Polimēru ķīmija (makromolekulārā ķīmija): definīcija, veidi, īpašības

Polimēru ķīmija (saukta arī par makromolekulāro ķīmiju) ir zinātne par polimēru jeb makromolekulu ķīmisko sintēzi un ķīmiskajām īpašībām. Saskaņā ar IUPAC ieteikumiem makromolekulas attiecas uz atsevišķām molekulu ķēdēm un ir ķīmijas joma. Polimēri apraksta polimēru materiālu masveida īpašības un pieder polimēru fizikas jomai (fizikas daļa).

Dažāda veida makromolekulas ir:

• Biopolimēri, ko ražo dzīvi organismi:
• strukturālās olbaltumvielas: kolagēns, keratīns, elastīns un citas.
• ķīmiski funkcionālas olbaltumvielas: fermenti, hormoni, transporta olbaltumvielas un citas.
• strukturālie polisaharīdi: celuloze, hitīns un citi.
• uzglabāšanas polisaharīdi: ciete, glikogēns un citi.
• nukleīnskābes: DNS, RNS
• Sintētiskie polimēri, ko izmanto plastmasas šķiedru, krāsu, celtniecības materiālu, mēbeļu, mehānisko detaļu, līmju ražošanā:
• termoplasti: polietilēns, teflons, polistirols, polipropilēns, poliesteris, poliuretāns, polimetilmetakrilāts, polivinilhlorīds, neilons, viskoze, celuloīds, silikons un citi.
• termoreaktīvie plastmasas materiāli: vulkanizēta gumija, bakelīts, kevlārs, epoksīdsveķi un citi.

Polimēri veidojas, polimerizējot monomērus. Ķīmiķi apraksta polimēru pēc tā polimerizācijas pakāpes, molārās masas sadalījuma, taktilitātes, kopolimēru sadalījuma, sazarojuma pakāpes, pēc gala grupām, šķērssavienojumiem un kristāliskuma. Ķīmiķi pēta arī polimēra termiskās īpašības, piemēram, tā stiklošanās temperatūru un kušanas temperatūru. Polimēriem šķīdumā ir īpašas īpašības attiecībā uz šķīdību, viskozitāti un želeju.

Kas ir polimērs un kā tie klasificējas

Polimērs ir liela molekula, kas sastāv no daudzām atkārtotām vienībām — monomēriem — savienotām ķēdē. Polimērus var klasificēt pēc vairākiem kritērijiem:

• Pēc izcelsmes: biopolimēri (piem., DNS, nukleīnskābes, olbaltumvielas) un sintētiskie polimēri (piem., termoplasti, epoksīdsveķi).
• Pēc ķīmiskās struktūras: lineārie, sazarotie un tīklojuma (šķērssavienoti) polimēri.
• Pēc polimerizācijas mehānisma: ķēdes (radikāļu, kationu, anjonu) un pakāpeniskās (kondensācijas) polimerizācijas produkti.
• Pēc termiskajām īpašībām: termoplasti (mīkstinās atkārtoti, sildot) un termoreaktīvie (vienreiz sacietē un vairs nemīkst).
• Pēc bītiesības uz ūdeni un vielmaiņas: bioloģiski noārdāmi un nebioloģiski noārdāmi polimēri.

Polimerizācijas veidi un reakcijas mehānismi

Galvenie polimerizācijas veidi:

• Ķēdes pieaugšanas polimerizācija (chain-growth): iniciācija, pieaugšana, terminācija — raksturīgi vinila monomēriem (piem., polietilēnam, polistirolam).
• Pakāpeniskā (step-growth) polimerizācija (kondensācija): monomēri savienojas pakāpeniski, bieži izdalot nelielu molekulu (piem., H2O) — piemēri: poliesteri, poliamīdi.
• Kopolimerizācija: divu vai vairāku monomēru vienlaikus veidojošs polimērs ar īpašībām, kas var kombinēt komponentu priekšrocības.
• Radikāļu un jonu mehānismi: tiek izmantoti specifiski iniciatori vai katalizatori, lai kontrolētu pieaugšanas ātrumu un molekulas arhitektūru.
• Kontrolētā/"dzīvā" polimerizācija: metodes (ATRP, RAFT, anioniskā) ļauj panākt šaurāku molārās masas sadalījumu un ieprogrammētāku struktūru.

Galvenās īpašības un to nozīme

Polimēru īpašības nosaka to pielietojumu. Svarīgākās īpašības:

• Molekulmasa un tās sadalījums: ietekmē mehānisko izturību, viskozitāti un termisko stabilitāti. To raksturo vidējā molekulmasa (Mn, Mw) un polidispersitāte (Mw/Mn).
• Sakarība (sazarojums) un šķērssavienojumi: nosaka cietību, elastību un termisko noturību. Tīklojums padara materiālu stingrāku un nereti termostabilāku.
• Kristāliskums: daļēji kristāliski polimēri (piem., neilons) ir stingrāki un mazāk caurspīdīgi nekā amorfie (piem., polistirēns). Kristāliskums ietekmē kušanas temperatūru un mehāniskās īpašības.
• Stiklošanās temperatūra (Tg) un kušanas temperatūra (Tm): Tg raksturo pāreju no trdicionāli "rupjas" stikla līdz gumijai; Tm — kristālisko daļu kausēšanās.
• Rheoloģiskās īpašības: polimēru šķīdumi un izkausējumi ir viskozi, šo īpašību mēra ar viskozitāti un plūstamības rādītājiem.
• Optiskās, elektriskās un ķīmiskās īpašības: piemēram, elektriskā vadītspēja, caurspīdīgums, ķīmiskā izturība pret šķīdinātājiem un laika apstākļiem.

Raksturošanas metodes

Lai noteiktu polimēru struktūru un īpašības, tiek lietotas vairākas analītiskas metodes:

• GPC/SEC (gēlu permeācijas/izmēra izkliedes kromatogrāfija) — molārās masas un sadalījuma noteikšana.
• DSC (diferenciālā skanošā kalorimetrija) — Tg un Tm noteikšana.
• TGA (termogravimetriskā analīze) — termiskā stabilitāte un dekompozīcijas temperatūra.
• NMR un FTIR — ķīmiskās struktūras un gala grupu identificēšana.
• Mechaniskie testi (stiepšanas, cietības, trieciena testi) — praktiskās izturības novērtēšana.
• Rheometrija — viskozitātes un plūstamības uzvedības pētīšana.

Pielietojumi

Polimēri ir plaši izmantoti ikdienas dzīvē un rūpniecībā:

• Iepakojums un šķiedras (piem., termoplasti, neilons, poliesteris).
• Celtniecība un inženiermateriāli (piem., polistirols, PVC — polivinilhlorīds).
• Medicīna — biopolimēri, biokompatibili materiāli, zāļu pārnēsāšanas sistēmas.
• Elektronika — izolatori, elastomēri, vadošie polimēri.
• Transporta nozare — viegli, stipri kompozīti, epoksīdsveķu konstrukcijas (epoksīdsveķi).

Vides aspekti un pārstrāde

Polimēru radītie vides izaicinājumi ir nozīmīgi: daudz plastmasu ir grūti bioloģiski noārdāmas, tās uzkrājas vidē un rada piesārņojumu. Risinājumi ietver:

• atkārtotu pārstrādi (meklēt mechaniskās un ķīmiskās pārstrādes metodes);
• biodegradējamu polimēru izmantošanu tur, kur iespējams;
• polimēru dizainu ar viedām īpašībām (piem., vieglāk pārstrādāmi savienojumi, depolimerizējami makromolekulāri ķēdēm);
• energoefektīvas ražošanas tehnoloģijas un atkritumu samazināšana.

Kopsavilkums

Polimēru ķīmija ir starpdisciplināra joma, kas aptver gan molekulāro sintēzi un strukturālo analīzi, gan materiālzinātnes un inženierijas aspektus. Saprašana par polimēru reakciju mehānismiem, struktūru–īpašību attiecībām un ilgtspējīgas apsvērumiem ļauj izstrādāt efektīvākus un videi draudzīgākus polimēru materiālus.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir polimēru ķīmija?

J: Kādi ir daži biopolimēru piemēri, ko ražo dzīvi organismi?

J: Kādi ir daži sintētisko polimēru piemēri, ko izmanto plastmasu ražošanā?

J: Kā veidojas polimēru molekulas?

J: Kā ķīmiķi apraksta polimēru?

Kādas termiskās īpašības ķīmiķi pēta, aplūkojot polimērus?

J: Kādas īpašas īpašības piemīt polimēriem, kad tie ir šķīdumā?

Meklēt pēc burta