Polimer kémia

A polimer kémia (a Macromolecular Chemistry is ) természetes (például keményítő , cellulóz , lignin ) és mesterséges polimerekkel (például poliolefinek , poliészterek , poliamidok ), azok előállításával, módosításával és tulajdonságokkal foglalkozik.

A polimer tudomány története

A polimereket évezredeken át használták anélkül, hogy kémiai szerkezetüket ismerték volna vagy felfogták volna. Különösen a cellulózból ( pamut és len ) és fehérjékből ( gyapjú és selyem ), valamint a szarvból készült rostokat kell megemlíteni. A 19. században különösen érdekes volt a természetes kaucsuk és vulkanizálása kénnel 1839-ben, valamint a cellulóz és észterezése nitrocellulózzá . Ezenkívül a polimer kifejezést Berzelius vezette be, a szerves kémia reakciótermékeként. A polimerizációt először E. Simon írta le 1839-ben, aki sztirolt nyert a Storax gyantából, és megállapította, hogy ez a sztirol a levegőben tárolva üveges szilárd anyaggá alakul. Ugyanakkor Henri Victor Regnault leírta a vinilidén-klorid reakcióját, amely nem kristályos szilárd anyagot eredményezett. Az első polycondensations írtak le Lourenco második felében a 19. század, amikor szintetizált poliészterek a etilén-glikol és etilén-dihalogenidek. Valószínűleg az első poliamidot m- amino- benzoesavból állították elő 1883-ban .

A 19. század végéig azonban keveset tudtak a polimer anyagok pontos szerkezetéről. Csak a gőznyomás és az ozmózis mérése alapján lehetett tudni, hogy az érintett molekuláknak nagyon nagynak és nagy moláris tömegűeknek kell lenniük . Tévesen hitték azonban, hogy ezek kolloid vegyületek. X-ray mérések által Kurt Heinrich Meyer és Hermann F. Mark a kristályos gumi 1928 biztosítania kell egyértelműség. A kristályos szilárd anyagok gyakran több apróbb kristályból állnak, amelyek szemcsehatárokon keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Mint ma tudjuk, a kristályos polimerekben lévő láncok egyszerre több kristályban helyezkednek el. Mivel ez akkor még nem volt ismert, a röntgenszerkezet-elemzés eredményeit teljesen félreértelmezték. Úgy gondolták, hogy a molekula hossza nem lehet nagyobb, mint a kristályok hossza, ami helytelen, túl kicsi nagyságrendekhez vezetett a polimer molekulákhoz. A The Svedberg (1926-ban Nobel-díj) biomolekulák elemzési módszereinek fejlesztésével kapcsolatos munka azonban pontosabb eredmények elérését segítette.

Hermann Staudinger

Hermann Staudinger német vegyészt a polimer tudomány atyjának tartják . Már 1917-ben elmondta a Svájci Vegyi Társaságnak, hogy a „nagy molekulatömegű vegyületek” kovalensen kötött hosszú láncú molekulákból állnak. 1920-ban cikket tett közzé a Német Vegyipari Társaság jelentéseiben , amelyet a modern polimer tudomány alapjának tekintenek. Különösen az 1924 és 1928 közötti években más fontos elméletek következtek a műanyagok szerkezetéről , amelyek alapját képezik ennek az anyagosztálynak a mai megértéséhez. Ezért a munkáért 1953-ban Nobel-díjat kapott .

Az 1950-es évek elején Karl Ziegler német kémikus felfedezte, hogy az alumínium-alkilokból és titán-tetrakloridból készült katalizátorok lehetővé teszik az etén polimerizációját, hogy szobahőmérsékleten polietilént képezzenek. Korábban a polietilént egy autoklávban kellett polimerizálni , nagy nyomás alatt acélban . A Ziegler szerint előállított polimerek szintén szignifikánsan magasabb rendezettségi fokot és teljesen eltérő anyagtulajdonságokat mutattak láncszerkezetüket tekintve (lásd itt ). Ziegler munkája alapján Giulio Natta olasz vegyész sikeresen kutatott hasonló folyamatot a polipropilén gyártásához . Ma az így előállított polietilének (PE) és polipropilén (PP), valamint a polisztirol (PS) az élelmiszerek, samponok, kozmetikumok stb. Csomagolóanyagaként leggyakrabban használt műanyagok. Ziegler és Natta munkájáért 1963 -ban kémiai Nobel-díjat kapott . Paul J. Flory és Maurice L. Huggins munkájának köszönhetően további elméleti betekintés az oldatban, keverékekben és szilárd állapotban lévő szerkezeteik viselkedésébe, amelyek ma a makromolekulák fizikai kémiai alapját jelentik.

meghatározás

A polimereket általában körülbelül 10 000 g / mol moláris tömegtől alkalmazzák , alternatív megoldásként, ha a tulajdonságok egy ismétlődő egység hozzáadásával már nem változnak jelentősen. A kisebb vegyületeket oligomereknek nevezzük [oligo (görög) = néhány].

Felosztás

Biopolimerek

- fehérjék
Kémiailag a fehérjék a poliamidokhoz tartoznak .
- DNS / RNS
Kémiailag a DNS és az RNS a poliészterekhez tartozik
- poliszacharidok
Kémiailag a poliszacharidok a poliacetálokhoz tartoznak
- természetes gumi
Kémiailag a természetes kaucsuk a politerpénekhez vagy általánosabban a poliolefinekhez tartozik
- polihidroxi-alkanoátok
Kémiailag, a polihidroxi-alkanoátok tartoznak a poliészterek és használják a baktériumok , mint a tároló anyag

Szintetikus és félszintetikus polimerek

Fizikai osztályozás

A polimerek fizikai viselkedésük alapján négy csoportba oszthatók.

Kémiailag különböző polimerek fordulnak elő ezekben a csoportokban.

Kémiai osztályozás

Kémiailag a polimerek feloszthatók

Homo- és kopolimerek

Homopolimerek

Ha egy polimer csak egy típusú monomer építőelemből áll (ismétlődő egység), akkor homopolimerről beszélünk (homo (görög) = egyenlő, hasonló).

Kopolimerek

Ha egy polimert különböző monomer komponensek alkotnak, akkor kopolimernek nevezzük . Vannak kémiailag nagyon hasonló monomerekből, például etén és propén kopolimereiből, de olyan kémiailag is nagyon eltérő kopolimerekből, mint pl. B. a-olefin / MSA kopolimerek. Általában két monomert alkalmaznak, de léteznek három vagy több különböző monomerrel rendelkező kopolimerek is. A három monomerből készült kopolimereket terpolimereknek nevezzük. Ilyen például az ABS műanyagok, amelyek a Lego blokkok gyártása során ismertek .

Az egyes monomerek szekvenciájától függően különbséget teszünk statisztikai, váltakozó, gradiens és blokk kopolimerek között. Ha további monomereket polimerizálunk egy meglévő láncra, vagy polimer-analóg reakciókkal alkalmazzuk, ezeket graft (ko) polimereknek nevezzük.

A kopolimerizáció során részt vevő monomerek szekvenciáját a kopolimerizációs paraméterek határozzák meg . Ezek (két monomerből származó kopolimerek esetében) a lehetséges reakciók négy sebességállandójából származnak . A modell analóg módon vonatkozik a kettőnél több monomert tartalmazó kopolimerekre, de több lehetséges reakció és ennek megfelelően több hányados van.

A fehérjék, a DNS / RNS és egyes poliszacharidok szintén a kopolimerek részét képezik, de keletkezésük teljesen más mechanizmusoknak van kitéve, mint a technikai kopolimereké.

Dendrimers

A dendrimerek a polimer molekulák speciális osztályát képviselik, és megfelelő szintézis stratégiával monodiszperzek, azaz. azaz nincs moláris tömegeloszlás, minden részecske azonos. A szintézis lépéseinek számát generációnak nevezzük, a magmolekulának nulla generációs számot adunk. Ha ennek a magmolekulának négy reaktív csoportja van, és a reakcióterméknek (1. generáció) két reaktív csoportja van eredeti csoportonként, akkor nyolc csoport van stb.

A dendrimerek nem növekedhetnek semmilyen méretre, mert a szterikus hatások kölcsönös akadályokhoz vezetnek. Az alakja a dendrimre közelíti egyre inkább egy gömb .

Polimerek gyártása

A polimerek monomerekből történő előállításának folyamatát polireakciónak nevezzük . Az egyik megkülönbözteti a polireakciók osztályait

Lépéses növekedési reakciók

és a lánc növekedési reakciója

Vannak olyan polimerek, amelyeket nem lehet közvetlenül a (formális) monomerekből előállítani, mivel ezek a monomerek nem stabilak. Ilyen például a polivinil-alkohol (PVA). A hipotetikus mögöttes vinil-alkohol van egy tautomer egyensúlyban acetaldehid , az egyensúlyi szinte teljes egészében oldalán az aldehid. A PVA polivinil-acetát hidrolizálásával készül . Ugyanez vonatkozik a polivinil-aminra is . Az ilyen reakciót, amelyben egy létező polimert kémiailag módosítanak, polimer-analóg reakciónak nevezzük . A természetben előforduló polimerek - például cellulóz - kémiai módosítása módosított tulajdonságokkal rendelkező polimereket eredményez, például celluloidot , amely a félszintetikus polimerek egyike.

A gyártás után a polimerek kémiailag tovább módosíthatók. Ha a módosítás után a moláris tömeg vagy a polimerizáció mértéke ugyanolyan nagyságrendű, mint korábban, akkor ezt polimer-analóg reakciónak nevezzük ; ha a moláris tömeg és a polimerizáció mértéke jelentősen nagyobb, akkor térhálósításnak nevezzük . Ha a moláris tömeg és a polimerizáció mértéke lényegesen alacsonyabb, akkor lebomlásról vagy lebomlásról beszélünk , amelyet néha célzottan hajtanak végre, de többnyire nemkívánatos folyamat (öregedés).

Polimerek jellemzése

A polimerek jellemzésére különféle módszerek léteznek, amelyek közvetett (vagy relatív) és közvetlen módszerekre vannak felosztva. A közvetett módszerek nem adják meg a móltömeg abszolút értékeit, de a mért mintáról megállapításokat lehet tenni hasonló összetételű és ismert moláris tömegű összehasonlító minták felhasználásával.

A moláris tömeg meghatározásának közvetett módszerei

A moláris tömeg meghatározásának közvetlen módszerei

A makromolekulák jellemzésénél meg kell jegyezni, hogy a moláris tömegben szinte mindig van egy bizonyos eloszlás (szórás), amelynek szélessége és alakja szintén jelentősen eltérhet, így a látszólag azonos moláris tömegű (azonos átlagos moláris tömegű) mintáknak teljesen más tulajdonságai lehetnek ( mechanikai, fizikai vagy kémiai).

A polimerek fizikai jellemzése

Mint fent említettük, a polimerek fizikai tulajdonságaikban különböznek. Ezek a tulajdonságok megfelelő mérési módszerekkel is számszerűsíthetők. Alkalmazható módszerek

A polimerek termikus jellemzése

A polimerek hő tulajdonságai megfelelő módszerekkel vizsgálhatók. A fizikai paraméterek, például a viszkozitás változásai mérhetők egyrészt, de olvadáspont vagy fázisátmeneti pontok is, másrészt kémiai változások, különösen bomlási reakciók, amelyek mind minőségileg, mind mennyiségileg rögzíthetők. A módszerek

dagad

  1. ↑ Kurt H. Meyer, H. Mark: Gummi. In: A Német Vegyipari Társaság jelentései . Traktátok, B. szakasz, 1928, 61B, 1939-1949.
  2. Sta H. Staudinger: A polimerizációról. In: A Német Vegyipari Társaság jelentései. 53, 1920, 1073. o.
  3. ^ H. Staudinger: A gumi szerkezete. VI. In: A Német Vegyipari Társaság jelentései. Traktátok, B. szakasz, 57B, 1924, 1203-1208.
  4. Sta H. Staudinger: Nagy molekulatömegű szerves anyagok kémiája Kekulé szerkezeti elmélete értelmében. In: A Német Vegyipari Társaság jelentései. 59., 1926. december, 3019–3043.
  5. Sta H. Staudinger, K. Frey, W. Starck: Nagy molekulatömegű vegyületek IX. Polivinil-acetát és polivinil-alkohol. In: A Német Vegyipari Társaság jelentései. Traktátok, B. szakasz, 60B, 1927, 1782-1792.
  6. ↑ német szabadalom: 961537: Eljárás alumínium trialkilok és alumínium-alkil-hidridek előállítására, feltaláló: K. Ziegler; H.-G. Gellert.
  7. ^ Karl Ziegler, Hans Georg Gellert, Herbert Lehmkuhl, Werner Pfohl, Kurt Zosel: Fémorganikus vegyületek. XXVI. Trialkil-alumínium és dialkil-alumínium-hidrid olefinekből, hidrogénből és alumíniumból. In: Ann. 629, 1960, 1-13.
  8. ^ USA szabadalom: Ziegler, Karl; Breil, Heinz; Holzkamp, ​​Erhard; Martin, Heinz: Katalizátorok az olefinek, különösen az etilén polimerizálására; U, S. 1971, 14 pp. Az U folytatása részben, 3 257 332 oldal (CA 65; 7308d).
  9. ↑ G. Natta, I. Pasquon, A. Zambelli: Sztereospecifikus katalizátorok propilén fej-farok polimerizációjához kristályos szintiotaktikus polimerként. In: Az American Chemical Society folyóirata . 84, 1962, 1488-1490.
  10. ^ PJ Flory, DY Yoon: A véges hosszúságú polimerláncok pillanatai és eloszlási funkciói. I. Elmélet. In: Journal of Chemical Physics . 61, 1974, 5358-5365.
  11. ^ MD Lechner, K. Gehrke, EH Nordmeier: Makromolekulare Chemie. 4. kiadás. Birkhäuser Verlag, 2010, ISBN 978-3-7643-8890-4 , 102-104.

irodalom