Kolokwium P3 – technologia chemiczna

Monomery – cząsteczki tego samego lub kilku różnych związków chemicznych o stosunkowo niedużej masie cząsteczkowej, z których w wyniku reakcji polimeryzacji, mogą powstawać różnej długości polimery. Fragmenty monomerów w strukturze polimeru noszą nazwę merów.

Monomery stosowane do syntezy polimerów syntetycznych można zaklasyfikować do trzech grup:
* monomery winylowe – związki posiadające wiązania wielokrotne węgiel-węgiel, (jak np. etylen CH2=CH2), które pękają w trakcie reakcji polimeryzacji.
*monomery cykliczne – związki zawierające labilne układy cykliczne (np. cyklobutan), które ulegają otwarciu pierścienia w trakcie polimeryzacji − otrzymuje się w ten sposób m.in. poliamidy
* monomery funkcyjne – związki posiadające minimum dwie reaktywne grupy funkcyjne, które w wyniku reakcji polikondensacji lub poliaddycji prowadzą do powstania polimerów zawierających charakterystyczne układy wiązań.

Aby mogły brać udział w polimeryzacji:
- musi mieć wiązania podwójne
- musi być cykliczny
- musi mieć przynajmniej dwie reakcyjne grupy funkcyjne

Polimery – substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Polimery organiczne
* poliolefina – polimery zawierające tylko węgiel i wodór, w których występują długie łańcuchy węglowe -C-C-C-. Do najbardziej znanych przykładów zaliczają się polietylen, polipropylen i polistyren
* polimer winylowy – polimery otrzymywane w wyniku rozerwania wiązań C=C występujących w monomerach, na skutek czego powstają długie łańcuchy węglowe( poliakrylan, polimetakrylan, polichlorek winylu itp., a więc zawierające oprócz węgla i wodoru także inne atomy.)
* polieter – polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania eterowe, najbardziej znanym przedstawicielem jest (tlenek etylenu)
* poliamidy – polimery w których występuje wiązanie amidowe (-NH-C(O)-)
* poliestry – polimery, w których w głównych łańcuchach występuje wiązanie estrowe (-C(O)-O-)

Polimery nieorganiczne
Są to polimery, w których w głównych łańcuchach nie występują atomy węgla.

Polimeryzacja – reakcja, w wyniku której związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej zwane monomerami lub mieszanina kilku takich związków reagują same ze sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer.

Reakcje polimeryzacji można podzielić na:
* polimeryzacje stopniowe (polikondensacje) – w których reakcja następuje "krok po kroku", tj. najpierw reagują z sobą dwa monomery tworząc dimer, a następnie dimery reagują z sobą tworząc tetramery itd. ; w stopniowej polimeryzacji masa cząsteczkowa produktu bardzo silnie zależy od stopnia przereagowania monomerów; aby uzyskać polimer o dużej masie cząsteczkowej należy osiągnąć wysoki stopień przereagowania monomerów
* polimeryzacje łańcuchowe (addycyjne) – w których reakcja następuje "lawinowo", zaczyna się ona od reakcji inicjowania aktywnej formy monomeru, która jest w stanie przyłączać do siebie kolejne monomery w reakcji propagacji pozostając aktywna aż do momentu "śmierci" w wyniku reakcji terminacji; reakcje terminacji i inicjacji przebiegają stosunkowo wolno, natomiast reakcja propagacji przebiega błyskawicznie, dzięki czemu można w tym procesie uzyskać polimery o dużych masach cząsteczkowych; w polimeryzacji łańcuchowej nie potrzeba osiągać wysokiego stopnia przereagowania monomerów; masa cząsteczkowa uzyskiwanego polimeru zależy głównie od stosunku szybkości reakcji inicjacji i terminacji do szybkości reakcji propagacji; szczególnym przypadkiem polimeryzacji łańcuchowej jest polimeryzacja żyjąca.
- rodnikowa ( metoda syntezy polimerów, centra aktywne to rodniki czyli cząsteczki zawierające niesparowane elektrony, monomery które ulegają polimeryzacji są związki z nienasyconym
wiązaniem C=C )

- jonowa
- koordynacyjna

Kopolimeryzacja – polimeryzacja z udziałem co najmniej dwóch różnych monomerów, która prowadzi do otrzymania kopolimerów. W zależności od wzajemnej reaktywności względnej monomerów reakcja ta prowadzi do otrzymania polimerów o różnym składzie i dystrybucji merów w końcowym polimerze. Mechanizm kopolimeryzacji zależy od stężenia i reaktywności poszczególnych monomerów.

Polikondensacja – reakcja polimeryzacji, przebiegająca stopniowo i z wydzieleniem niskocząsteczkowego produktu ubocznego (np. wody, metanolu, glikolu). Obecnie od tego terminu stopniowo się odchodzi, stosując zamiast niego termin polimeryzacja stopniowa. Jest on jednak wciąż popularny w przemyśle.

Tworzywa sztuczne wytwarzane przez polikondensację
Ważniejsze polimery otrzymywane przez polikondensację to:
* poliamidy – tworzywa o dość wysokiej temperaturze mięknięcia, stosowane jako włókna i tworzywa lite.
* niektóre poliestry – stosowane jako tworzywa do opakowań, materiał budowlany, lepiszcza i włókna.
* Żywice

Estryfikacja – reakcja chemiczna, w wyniku której powstają estry. Najczęściej zachodzi ona pomiędzy kwasami (głównie karboksylowymi) i alkoholami (szerzej: związkami zawierającymi grupę hydroksylową), niemniej możliwe i często stosowane są inne metody syntezy estrów np. z bezwodników czy chlorków kwasowych.

Reakcja estryfikacji z użyciem kwasu i alkoholu, której produktem ubocznym jest woda, jest zazwyczaj reakcją równowagową. Aby zapewnić jej wysoką wydajność należy z układu reakcji usuwać przynajmniej jeden z produktów i jest nim najczęściej woda.

Inicjatory polimeryzacji, związki chemiczne służące do rozpoczęcia reakcji polimeryzacji. Inicjatory polimeryzacji mają wpływ zarówno na mechanizm polimeryzacji, jak i jej szybkość oraz cechy produktu.

Rozróżnia się następujące rodzaje inicjatorów polimeryzacji:
- inicjatory polimeryzacji wolnorodnikowej
- inicjatory polimeryzacji kationowej
- inicjatory polimeryzacji anionowej
- inicjatory polimeryzacji koordynacyjnej
* np. jod, nadsiarczan, nadsiarczan + tiosiarczan, NMBA, nadsiarczan amonu w tandemie z TEMEDem)



Przemysłowe sposoby otrzymywania polimerów:
- polimeryzacja w masie;
- polimeryzacja w suspensji;
- polimeryzacja w emulsji;
- polimeryzacja strąceniowa;
- polimeryzacja rozpuszczalnikowa

Polietylen lub polieten – polimer etenu. Symbol przemysłowy: PE.
Polietylen LD jest giętki, woskowaty, przezroczysty, termoplastyczny. Traci elastyczność pod wpływem światła słonecznego i wilgoci. Synteza polietylenu jest przykładem polimeryzacji rodnikowej w przypadku LDPE i koordynacyjnej w przypadku HDPE i LLDPE.



Folie z PE charakteryzują się małą przenikalnością dla pary wodnej, łatwo przepuszczają pary substancji organicznych, nie są odporne na węglowodory i ich chloro pochodne. Są odporne na działanie roztworów kwasów, zasad i soli oraz niską temperaturę. Używany do wyrobu: folii, rur, pojemników, nart, żagli, markerów, zmywaczy do paznokci oraz toników.

Polipropylen – organiczny związek chemiczny, polimer z grupy poliolefin, który zbudowany jest z merów o wzorze –[CH2CH(CH3)]–.
Otrzymuje się go w wyniku niskociśnieniowej polimeryzacji propylenu. Polipropylen jest jednym z dwóch, obok polietylenu, najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych. Na przedmiotach produkowanych z tego tworzywa umieszcza się zwykle symbol PP.

Polipropylen jest węglowodorowym polimerem termoplastycznym, tzn. daje się wprowadzić w stan wysokoelastyczny pod wpływem zwiększenia temperatury oraz z powrotem zestalić po jej obniżeniu, bez zmian własności chemicznych.

Polistyren (-[CH2CH(C6H5)]n-) − polimer z grupy poliolefin.
Otrzymywany w procesie polimeryzacji styrenu, pochodzącego zwykle z procesu katalitycznego odwodornienia etylobenzenu (ok. 85% światowej produkcji)[potrzebne źródło], bądź z procesu Halcon-Oxirane (ok. 15% światowej produkcji)[potrzebne źródło] lub z rafinacji ropy naftowej.



Poli(chlorek winylu) (polichlorek winylu, PVC, PCW)
– polimer syntetyczny z grupy polimerów winylowych, otrzymywany w wyniku polimeryzacji chlorku winylu. Stosowany do wytwarzania tworzyw sztucznych. Ma właściwości termoplastyczne, charakteryzuje się dużą wytrzymałością mechaniczną, jest odporny na działanie wielu rozpuszczalników.



Poli(tlenek etylenu) – polimer z grupy polieterów, o ogólnym wzorze H-O-[-CH2-CH2-O-]n-H gdzie n wynosi od 4 do 120. W zależności od masy cząsteczkowej mogą być cieczami lub ciałami stałymi. Największe zastosowanie znajdują gęste ciecze o masie cząsteczkowej od 200 do 600.

Makrogole są higroskopijne, najczęściej bezbarwne. Mieszają się z wodą w każdym stosunku, rozpuszczają się również w etanolu 95%, glicerolu, chloroformie, acetonie, innych glikolach.
Stosowane są jako rozpuszczalniki, emulgatory i środki zwiększające lepkość ciekłych kosmetyków i leków, a także pod nazwą „poliol”, jako jeden z substratów do produkcji poliuretanów. Mogą być również stosowane jako środek konserwujący, rozpuszczalny w wodzie produkt woskowy, który powoli wnika w głąb drewna, wypierając wodę. W ten sposób zapobiega się kurczeniu i pękaniu drewna. Powszechnie stosowany do konserwacji zabytków drewnianych, wydobytych z mokrych stanowisk archeologicznych. Glikole polietylenowe są stosowane również jako katalizatory w reakcjach dwufazowych.

Tworzywa sztuczne – materiały składające się z polimerów syntetycznych (wytworzonych sztucznie przez człowieka i niewystępujących w naturze) lub zmodyfikowanych polimerów naturalnych oraz dodatków modyfikujących takich jak np. napełniacze proszkowe lub włókniste, stabilizatory termiczne, stabilizatory promieniowania UV, uniepalniacze, środki antystatyczne, środki spieniające, barwniki itp. Termin „tworzywa sztuczne” funkcjonuje obok często stosowanych określeń potocznych, np. plastik. Najściślejszym terminem obejmującym wszystkie materiały zawierające jako główny składnik polimer, bez rozróżniania, czy jest on pochodzenia sztucznego czy naturalnego, jest określenie „tworzywa polimerowe”.

Tworzywa polimerowe stanowią osobną grupę materiałów obok materiałów ceramicznych, metali i ich stopów oraz drewna, które, ze względu na budowę cząsteczek celulozy, również należy zaliczyć do naturalnych materiałów polimerowych.

Zaletami tworzyw polimerowych są: mała gęstość, odporność na korozję oraz łatwość przetwórstwa (niskie koszty wykonywania dużych serii gotowych wyrobów w porównaniu do innych grup materiałów). Ta ostatnia cecha głównie zadecydowała o wielkim rozwoju przemysłu tworzyw polimerowych w XX wieku i ich obecną wielką powszechnością w życiu codziennym człowieka.

Wadami tworzyw polimerowych są: mała odporność na wysokie temperatury i mniejsze właściwości mechaniczne (np. twardość, podatność na pełzanie) w porównaniu do np. metali lub ceramiki. Pomimo że właściwości mechaniczne większości tworzyw polimerowych są mniejsze w stosunku do metali, to włókna z niektórych tworzyw polimerowych (np. aromatyczne poliamidy – Kevlar) mogą wykazywać większą wytrzymałość na rozciąganie (powyżej 3500 MPa) nawet w stosunku do wysokogatunkowych stali. Podobnie bardzo wysoką wytrzymałością charakteryzują się kompozyty polimerowe.

Do wad tworzyw polimerowych zalicza się bardzo długi czas rozkładu, jeśli człowiek dokonuje zaśmiecania nimi środowiska naturalnego, czy też podczas składowania ich naskładowiskach odpadów. Tymczasem tworzywa polimerowe stanowią doskonałe materiały wtórne do ponownego przerobu w technologiach recyklingu, gdzie na samym końcu powinny one kończyć „swoje życie” jako materiał opałowy, ze względu na wysoką wartość opałową, często porównywalną do węgla. Pomimo zaawansowanych technologii wspalarniach odpadów, które eliminują emisję szkodliwych związków do środowiska^{[potrzebne źródło]}, wciąż obserwuje się wysoki opór społeczny podczas wyboru lokalizacji spalarni odpadów. Spalanie tworzyw polimerowych w gospodarstwach domowych jest zabronione, m.in. ze względu na za niską temperaturę spalania, może powodować to emisję doatmosfery silnie trujących związków.