Polymerkemi
Polymerkemi (også kaldet makromolekylær kemi) er videnskaben om kemisk syntese og kemiske egenskaber af polymerer eller makromolekyler. Ifølge IUPAC's anbefalinger henviser makromolekyler til de enkelte molekylære kæder og er et område inden for kemi. Polymerer beskriver polymermaterialers bulkegenskaber og hører til området polymerfysik (en del af fysikken).
De forskellige typer makromolekyler omfatter:
- Biopolymerer, der produceres af levende organismer:
- strukturelle proteiner: kollagen, keratin, elastin og andre
- kemisk funktionelle proteiner: enzymer, hormoner, transportproteiner og andre
- strukturelle polysaccharider: cellulose, chitin og andre
- lagringspolysaccharider: stivelse, glykogen og andre
- nukleinsyrer: DNA, RNA
- Syntetiske polymerer, der anvendes til plastfibre, maling, byggematerialer, møbler, mekaniske dele og klæbemidler:
- termoplast: polyethylen, teflon, polystyren, polypropylen, polyester, polyurethan, polymethylmethacrylat, polyvinylchlorid, nylon, rayon, celluloid, silikone og andre
- termohærdende plast: vulkaniseret gummi, bakelit, kevlar, epoxy og andre.
Polymerer dannes ved polymerisering af monomerer. Kemikere beskriver en polymer ved hjælp af polymeriseringsgrad, molarmassefordeling, takticitet, copolymerfordeling, graden af forgrening, endgrupper, tværbindinger og krystallinitet. Kemikere undersøger også polymerens termiske egenskaber som f.eks. dens glasovergangstemperatur og smeltetemperatur. Polymere i opløsning har særlige egenskaber med hensyn til opløselighed, viskositet og gelering.
Historie
Polymerkemien startede med at studere de lange fibre i planter. Henri Braconnots arbejde i 1777 og Christian Schönbein's arbejde i 1846 førte til opdagelsen af nitrocellulose. Nitrocellulose behandlet med kamfer giver celluloid. Kemikere opløser celluloid i æter eller acetone for at fremstille kollodium. Læger har brugt kollodium som sårforbinding siden den amerikanske borgerkrig. Celluloseacetat blev fremstillet første gang i 1865. I 1834 opdagede Friedrich Ludersdorf og Nathaniel Hayward uafhængigt af hinanden, at tilsætning af svovl til rå naturgummi (polyisopren) hjalp med at forhindre, at materialet blev klistret. I 1844 modtog Charles Goodyear et amerikansk patent på vulkanisering af gummi med svovl og varme. Thomas Hancock havde året før modtaget et patent på samme proces i Storbritannien.
I 1884 startede Hilaire de Chardonnet den første kunstfiberfabrik baseret på regenereret cellulose, eller viskose, som erstatning for silke, men det var meget brandfarligt. I 1907 opfandt Leo Baekeland den første syntetiske polymer, en termohærdende phenol-formaldehydharpiks kaldet bakelit. Omkring samme tid rapporterede Hermann Leuchs om syntesen af N-carboxyanhydrider og deres produkter med høj molekylvægt efter reaktion med nukleofile stoffer. Men Leuchs kaldte dem ikke for polymerer, muligvis på grund af de stærke holdninger hos Emil Fischer, hans direkte vejleder, som benægtede muligheden af ethvert kovalent molekyle på over 6.000 dalton. Cellofan blev opfundet i 1908 af Jocques Brandenberger, som sprøjtede viskoseark ned i et syrebad.
I 1922 foreslog Hermann Staudinger (en tysk kemiker), at polymerer var lange kæder af atomer, der blev holdt sammen af kovalente bindinger. Han foreslog også at give disse forbindelser navnet "makromolekyler". Før det troede forskerne, at polymerer var klynger af små molekyler (kaldet kolloider) uden bestemte molekylvægte, som blev holdt sammen af en ukendt kraft. Staudinger modtog Nobelprisen i kemi i 1953.
Wallace Carothers opfandt den første syntetiske gummi kaldet neopren i 1931. Neopren var den første polyester. Carothers opfandt derefter nylon, en ægte silkeerstatning, i 1935. Paul Flory fik Nobelprisen i kemi i 1974 for sit arbejde med polymere tilfældige spolekonfigurationer i opløsning i 1950'erne. Stephanie Kwolek udviklede en aramid eller aromatisk nylon ved navn Kevlar, som blev patenteret i 1966.
Der findes nu et stort antal kommercielle polymerer. De omfatter kompositmaterialer som kulfiber-epoxy, polystyren-polybutadien (HIPS), acrylonitrilbutadien-styren (ABS). Kemikere designer kommercielle polymerer for at kombinere de bedste egenskaber fra deres forskellige komponenter. F.eks. er specielle polymerer, der anvendes i bilmotorer, udviklet til at fungere ved høje temperaturer.
Der gik lang tid, før universiteterne indførte undervisnings- og forskningsprogrammer inden for polymerkemi. Et "Institut fur Makromolekulare Chemie" blev grundlagt i 1940 i Freiburg, Tyskland, under ledelse af Hermann Staudinger. I USA blev der i 1941 oprettet et "Polymer Research Institute" (PRI) af Herman Mark ved Polytechnic Institute of Brooklyn (nu Polytechnic Institute of NYU). Flere hundrede kandidater fra PRI spillede en vigtig rolle i den amerikanske polymerindustri og i den akademiske verden. Andre PRI'er blev grundlagt i 1961 af Richard S. Stein ved University of Massachusetts, Amherst, i 1967 af Eric Baer ved Case Western Reserve University og i 1988 ved University of Akron.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er polymerkemi?
A: Polymerkemi (også kaldet makromolekylær kemi) er videnskaben om kemisk syntese og kemiske egenskaber af polymerer eller makromolekyler.
Sp: Hvad er nogle eksempler på biopolymerer, der produceres af levende organismer?
A: Eksempler på biopolymerer, der produceres af levende organismer, omfatter strukturelle proteiner som kollagen, keratin og elastin, kemisk funktionelle proteiner som enzymer, hormoner og transportproteiner, strukturelle polysaccharider som cellulose og chitin, lagringspolysaccharider som stivelse og glykogen samt nukleinsyrer som DNA og RNA.
Sp: Hvad er nogle eksempler på syntetiske polymerer, der anvendes til plast?
A: Eksempler på syntetiske polymerer, der anvendes til plast, omfatter termoplaster som polyethylen, teflon, polystyren, polypropylen, polyester, polyurethan, polymethylmethacrylat, nylon, rayon, celluloid, silikone og termohærdende plast som vulkaniseret gummi, bakelit, kevlar, epoxy.
Spørgsmål: Hvordan dannes polymermolekyler?
A: Polymermolekyler dannes gennem polymeriseringsprocessen, som indebærer, at monomerer kombineres sammen til et større molekyle.
Spørgsmål: Hvordan beskriver kemikere en polymer?
A: Kemikere beskriver en polymer ud fra dens polymeriseringsgrad (antallet af monomerenheder i kæden), molarmassefordeling (den relative mængde, som hver type monomerenhed bidrager til den samlede masse), takticitet (hvor regelmæssig eller uregelmæssig monomerenhederne er anbragt langs kæden), copolymerfordeling (hvor stor en procentdel der består af forskellige typer/monomerer), forgreningsgrad (hvor mange forgreninger der er fra hovedkæden), endegrupper (typen/typerne i hver ende), tværbindinger (forbindelser mellem to eller flere kæder) og krystallinitet (hvor ordnet den er).
Spørgsmål: Hvilke termiske egenskaber undersøger kemikere, når de ser på en polymer?
A: Når kemikere undersøger en polymer, undersøger de dens glasovergangstemperatur og smeltetemperatur, som relaterer til dens termiske egenskaber.
Spørgsmål: Hvilke særlige egenskaber har en polymer, når den er opløst?
A: Når en polymer er i opløsning, har den særlige egenskaber i forbindelse med opløselighed, viskositet og gelering.
