatímco kovalentně vázané polymery hrají v přírodě hlavní roli (DNA, polypeptidy, celulóza), je známo relativně málo přirozeně se vyskytujících supramolekulárních polymerů. Příkladem supramolekulární polymerace v přírodě je vlastní montáž na viru mozaiky tabáku .

Příklady a symboly

• Syntetické polymery:
  • Polyetylen (PE)
  • Polypropylen (PP)
  • Polyvinylchlorid (PVC)
  • Polystyren (PS), lépe známý v pěněném stavu jako Styropor ^® (obchodní název BASF )
  • Polytetrafluorethylen (PTFE), obchodní název je Teflon ^® (E. I. Du Pont de Nemours and Company) nebo Tefal ^®
  • Polymethylmethakrylát (PMMA), pod obchodním názvem Plexiglas ^® ( Evonik Industries AG )
  • Polyakrylonitril (PAN), jako kopolymer s polymethylmethakrylátem pro výrobu textilních vláken
  • Polyakrylamid (PAA) jako gel (bývalý), flokulant a další.
  • skupina polyamidů , jako PA66 pod obchodním názvem Nylon ^® , jako PA6 pod obchodním názvem Perlon ^® nebo jako PA12G pod obchodním názvem Lauramid ^®
  • skupina aramidů (polyaramidy, aromatické polyamidy), včetně textilních vláken poly ( p -fenylentereftalamid) (PPTA, obchodní názvy: Kevlar ^® , Twaron ^® ) a poly ( m -fenylen tereftalamid) (PMPI, obchodní názvy: Nomex ^® , Teijinconex ^® )
  • Polyketony, jako jsou polyetherketony (PEK)
  • Polyester , také patří do této skupiny produktů
    • Polykarbonáty (PC) s obchodními názvy Lexan nebo Makrolon ^® ( Covestro )
    • Polyethylentereftalát (PET)
  • Polyethylenglykol (PEG)
  • skupina polyuretanů (PU)
  • Silikony , přesněji poly (organo) siloxany
  • Melaminová pryskyřice (MF), polymer na bázi melaminu a formaldehydu
• Biopolymery:
  • Bílkoviny , jako jsou enzymy , vlasy , hedvábí
  • Sacharidy, jako je celulóza , dřevo , papír , škrob , chitin
  • DNA , genetický materiál
  • RNA
  • Polyhydroxyalkanoáty , bio-polyester jako úložiště energie a uhlíku pro bakterie

Analytics

Ke stanovení polymerů, kopolymerů a směsí polymerů lze použít analytickou pyrolýzu spojenou s plynovou chromatografií (Py-GC / MS).

literatura

• Manfred D. Lechner, Klaus Gehrke, Eckhard H. Nordmeier: Macromolecular Chemistry. Učebnice pro chemiky, fyziky, vědce v oblasti materiálů a procesní inženýry. 5. vydání, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-41768-9 .
• J. Kahovec, RB Fox, K. Hatada: Nomenklatura pravidelných jednovláknových organických polymerů (doporučení IUPAC 2002). In: Čistá a aplikovaná chemie . 74, 10, 2002, s. 1921-1956, doi: 10.1351 / pac200274101921 , online verze .
• Ulf W. Gedde: Fyzika polymerů. Chapman & Hall, London a kol. 1995, ISBN 0-412-62640-3 .
• H. Cherdron, F. Herold, A. Schneller: Technicky důležité teplotně odolné polymery , Chemie v naší době , 23. rok 1989, č. 6, str. 181-192, ISSN  0009-2851 .
• Klaus Menke, Siegmar Roth: Kovové vodivé polymery I a II , Chemie v naší době, 20. rok 1986, č. 1, s. 1-10, č. 2, s. 33-43, ISSN  0009-2851 .
• Michael Dröscher: Stavy pořádku v polymerech . In: Chemie v naší době . páska 10 , č. 4 , 1976, s. 106-113 , doi : 10,1002 / ciuz.19760100403 . 
• Dietrich Braun: Dlouhá cesta k výzkumu makromolekul - polymerů před Hermannem Staudingerem . In: Chemie v naší době . páska 46 , č. 5 , 2012, s. 310-319 , doi : 10,1002 / ciuz.201200566 . 

webové odkazy

Wikislovník: Polymer  - vysvětlení významů, původ slov, synonyma, překlady

• Polymerová elektronika VDMA
• Chemické pozadí
• Úvod a pohled na chemii polymerů (anglicky)

Individuální důkazy

1. ↑ Vstup na polymer . In: Kompendium chemické terminologie IUPAC („zlatá kniha“) . doi : 10.1351 / goldbook.P04735 Verze: 2.3.3.
2. ↑ Vstup do polymerní směsi . In: Kompendium chemické terminologie IUPAC („zlatá kniha“) . doi : 10.1351 / goldbook.P04736 Verze: 2.3.1.
3. ↑ Hans-Georg Elias: Makromolekuly. John Wiley & Sons, 2003, ISBN 978-3-527-62654-0 . Svazek 4, s. 165.
4. ↑ Chokri Cherif (Ed.): Textilní materiály pro lehkou konstrukci Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2011, ISBN 978-3-642-17991-4 , s. 14f.
5. ↑ Hilmar Fuchs , Wilhelm Albrecht (Ed.): Netkané textilie - suroviny, výroba, aplikace, vlastnosti, testování. 2. vydání, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-31519-2 , s. 42.
6. ↑ Wolfgang Bobeth (Ed.): Textilní vlákna. Textura a vlastnosti . Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg / New York 1993, ISBN 3-540-55697-4 , druhy textilních vláken na obr. 1.1; viz zadní uchycení
7. ↑ ^{a b} Bernd Tieke: Makromolekulární chemie. 3. vydání, Wiley-VCH, Weinheim 2014, s. 295f.
8. ^ ^{A b} Wolfgang Kaiser : Syntetická chemie pro inženýry. 3. vydání, Carl Hanser, Mnichov 2011, s. 84.
9. ↑ Harald Cherdron, Friedrich Herold, Arnold Schneller: Technicky důležité teplotně odolné polymery. In: Chemie v naší době. 23, 1989, s. 181-192, doi: 10,1002 / ciuz.19890230602 .
10. ↑ CK Chiang, YW Park, AJ Heeger, H. Shirakawa, EJ Louis, AG MacDiarmid: Vodivé polymery: Halogenem dotovaný polyacetylen . In: The Journal of Chemical Physics . páska 69 , č. 11 , 1978, s. 5098-5104 , doi : 10,1063 / 1,436503 . 
11. ^ GG Wallace, TE Campbell, PC Innis: Uvedení funkce do módy: Organická vodivá polymerní vlákna a textilie . In: Vlákna a polymery . páska 8 , č. 2 , 2007, s. 135-142 , doi : 10,1007 / BF02875782 . 
12. ↑ Peter Elsner, Peter Eyerer: Domininghaus - Kunststoffe: Vlastnosti a aplikace . Ed.: Thomas Hirth. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-16173-5 . 
13. ↑ Plastická doporučení BfR. Citováno 13. listopadu 2019 . 
14. ^ TFA de Greef, EW Meijer: Materials Science: Supramolekulární polymery . In: Příroda. 453, s. 171-173.
15. ↑ orf.at: materiálový výzkum - samoléčení světlem , přístup 21. dubna 2011; Mark Burnworth a kol.: Opticky topitelné supramolekulární polymery. in: Nature, Volume 472, pp. 334-337, doi: 10,1038 / nature09963
16. ↑ Andreas Klingberg, Eike Kleine-Benne: Analýza polymeru : použití chromatogramu jako otisku prstu. In: LABO. 6. prosince 2018, přístup 30. července 2021 .