полимер
Полимеры (примеры) |
---|
Повторяющееся звено полимера полипропилена . |
Целлюлоза - это полимер и важнейший структурный элемент растений. |
Полимер [ polimeːɐ̯ ] (от древнегреческого πολύ , Poly «много» и μέρος , МЕРОС «части») представляет собой химическое вещество , которое состоит из макромолекул . Макромолекулы этих веществ состоят из одной или более структурных единиц, так называемых конституционно повторяющихся единиц или повторяющихся единиц. Соответственно, прилагательное « полимер» означает «состоящий из множества (равных) частей». Во многих случаях полимер состоит из не идентичных макромолекул, так как число повторяющихся звеньев , и , таким образом, молекулярная массаМолекулы разные. Синтетические или полусинтетические полимеры являются основным компонентом для изготовления пластмасс . Полимеры, производимые живыми существами, называются биополимерами и имеют важное значение для жизни.
Классификация
Полимеры можно разделить на природные и синтетические .
- Природные полимеры ( биополимеры ) синтезируются в живых существах и образуют основные строительные блоки организмов. Эти полимеры включают белки ; они образуют, например, волосы и шелк . В полисахариды включают в себя целлюлозу , крахмал, и хитин . Нуклеиновые кислоты выполняют множество биологических функций, например дезоксирибонуклеиновая кислота как генетический материал.
- Синтетические полимеры - это вещества, производимые промышленным или лабораторным способом в результате полиреакций , включая полиэтилен , полистирол и поливинилхлорид . Химически модифицированные полимеры являются результатом дальнейшей обработки биополимеров, например нитроцеллюлозы , целлулоида или производных крахмала.
Полимеры можно классифицировать по количеству основных материалов ( мономеров ), из которых они построены.
- Гомополимеры состоят только из одного типа мономера, такого как полиэтилен , полипропилен , поливинилхлорид или поликапролактам . Натуральный гомополимер - это натуральный каучук в виде полиизопрена .
- Сополимеры состоят из различных мономеров, таких как сополимер акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), стирол-акрилонитрил (SAN) или бутилкаучук . Большинство биополимеров представляют собой сополимеры.
- Полимерные смеси создаются путем смешивания различных гомополимеров и / или сополимеров. Обычно их получают путем интенсивного механического перемешивания расплавленных полимеров, в результате чего получается однородный материал. Особая форма шихты - это полимерный сплав .
Кроме того, могут быть органические или неорганические различные полимеры. В отличие от органических полимеров, неорганические полимеры не содержат атомов углерода в основной цепи полимера. Неорганические полимеры включают полисилоксаны , полифосфазены или полисилазаны . Хотя в большинстве учебников по химии стекло не входит в число полимеров, стекло, а в некоторых случаях также керамика и базальт считаются неорганическими полимерами в других учебниках и в текстильной технологии .
Синтетические полимеры
Полимерная химия
Образование полимеров из индивидуальных мономеров происходит посредством различных типов полиреакций , таких как цепная полимеризация , поликонденсация или полиприсоединение .
Структура полимеров
Макромолекулы, образующиеся в процессе синтеза, имеют разные основные структуры, которые определяют физические свойства полимера. Могут образовываться линейные макромолекулы, которые состоят только из одной полимерной цепи ( основной цепи ). В случае полиэтилена основная цепь представляет собой н- алкан с длинной цепью . В зависимости от условий реакции образуются также разветвленные макромолекулы с основной цепью и боковыми цепями ; в случае полиэтилена это будут алкильные радикалы . Помимо длины цепи, степень разветвления также определяет плотность, прочность и температуру плавления полимера. Сильноразветвленные полимеры аморфны , молекулы твердого вещества беспорядочно взаимодействуют друг с другом. В частности, неразветвленные макромолекулы образуют частично кристаллическую структуру в виде твердого вещества , отмеченного красным на рисунке ниже. Хотя разветвленные и неразветвленные полимеры обычно являются термопластами , многие эластомеры имеют крупноячеистую сеть между «основными цепями». С другой стороны, сплоченная сеть ведет к термореактивным материалам . Сети и ответвления показаны на рисунках красными точками.
линейная макромолекула
разветвленная макромолекула
полукристаллическая структура линейных полимеров
сетчатый полимер с широкими ячейками
мелкоячеистый сшитый полимер
Полимеры, состоящие только из одного (реального или воображаемого) мономера, называются гомополимерами . Полимеры, состоящие из двух или более различных типов мономеров, являются сополимерами . Полимеры, такие как полиэтилентерефталат , которые обязательно состоят из двух разных мономеров, обычно рассматриваются как гомополимеры, поскольку единовременно может образовываться только одно характерное повторяющееся звено.
Гомо- и сополимеры (примеры) Гомополимерный полистирол : структурная повторяющаяся единица, которая повторяется n раз в макромолекуле. Гомополимер поли (диметилсилоксан) , силикон . Основная цепь состоит из атомов кремния и кислорода. Сополимер стирол-бутадиен-каучук : мономеры стирол и 1,3-бутадиен образуют две повторяющиеся структурные единицы , которые могут чередоваться в любом порядке в макромолекуле, как показано на рисунке. Полиэтилентерефталат имеет только одну характерную повторяющуюся структурную единицу, хотя для синтеза необходимо использовать два мономера.
В случае сополимеров последовательность структурных повторяющихся звеньев можно контролировать синтетическим путем. Он делится на статистические и чередующиеся сополимеры, блок-сополимеры, привитые сополимеры и градиентные сополимеры. На рисунке ниже схематично показаны биполимеры, и Ⓑ символизируют два повторяющихся звена.
Статистический сополимер
Градиентный сополимер
Привитой сополимер
Чередующийся сополимер
Блок-сополимер
Повторяющиеся звенья могут нести заместители («остатки») и часто обозначаются буквой R на рисунках. Если мономерные звенья асимметричны, существует тактика расположения в макромолекуле. Полимеры можно разделить на атактические, изотактические и синдиотактические полимеры. Примером тактики является полистирол с фенильной группой в качестве остатка. В то время как классический путь синтеза приводит к атактическим аморфным пластмассам, синдиотактический синтез приводит к кристаллическому полистиролу, имеющему все большее экономическое значение.
В случае полимеров , которые являются ненасыщенными в главной цепи , аналогичный цис - транс - -isomerism, цис - или транс - -tactic полимеров происходит, как и в случае натурального каучука или бутадиенового каучука . Стереоспецифическая полимеризация часто приводит к более высокой механической прочности, более высокой кристалличности, более высокой плотности и более высокой термической стабильности.
Отрезок из полимерной цепи цис- 1,4- полибутадиена . A C 4 блока отмечен синим .
Отрезок из полимерной цепи транс- 1,4-полибутадиена. A C 4 блока отмечен синим .
Твердые конструкции
Макроскопические физические свойства полимера тесно связаны с взаимодействиями между полимерными цепями.
Статистический мяч |
Запутывание нескольких молекул шарообразными субструктурами |
- Атактические полимеры, полимеры с высокой степенью разветвленности и статистические сополимеры образуют аморфные стеклоподобные структуры в твердом состоянии . В расплаве и раствор, длинноцепочечные молекулы имеют тенденцию образовывать постоянно меняется «статистический клубок», см гауссова цепь (свободно-сочлененной-цепи-модель). В твердом состоянии соответствующие конформации молекул заморожены. Запутывание и запутывание цепных молекул друг с другом приводит к «механической связи» между цепями. Межмолекулярные и внутримолекулярные второстепенные валентные связи возникают только в тех местах, где молекулярные сегменты достаточно близки друг к другу. Неправильная структура молекул препятствует более тесному расположению. Такие аранжировки иногда называют «спагетти-структурой».
Полиэтилен: зигзагообразная форма молекул в плотноцепочечной упаковке |
Ламели со связующими молекулами |
Сферулит |
Спираль |
р -арамид , красный пунктир: водородные связи |
- Линейные полимеры с регулярной структурой, с небольшим количеством разветвлений и стереорегулярные (изо- и синдиотактические) полимеры имеют частично кристаллическую структуру в твердом состоянии . В случае полимеров с простой структурой, таких как полиэтилен , в идеализированном виде большие области представлены не в виде клубка, а в форме зигзага. Несколько зигзагообразных конформаций образуют плотную упаковку цепей и, следовательно, являются кристаллическими в этих областях. Такие кристаллиты называются ламелями, и они намного тоньше (часто около 10 нм), чем длина полимеров. Они образованы более или менее правильными складками одной или нескольких молекулярных цепочек. Между ламелями имеются аморфные структуры. Отдельные молекулы могут приводить к зацеплению между ламелями, но они также могут участвовать в образовании двух (или более) ламелей (связывающих молекул). Несколько ламелей образуют надстройку - сферолит , часто диаметром от 0,05 до 1 мм.
- Тип и расположение (функциональных) остатков повторяющихся звеньев влияют или определяют кристалличность и прочность вторичных валентных связей. В изотактическом полипропилене молекулы образуют спираль . Как и в зигзагообразной конформации, спирали допускают плотную упаковку цепи. Особенно сильные межмолекулярные взаимодействия возникают , когда остальная часть повторяющихся звеньев позволяют водородные связи в форму, как и в случае с р - арамидой , например . Кристалличность и сверхструктура всегда зависят от условий, в которых они образуются, см. Также кристаллизацию полимеров . По сравнению с аморфными структурами, частично кристаллические структуры приводят к более высокой жесткости, плотности, температуре плавления и устойчивости полимера.
- Сшитые полимеры с широкими ячейками являются эластомерами и, как и термопласты, не могут плавиться без разложения. С другой стороны, термопластические эластомеры обратимо «физически сшиты» через вторичные валентности и могут плавиться. Один вариант представляет собой блок-сополимеры, в которых твердый сегмент полимера имеет тенденцию к кристаллизации, а мягкий сегмент имеет аморфную структуру. Жесткие сегменты обеспечивают крупноячеистую физическую сеть.
Полимерная физика
Классификация полимерных материалов основана на стандарте DIN 7724 на основе температурного профиля модуля сдвига и прочности на разрыв при комнатной температуре. Он основан на механическом поведении в диапазоне рабочих температур и существовании диапазона плавления (диапазона текучести):
В физике полимеров , среди прочего, рассматриваются
- Средняя молярная масса , распределение молярной массы
- Кристаллизация и кинетика кристаллизации.
- Поверхностные свойства полимеров
- Реология , то есть поведение потока и вязкость
Термостойкие полимеры
Термостойкость полимера зависит от структуры используемых мономеров, стабильность связей между мономерами и взаимодействием между полимерными цепями. Высокая термостойкость может быть достигнута за счет увеличения энтальпии плавления и снижения энтропии плавления . В случае аморфных полимеров температура стеклования и, в случае частично кристаллических полимеров, температура стекла и плавления должны быть как можно более высокими. Для достижения термостойкости связи CH и CC могут быть заменены связями между углеродом и гетероатомами, такими как фтор, азот или кислород, или более стабильными ароматическими связями. Другой возможностью является создание полимеров с двумя параллельными и взаимосвязанными основными цепями (лестничные полимеры).
Проводящие полимеры
Обязательным условием электропроводности полимеров является наличие сопряженных пи-электронных систем . Однако изначально такие полимеры остаются изоляторами, в лучшем случае полупроводниками. Электропроводность, сравнимая с проводимостью металлических проводников, возникает только тогда, когда полимеры легированы окислительным или восстановительным действием . Первые исследования проводились на полиацетилене , проводимость которого достигалась легированием пентафторидом мышьяка или йодом . Кроме того, проводимость увеличивается по мере увеличения кристалличности полимера. Другими примерами проводящих полимеров являются допированный полипиррол , полифениленсульфид , политиофен и металлоорганические комплексы с макроциклическими лигандами, такими как фталоцианин . Окислительный легирования достигается с мышьяком пентафторида, тетрахлорида титана , брома или йода, в то время как восстановительное легирование достигается с помощью натрия - калия сплавов или дилитиевой benzophenonate. Допирование создает заряды на полимерных цепях, которые делокализованы по цепям за счет π-сопряжения. Однако объяснение проводимости полимеров очень сложное. Были предприняты попытки описать перенос заряда вдоль полиеновой цепи с помощью солитонной концепции или модели биполяронов ( зарядовые пары, удерживаемые вместе в небольшом пространстве).
Электропроводящие, то есть электрически активные, полимеры используются для создания политронных приложений. В отличие от молекулярной электроники информация обрабатывается не в отдельных молекулах, а в различных допированных объемах.
К таким электронным приложениям относятся:
- Дисплеи: OFET , OLED
- RFID- метки
- Солнечные батареи
- Датчики и исполнительные механизмы
- Топливные элементы
- Литий-полимерные батареи
- Электролитические конденсаторы
Еще одно применение - обработка полимеров с помощью электроники в электроспиннинге .
Оценка здоровья
Полимеры обычно классифицируются как безвредные для здоровья. Таким образом, пластмассы в принципе могут использоваться в медицинском секторе (например, в качестве имплантатов ) или в пищевой промышленности (в качестве упаковки ). Однако необходимо следить за тем, чтобы в производственном процессе использовались только безвредные катализаторы , не оставались вредные мономеры и т. Д.
Супрамолекулярные полимеры
Относительно новая область химии полимеров , включающий супрамолекулярные полимеры, т.е. полимеры , в которых блоки не с помощью ковалентных связей , но относительно слабыми межмолекулярными связями , такие как водородные связи , ионные связи , металл-лиганд взаимодействий , Ван - дер - Ваальса или гидрофобных взаимодействий проводятся вместе. Эти межмолекулярные связи легко разрушаются (при повышенной температуре), но также могут быстро разрушаться (при охлаждении). Из-за этой обратимости супрамолекулярные полимеры представляют собой новый класс самовосстанавливающихся материалов. Другим следствием слабых межмолекулярных связей является низкая вязкость расплавов надмолекулярных полимеров, что может быть выгодным при производстве и переработке, а также в некоторых приложениях, таких как струйная печать.
Хотя ковалентно связанные полимеры играют важную роль в природе (ДНК, полипептиды, целлюлоза), известно относительно немного встречающихся в природе супрамолекулярных полимеров. Примером супрамолекулярной полимеризации в природе является самосборкой с вирусом мозаики табака .
Примеры и символы
- Синтетические полимеры:
- Полиэтилен (PE)
- Полипропилен (PP)
- Поливинилхлорид (ПВХ)
- Полистирол (PS), более известный во вспененном состоянии как Styropor ® (торговое название BASF ).
- Политетрафторэтилена (PTFE), торговое название Teflon ® (Е. И. Du Pont де Немур энд Компани) или Tefal ®
- Полиметилметакрилат (ПММА) под торговым названием Plexiglas ® ( Evonik Industries AG )
- Полиакрилонитрил (ПАН) в качестве сополимера с полиметилметакрилатом для производства текстильных волокон.
- Полиакриламид (ПАК) в виде геля (бывший), флокулянт и другие.
- группа полиамидов , а PA66 под торговым названием Nylon ® , так как PA6 под торговым названием перлона ® или как PA12G под торговым названием Lauramid ®
- группа арамидов ( полиарамиды , ароматические полиамиды), включая текстильные волокна поли ( п- фенилентерефталамид) (PPTA, торговые наименования: Kevlar ® , Twaron ® ) и поли ( м- фенилентерефталамид) (PMPI, торговые наименования: Nomex ® , Teijinconex ® )
- Поликетоны, такие как полиэфиркетоны (PEK)
-
Полиэстер , также относятся к этой группе товаров
- Поликарбонат (PC) с торговыми названиями Lexan или макролона ® ( Covestro )
- Полиэтилентерефталат (ПЭТ)
- Полиэтиленгликоль (ПЭГ)
- группа полиуретанов (ПУ)
- Силиконы , точнее поли (органо) силоксаны
- Меламиновая смола (MF), полимер на основе меламина и формальдегида.
- Биополимеры:
Аналитика
Аналитический пиролиз в сочетании с газовой хроматографией (Py-GC / MS) можно использовать для определения полимеров, сополимеров и смесей полимеров .
литература
- Манфред Д. Лехнер, Клаус Герке, Экхард Х. Нордмайер: химия макромолекул. Учебник для химиков, физиков, материаловедов и технологов. 5-е издание, Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, 2014 г., ISBN 978-3-642-41768-9 .
- Дж. Каховец, Р. Б. Фокс, К. Хатада: Номенклатура обычных однонитевых органических полимеров (Рекомендации ИЮПАК 2002 г.). В кн . : Чистая и прикладная химия . 74, 10, 2002, стр. 1921-1956, DOI: 10.1351 / pac200274101921 , онлайн-версия .
- Ульф В. Гедде: Физика полимеров. Chapman & Hall, London et al. 1995, ISBN 0-412-62640-3 .
- Х. Чердрон, Ф. Герольд, А. Шнеллер: Технически важные термостойкие полимеры , Химия в наше время , 23-й год 1989 г., № 6, стр. 181-192, ISSN 0009-2851 .
- Клаус Менке, Сигмар Рот: Металлические проводящие полимеры I и II , Химия в наше время, 20-й год 1986, № 1, стр. 1-10, № 2, стр. 33-43, ISSN 0009-2851 .
- Михаэль Дрёшер: Состояния порядка в полимерах . В кн . : Химия в наше время . Лента 10 , вып. 4 , 1976, с. 106-113 , DOI : 10.1002 / ciuz.19760100403 .
- Дитрих Браун: Долгий путь к макромолекуле - исследования полимеров до Германа Штаудингера . В кн . : Химия в наше время . Лента 46 , нет. 5 , 2012, с. 310-319 , DOI : 10.1002 / ciuz.201200566 .
веб ссылки
Индивидуальные доказательства
- ↑ Запись о полимере . В: Сборник химической терминологии ИЮПАК («Золотая книга») . doi : 10.1351 / goldbook.P04735 Версия: 2.3.3.
- ↑ Запись о полимерной смеси . В: Сборник химической терминологии ИЮПАК («Золотая книга») . doi : 10.1351 / goldbook.P04736 Версия: 2.3.1.
- ↑ Ханс-Георг Элиас: Макромолекулы. Джон Вили и сыновья, 2003, ISBN 978-3-527-62654-0 . Том 4. С. 165.
- ↑ Чокри Шериф (Ред.): Текстильные материалы для облегчения конструкции Springer-Verlag, Берлин / Гейдельберг 2011, ISBN 978-3-642-17991-4 , стр. 14f.
- ↑ Хилмар Фукс , Вильгельм Альбрехт (ред.): Нетканые материалы - сырье, производство, применение, свойства, испытания. 2-е издание, Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2012, ISBN 978-3-527-31519-2 , стр. 42.
- ↑ Вольфганг Бобет (Ред.): Текстильные волокна. Текстура и свойства . Springer-Verlag, Берлин / Гейдельберг / Нью-Йорк 1993, ISBN 3-540-55697-4 , типы текстильных волокон на рис. 1.1; см. заднее навесное оборудование
- ↑ а б Бернд Тике: химия макромолекул. 3-е издание, Wiley-VCH, Weinheim 2014, стр. 295f.
- ^ A b Вольфганг Кайзер : Синтетическая химия для инженеров. 3-е издание, Карл Хансер, Мюнхен, 2011 г., стр. 84.
- ↑ Харальд Чердрон, Фридрих Герольд, Арнольд Шнеллер: Технически важные термостойкие полимеры. В кн . : Химия в наше время. 23, 1989, стр. 181–192, DOI : 10.1002 / ciuz.19890230602 .
- ↑ CK Chiang, YW Park, AJ Heeger, H. Shirakawa, EJ Louis, AG MacDiarmid: Проводящие полимеры: полиацетилен, допированный галогенами . В: Журнал химической физики . Лента 69 , нет. 11 , 1978, с. 5098-5104 , DOI : 10,1063 / 1,436503 .
- ^ Г. Г. Уоллес, Т. Е. Кэмпбелл, П. К. Иннис: Внедрение функции в моду: органические проводящие полимерные волокна и текстиль . В кн . : Волокна и полимеры . Лента 8 , вып. 2 , 2007, с. 135-142 , DOI : 10.1007 / BF02875782 .
- ↑ Питер Элснер, Питер Айрер : Domininghaus - Kunststoffe: Свойства и применение . Ред .: Томас Херт. Springer, 2012 г., ISBN 978-3-642-16173-5 .
- ↑ Пластические рекомендации BfR. Проверено 13 ноября 2019 года .
- ^ TFA de Greef, EW Meijer: Материаловедение: супрамолекулярные полимеры . В кн . : Природа. 453, стр. 171-173.
- ↑ orf.at: материалы исследования - самовосстановление через свет , доступ 21 апреля 2011 г .; Марк Бёрнворт и др.: Оптически излечиваемые супрамолекулярные полимеры. в: Nature, том 472, стр. 334-337, DOI: 10.1038 / nature09963
- ↑ Андреас Клингберг, Эйке Кляйне-Бенне: Анализ полимеров : использование хроматограммы в качестве отпечатка пальца. В: LABO. 6 декабря 2018, доступ к 30 июля 2021 .