Polimeryzacja

Monomery

Są to proste cząsteczki tego samego związku chemicznego, które ulegają procesowi polimeryzacji. Takie cząsteczki muszą spełniać pewne kryteria:

1. Konieczne jest występowanie w nich wiązań wielokrotnych, zazwyczaj podwójnych, które mogą ulegać rozerwaniu i w efekcie dają dwa elektrony pozwalające na wytwarzanie nowych wiązań.
2. Muszą zawierać w swojej strukturze dwie grupy funkcyjne zdolne do reakcji.

Merem nazywamy natomiast najmniejszą, powtarzalną część łańcucha polimeru. Ogólne równanie reakcji polimeryzacji można zapisać w postaci:

Rodzaje polimeryzacji

Reakcję umożliwiającą powstanie polimerów można podzielić ze względu na mechanizm. Wyróżniamy więc:

• polimeryzację łańcuchową,
• poliaddycję,
• polimeryzację kondensacyjną.

Polimeryzacja łańcuchowa

Jest najczęściej reakcją rodnikową i zachodzi wyłącznie dla monomerów, które zawierają w swojej strukturze wiązania wielokrotne zdolne do wytwarzania rodników podczas pękania. Te rodniki charakteryzują się możliwością łączenia w długie łańcuchy. Reakcja polega na wielokrotnym powtórzeniu przyłączenia cząstek monomeru do tego samego aktywnego centrum. Taka reakcja zawsze musi być inicjowana przez związki chemiczne posiadające zdolność do wytwarzania w wyniku rozpadu termicznego, kwantu światła lub reakcji redoks rodników wysokoenergetycznych o krótkim czasie życia i słabej stabilizacji rezonansowej. Bardzo duża część polimerów (>70% polimerów winylowych) wytwarzanych na skalę przemysłową otrzymywana jest tą metodą, gdyż jej zaletami są: wysoka wydajność, prostota technologii, wysoka odporność na zanieczyszczenia, możliwość użycia powszechnie dostępnego rozpuszczalnika – wody, a także łatwa do przewidzenia kinetyka procesu. Reakcja polimeryzacji łańcuchowej dzieli się na kilka etapów: inicjowanie, propagacja – wzrost łańcucha, przenoszenie łańcucha oraz zakończenie. Oprócz polimeryzacji rodnikowej mechanizm łańcuchowy może przebiegać również anionowo lub kationowo. W przypadku polimeryzacji anionowej wykorzystuje się, na przykład w monomerach winylowych, efekt indukcyjny podstawników. Grupa zdolna do przyciągania elektronów jest w stanie indukować dodatni ładunek obecny na sąsiednich atomach ze względu na silniejsze związanie pary elektronów wiązania podwójnego. W przypadku polimeryzacji kationowej konieczne jest wykorzystanie monomerów, które posiadają ugrupowanie donorowe, takie jak na przykład etery winylowe.

Poliaddycja

Inaczej nazywana polimeryzacją stopniową opiera się na przegrupowaniu atomów pomiędzy cząsteczkami monomerów w taki sposób, aby nie powstawały żadne produkty uboczne, tak samo jak w polimeryzacji łańcuchowej. W odróżnieniu od niej ma jednak charakter stopniowy.

Polimeryzacja kondensacyjna

Jest typem reakcji zachodzącej wyłącznie dla monomerów, które w swojej strukturze posiadają minimum dwie grupy funkcyjne zdolne do reakcji z wydzieleniem produktu ubocznego, najczęściej w postaci wody. Są dwa możliwe typy takiej kondensacji. Heteropolikondensacja, jeżeli monomer zawiera dwie różne grupy funkcyjne reagujące ze sobą lub homopolikondensacja w przypadku gdy monomer zbudowany jest z dwóch tych samych grup funkcyjnych. Mogą one reagować wyłącznie z komonomerem, czyli drugim obecnym w reakcji monomerem, zawierającym inne grupy funkcyjne.

Podział polimerów ze względu na właściwości fizykochemiczne

1. Elastomery – wysokoelastyczne, gumopodobne polimery, które posiadają zdolność do wielokrotnego rozciągania oraz powrotu do swoich początkowych wymiarów tak jak na przykład usieciowany polibutadien.
2. Duromery – doskonałe materiały konstrukcyjne. Charakteryzuje je twardość, brak elastyczności oraz bardzo duża wytrzymałość mechaniczna. Trudnotopliwe polimery tego rodzaju nazywa się duroplastami, a należą do nich między innymi bakelit i żywice epoksydowe.
3. Plastomery – inaczej nazywane termoplastami są nieco mniej sztywne od duromerów. W wyniku topienia możliwe jest ich przetworzenie, jednak wielokrotna obróbka termiczna działa na niekorzyść ich właściwości mechanicznych i użytkowych. Do tej grupy polimerów zaliczamy polietylen, polipropylen, polimetarylan metylu i inne.

Podział polimerów ze względu na pochodzenie

1. 1. Polimery naturalne, jak sama nazwa wskazuje są polizwiązkami, które występują w przyrodzie. Mogą być wykorzystywane bezpośrednio lub modyfikowane. Do najpowszechniej używanych zaliczamy:a) kauczuk naturalny – poliizopren, który poddany procesowi wulkanizacji siarką pozwala na wytworzenie gumy (ok. 3% siarki) stosowanej we wszelkiego rodzaju uszczelkach, oponach, zabawkach, elastycznych tkaninach oraz artykułach gospodarstwa domowego, oraz ebonitu (ok. 25-30% siarki) wykorzystywanego w skrzynkach akumulatorowych, aparaturach chemicznych oraz materiałach izolacyjnych.
      b) polisacharydy – takie jak ryboza, glukoza oraz fruktoza, ale również skrobia, celuloza. Są to bardzo często stosowane materiały zbudowane z cząsteczek monosacharydów połączonych za pomocą wiązania glikozydowego. Celulozę stosuje się podczas produkcji papieru, klejów czy sztucznego jedwabiu, a skrobię w praktycznie każdym przemyśle, w tym włókienniczym, farmaceutycznym oraz kosmetycznym.
      c)białka – ich monomerami są α-aminokwasy, takie jak glicyna, cysteina oraz fenyloalanina. Są podstawowymi budulcami wszystkich organizmów żywych o różnych funkcjach biologicznych. Reszty aminokwasowe połączone są wiązaniami peptydowymi. Znajdują zastosowanie głównie w przemyśle spożywczym oraz w medycynie.
   2. Polimery sztuczne to związki otrzymywane przez człowieka na drodze syntezy chemicznej. Polimeryzacja może zachodzić na drodze łańcuchowej, poliaddycji oraz polikondensacji. Są to na przykład:
      a) polimery łańcuchowe, takie jak: polietylen stosowany podczas produkcji folii, opakowań czy zabawek, polipropylen wykorzystywany w materiałach izolacyjnych, przewodach wodnych oraz częściach karoserii, a także polichlorek winylu używany w trakcie produkcji wykładzin, materiałów elektroizolacyjnych oraz drzwi i okien.
      b) kauczuki syntetyczne, w tym polibutadien stosowany w uszczelkach, farbach lateksowych i klejach oraz polichloropren znajdujący zastosowanie w pontonach ratunkowych, skafandrach nurkowych czy opaskach rehabilitacyjnych.
      c) polimery poliaddycyjne, na przykład poliuretany stosowane w przemyśle meblarskim, samochodowym oraz obuwniczym, a także żywice epoksydowe znajdowane w laminatach, klejach oraz różnego rodzaju kompozytach używanych w lotnictwie, motoryzacji i szkutnictwie,
      d) polimery kondensacyjne, takie jak poliestry wykorzystywane najczęściej w postaci PET, czyli poli(tereftalanu etylu) do produkcji naczyń, butelek, opakowań i włókien, poliamidy, głównie nylon, szeroko stosowany jako składnik pończoch, rajstop, lin, szczoteczek do zębów i kevlaru, poliwęglany będące przeźroczystymi termoplastami o bardzo dobrych własnościach mechanicznych często stosuje się do warstw uodparniających szkło na stłuczenie, hełmach i płytach CD/DVD, fenoplasty stosowane głównie w postaci bakelitu, aminoplasty oraz silikony.

Przeczytaj również o polimeryzacji emulsyjnej.