Polymerkemi
Polymerkemi (även kallad makromolekylär kemi) är vetenskapen om kemisk syntes och kemiska egenskaper hos polymerer eller makromolekyler. Enligt IUPAC:s rekommendationer avser makromolekyler de enskilda molekylkedjorna och hör till kemins område. Polymerer beskriver massegenskaperna hos polymermaterial och tillhör området polymerfysik (en del av fysiken).
De olika typerna av makromolekyler omfattar:
- Biopolymerer som produceras av levande organismer:
- Strukturproteiner: kollagen, keratin, elastin och andra.
- Kemiskt funktionella proteiner: enzymer, hormoner, transportproteiner och andra.
- Strukturella polysackarider: cellulosa, kitin och andra.
- lagringspolysackarider: stärkelse, glykogen och andra.
- nukleinsyror: DNA, RNA
- Syntetiska polymerer som används för plastfibrer, färger, byggnadsmaterial, möbler, mekaniska delar och lim:
- Termoplaster: polyeten, teflon, polystyren, polypropen, polyester, polyuretan, polymetylmetakrylat, polyvinylklorid, nylon, rayon, celluloid, silikon och andra.
- Härdplaster: vulkaniserat gummi, bakelit, kevlar, epoxi och andra.
Polymerer bildas genom polymerisering av monomerer. Kemister beskriver en polymer med hjälp av dess polymeriseringsgrad, molmassafördelning, takticitet, sampolymerfördelning, förgreningsgrad, ändgrupper, tvärbindningar och kristallinitet. Kemister studerar också polymerens termiska egenskaper, t.ex. dess glasövergångstemperatur och smälttemperatur. Polymerer i lösning har särskilda egenskaper när det gäller löslighet, viskositet och gelering.
Historia
Polymerkemin började med att studera de långa fibrerna i växter. Henri Braconnots arbete 1777 och Christian Schönbeins arbete 1846 ledde till upptäckten av nitrocellulosa. Nitrocellulosa som behandlas med kamfer ger celluloid. Kemister löser celluloid i eter eller aceton för att göra kollodium. Läkare har använt kollodium som sårförband sedan det amerikanska inbördeskriget. Cellulosaacetat framställdes för första gången 1865. År 1834 upptäckte Friedrich Ludersdorf och Nathaniel Hayward oberoende av varandra att tillsats av svavel till rå naturgummi (polyisopren) hjälpte till att förhindra att materialet blev klibbigt. År 1844 fick Charles Goodyear ett amerikanskt patent för vulkanisering av gummi med svavel och värme. Thomas Hancock hade året innan fått patent för samma process i Storbritannien.
År 1884 startade Hilaire de Chardonnet den första konstfiberfabriken baserad på regenererad cellulosa, eller viskos, som ersättning för silke, men den var mycket lättantändlig. År 1907 uppfann Leo Baekeland den första syntetiska polymeren, ett värmehärdande fenol-formaldehydharts som kallas bakelit. Ungefär samtidigt rapporterade Hermann Leuchs om syntesen av N-carboxyanhydrider och deras produkter med hög molekylvikt vid reaktion med nukleofiler. Leuchs kallade dem dock inte för polymerer, möjligen på grund av de starka åsikter som Emil Fischer, hans direkta handledare, hade och som förnekade möjligheten av en kovalent molekyl som översteg 6 000 dalton. Cellofan uppfanns 1908 av Jocques Brandenberger, som sprutar in ark av viskos i ett syrabad.
1922 föreslog Hermann Staudinger (en tysk kemist) att polymerer är långa kedjor av atomer som hålls samman av kovalenta bindningar. Han föreslog också att dessa föreningar skulle kallas "makromolekyler". Innan dess trodde forskarna att polymerer var kluster av små molekyler (så kallade kolloider) utan bestämd molekylvikt som hölls samman av en okänd kraft. Staudinger fick Nobelpriset i kemi 1953.
Wallace Carothers uppfann det första syntetiska gummit, neopren, 1931. Neopren var den första polyesteren. Carothers uppfann nylon, en verklig silkesersättning, 1935. Paul Flory tilldelades Nobelpriset i kemi 1974 för sitt arbete om polymerers slumpmässiga spolkonfigurationer i lösning på 1950-talet. Stephanie Kwolek utvecklade en aramid, eller aromatisk nylon som heter Kevlar och som patenterades 1966.
Det finns nu ett stort antal kommersiella polymerer. De omfattar kompositmaterial som kolfiber-epoxy, polystyren-polybutadien (HIPS), akrylnitrilbutadien-styren (ABS). Kemister utformar kommersiella polymerer för att kombinera de bästa egenskaperna hos de olika komponenterna. Särskilda polymerer som används i bilmotorer är till exempel utformade för att fungera vid höga temperaturer.
Det tog lång tid innan universiteten införde undervisnings- och forskningsprogram inom polymerkemi. Ett "Institut fur Makromolekulare Chemie" grundades 1940 i Freiburg i Tyskland under ledning av Hermann Staudinger. I Amerika inrättades 1941 ett "Polymer Research Institute" (PRI) av Herman Mark vid Polytechnic Institute of Brooklyn (numera Polytechnic Institute of NYU). Flera hundra av PRI:s studenter spelade en viktig roll inom den amerikanska polymerindustrin och den akademiska världen. Andra PRI grundades 1961 av Richard S. Stein vid University of Massachusetts, Amherst, 1967 av Eric Baer vid Case Western Reserve University och 1988 vid University of Akron.
Frågor och svar
F: Vad är polymerkemi?
S: Polymerkemi (även kallad makromolekylär kemi) är vetenskapen om kemisk syntes och kemiska egenskaper hos polymerer eller makromolekyler.
F: Vilka är några exempel på biopolymerer som produceras av levande organismer?
S: Exempel på biopolymerer som produceras av levande organismer är strukturella proteiner som kollagen, keratin och elastin, kemiskt funktionella proteiner som enzymer, hormoner och transportproteiner, strukturella polysackarider som cellulosa och kitin, lagringspolysackarider som stärkelse och glykogen samt nukleinsyror som DNA och RNA.
F: Vilka är några exempel på syntetiska polymerer som används för plast?
S: Exempel på syntetiska polymerer som används för plast är termoplaster som polyeten, teflon, polystyren, polypropen, polyester, polyuretan, polymetylmetakrylat, nylon, rayon, celluloid, silikon, värmehärdande plaster som vulkaniserat gummi, bakelit, kevlar, epoxi.
F: Hur bildas polymermolekyler?
S: Polymermolekyler bildas genom polymeriseringsprocessen som innebär att monomerer kombineras med varandra för att bilda en större molekyl.
F: Hur beskriver kemister en polymer?
A: Kemister beskriver en polymer utifrån dess polymeriseringsgrad (antalet monomerenheter i kedjan), molarmassefördelning (den relativa mängden som varje typ av monomerenhet bidrar med till den totala massan), takticitet (hur regelbundet eller oregelbundet monomerna är ordnade längs kedjan), Fördelning av sampolymerer (hur stor andel som består av olika typer/monomerer), grad av förgrening (hur många grenar det finns i huvudkedjan), ändgrupper (typen/typerna i varje ände), tvärbindningar (förbindelser mellan två eller flera kedjor) och kristallinitet (hur ordnad den är).
F: Vilka termiska egenskaper studerar kemister när de tittar på en polymer?
S: När kemister undersöker en polymer studerar de dess glasövergångstemperatur och smälttemperatur, som är relaterade till dess termiska egenskaper.
F: Vilka särskilda egenskaper har en polymer i lösning?
S: När en polymer är i lösning har den särskilda egenskaper som rör löslighet, viskositet och gelering.
