Otrzymywanie polimerów
Reakcje chemiczne otrzymywania polimerów, tj. wytwarzania syntetycznych związków wielkocząsteczkowych, nazywane są zwyczajowo polireakcjami. Rozróżnia się trzy rodzaje polireakcji, którymi są: polimeryzacja, polikondensacja, poliaddycja.
Polimeryzacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek monomeru, któremu nie towarzyszy wydzielenie małocząsteczkowych produktów ubocznych. Proces ten można schematycznie przedstawić następująco:
nA ---->[A]n
gdzie:
n - liczba cząsteczek monomeru (stopień polimeryzacji),
A - cząsteczka monomeru,
Polimeryzacja przebiega bez zmian składu substancji reagujących. Powstający polimer różni się od monomeru tylko wielkością cząsteczki. W przedstawionym uprzednio procesie reaguje tylko jeden rodzaj monomeru. Taki proces jest nazywany homopolimeryzacją, a otrzymany produkt -homopolimerem. Jeżeli polimeryzacji ulega natomiast więcej niż jeden rodzaj monomeru, proces taki nazywa się kopolimeryzacją a powstający produkt - kopolimerem.
Polikondensacja jest procesem łączenia się wielu cząsteczek substancji wyjściowych w związek wielkocząsteczkowy z jednoczesnym wydzieleniem prostego związku małocząsteczkowego - jako produktu ubocznego reakcji. Skład chemiczny polimeru powstającego w wyniku polikondensacji nie jest identyczny ze składem substancji wyjściowych. Spowodowane jest to wydzieleniem się produktów ubocznych podczas procesu.
Poliaddycja ma charakter pośredni między polimeryzacją a polikondensacją. Podobnie jak polikondensacja jest to reakcja przebiegająca w sposób stopniowy, lecz nie jest procesem odwracalnym. Polimery otrzymywane w wyniku poliaddycji mają ten sam skład chemiczny co monomery, lecz różnią się od nich budową. Mechanizm omawianej reakcji reakcji polega najogólniej na przemieszczaniu atomu wodoru w cząsteczce monomeru, umożliwiając tym samym wzrost łańcucha polimeru.
Budowa związków wielkocząsteczkowych
Związki wielkocząsteczkowe odznaczają się posiadaniem zespołu charakterystycznych dla nich właściwości (wytrzymałość mechaniczna, elastyczność, plastyczność) wyraźnie różniących się od typowych związków małocząsteczkowych. Charakterystyczne właściwości związków wielkocząsteczkowych, jak również różnice występujące we właściwościach poszczególnych polimerów są wynikiem ich specyficznej budowy.
Budowa polimerów
Zależnie od rodzaju i właściwości reagujących między sobą monomerów otrzymuje się polimery:
- O budowie liniowej, tzn. o łańcuchu prostym,
- O łańcuchu rozgałęzionym,
- Przestrzennie usieciowane.
Od budowy polimerów zależy między innymi ich zachowanie się w podwyższonej temperaturze. Polimery o strukturze liniowej lub rozgałęzionej są polimerami termoplastycznymi. Ze względu na swoją strukturę nie utwardzają się one podczas ogrzewania, lecz stają się plastyczne, zachowując w podwyższonej temperaturze budowę liniową lub rozgałęzioną. Polimery termoplastyczne mogą więc być kształtowane wielokrotnie, a ich przerób w wysokich temperaturach nie prowadzi w sposób wyraźny do zaniku plastyczności, ani zdolności do formowania.
Polimery, w których pod wpływem działania podwyższonej temperatury następuje nieodwracalny proces tworzenia struktury przestrzennie usieciowanej, mogą być kształtowane tylko jednokrotnie. Noszą one nazwę polimerów termoutwardzalnych. W odróżnieniu od produktów o strukturze liniowej lub rozgałęzionej polimery takie są nie topliwe i nierozpuszczalne (po utwardzeniu). W przypadku niektórych polimerów nieodwracalne sieciowanie jest możliwe już w temperaturze pokojowej, dzięki użyciu odpowiednich związków chemicznych zwanych utwardzaczami. Polimery takie są nazywane polimerami chemoutwardzalnymi.
Polimery bezpostaciowe i krystaliczne
Ze względu na stopień uporządkowania struktury wewnętrznej wszystkie substancje stałe można podzielić na krystaliczne i bezpostaciowe (amorficzne). Substancje krystaliczne charakteryzują się regularnym ułożeniem atomów, cząsteczek lub jonów. W związku z tym mają one ściśle określoną temperaturę topnienia, w której lepkość i gęstość zmieniają się gwałtownie. Bezpostaciowe substancje stałe miękną stopniowo podczas ogrzewania i przechodzą w ciecz w pewnym zakresie temperatury.
Polimery o strukturze bezpostaciowej odznaczają się całkowicie nieuporządkowanym ułożeniem makrocząsteczek, a ich przemiany pod wpływem ogrzewania przebiegają w sposób stopniowy. Makrocząsteczki polimerów o strukturze bezpostaciowej są bezładnie splątane między sobą.
Stan krystaliczny polimerów występuje znacznie rzadziej niż amorficzny. Poza tym polimery, w przeciwieństwie do związków małocząsteczkowych, nie są na ogół całkowicie skrystalizowane. Tworzą one układ dwufazowy, w którym obok obszarów krystalicznych charakteryzujących się uporządkowanym przestrzennie ułożeniem makrocząsteczek, występują równocześnie obszary bezpostaciowe. Strukturę polimerów tworzących taki układ można więc określić jako częściowo krystaliczną. Procentowa zawartość postaci krystalicznej w tego typu polimerach nosi nazwę stopnia krystaliczności.
Podstawowym i zarazem niezbędnym warunkiem krystalizacji polimerów jest duża regularność i symetria w budowie łańcucha.Warunki takie spełniają między innymi: polietylen, polipropylen, politetrafluoroetylen, poliamidy i niektóre poliuretany.