polymerer – Store norske leksikon (original) (raw)

Polymerer er kjemiske forbindelser som består av kjedeformede molekyler. Syntetiske polymerer lages i laboratoriet og er hovedkomponenten i plastprodukter. Naturlige polymerer fremstilles i levende organismer.

Faktaboks

Uttale

polymˈerer

Etymologi

av poly- og -mer

Proteiner, DNA og RNA er eksempler på naturlige polymerer der enkeltdelene utgjøres av henholdsvis aminosyrer og nukleotider. Noen eksempler på syntetiske polymerer er polyetylen, polyvinylklorid og polyamid. Noen naturlige polymerer (biopolymerer) er cellulose, proteiner og kautsjuk. De fleste polymerer er organiske, men også uorganiske finnes, blant annet mange naturlige silikater, glass og plastisk svovel.

Alle polymerer er bygd opp av repeterende strukturelle enheter dannet av mindre molekyler som kalles monomerer. Polymeren holdes sammen av kovalente bindinger som repeteres gjennom hele strukturen.

Polymerer der alle enhetene er dannet fra én enkelt monomer kalles homopolymerer. Hvis de er fra to eller flere forskjellige monomerer, kalles de kopolymerer. Det totale antall monomerenheter i et polymermolekyl angis ved polymerisasjonsgraden.

Fremstilling og anvendelse

Syntetiske polymerer fremstilles ved polymerisasjon av utgangsstoffer hovedsakelig fra petrokjemisk industri. De anvendes som råstoff (basisplast) i produksjon av plast og som råstoff i gummi, elastomerer, fibrer, lim, maling og lakk.

Struktur og egenskaper

Når polymerisasjonsgraden er tilstrekkelig høy (for polyetylen vil det si fra cirka 500 og oppover), har polymeren en viss styrke og typisk materialkarakter, og den regnes da som høypolymer. De syntetiske høypolymerene består for øvrig alltid av blandinger av molekyler av forskjellig størrelse, så polymerisasjonsgraden og molekylmassen må angis som middelverdier.

Årsaken til at mange av de høypolymere stoffene har materialegenskaper, er at molekylene består av lange, fleksible kjeder som er mer eller mindre innfiltret i hverandre. Hvis friksjonen mellom kjedene er relativt stor (på grunn av store, stive eller polære sidegrupper på kjedene), er polymeren enten overveiende plastisk eller den har en glassaktig karakter. Om virkningen av tverrbindinger mellom kjedene, se herding. Er friksjonen mellom kjedene liten, kan polymeren være gummiaktig, særlig etter innføring av spredte tverrbindinger mellom kjedene (vulkanisering), slik at polymeren ikke skal flyte når den utsettes for påkjenninger. Fibre dannes av polymerer ved spinning og orientering av kjedene i fiberretningen (fiberstruktur).

Krystallinitet

Hos de homopolymerene som har en helt regelmessig struktur, opptrer det gjerne små områder med krystallinsk orden (krystallitter). Det kan vises ved røntgendiffraksjon at polymerkjeder i disse områdene oftest har foldet seg opp på seg selv, vanligvis med en foldelengde på 20–30 nanometer. Det dannes dermed krystallinske lameller med denne tykkelsen, og molekylenes lengderetning er vinkelrett på lamellens plan. Tallrike slike lameller vokser ut i alle retninger fra små kimer i polymeren (ofte forurensninger) og videre på hverandre slik at det dannes kuleformede (sfæriske) krystallittansamlinger, såkalte sfærulitter. Disse er ofte synlige i lysmikroskop med polarisert lys. Samme polymerkjede kan ta del i dannelsen av flere krystallitter og derved binde disse sammen.

En krystallinsk polymer har derfor større hardhet, formbestandighet og styrke enn en tilsvarende ikke-krystallinsk. Polyetylen, polypropylen (isotaktisk), polyamider, polyformaldehyd med flere har gjerne høy krystallinitet. De er plaster, og flere av dem er spesielt egnet til fremstilling av fibrer på grunn av krystalliniteten.

Polymerer som skal være gummielastiske, elastomere, må ikke være særlig krystallinske, idet kjedene må kunne bevege seg relativt fritt.

Visse såkalte flytende-krystallinske polymerer (blant annet aromatiske polyamider og polyestere) har kjedemolekyler eller stive, flate, usymmetriske sidegrupper. I smelte eller konsentrert løsning kan de ha områder med karakter av flytende krystaller. I disse krystallinske områdene er kjedene ikke foldet, men utstrakte. I den stivnede polymeren vil disse krystallinske områdene virke som en fiberarmering (selvforsterkende polymer). Ved en spesiell teknikk lar slike polymerer seg spinne til fibrer som har en usedvanlig høy styrke og modul. Dette skyldes den nærmest 100 prosent krystallinske strukturen av utstrakte kjeder. Teknikken er også utviklet for polymerer uten flytende-krystallinsk struktur og gir fibrer med tilsvarende høy styrke og modul.

Taktisitet

Mange polymerer, som for eksempel alle vinylpolymerer og poly-α-olefiner, har asymmetriske karbonatomer i kjeden og derved mulighet for to forskjellige konfigurasjoner (se stereokjemi) ved hvert av disse.

For polymerisasjonen av α-olefiner er det utviklet stereospesifikke katalysatorer som kan gi to former for orden eller taktisitet:

Begge former for taktisitet kan gi krystallinitet.

Industrielt produsert polypropylen er isotaktisk og sterkt krystallinsk. Isotaktiske polymerkjeder antar gjerne en heliksstruktur, og det er i denne formen de opptrer i krystallittene. Ved polypropylenproduksjonen dannes det som biprodukt litt ataktisk polymer, det vil si et polypropylen som mangler ovennevnte orden, og som derfor er lite krystallinsk, mykt og med dårlige materialegenskaper.

Polyvinylklorid produseres bare som ataktisk, men her vil de polare gruppene (C–Cl) gi plasten fasthet og styrke likevel.

Stereoregularitet

En annen form for orden foreligger hos dienpolymerer (polybutadien, polyisopren). Disse har en dobbeltbinding i alle monomerenhetene og kan ha cis- eller trans-struktur. Bare trans-formen gir en polymer (for eksempel guttaperka) som er sterkt krystallinsk ved vanlig temperatur, mens cis-formen (for eksempel naturgummi) ikke er krystallinsk før ved lavere temperaturer.

Flyteegenskaper

Polymerenes flyteegenskaper (reologi) er mer kompliserte (ikke-newtonske) enn hos laveremolekylære væsker. De er høyviskøse og viser utpreget pseudoplastisitet (se plastisitet) og viskoelastisitet. Krystallinitet kompliserer bildet ytterligere. Alle disse forholdene er viktige i forbindelse med bearbeidingsprosessene i plast-, gummi- og fiberindustrien og for bruksegenskapene til produktene.

Glasstemperaturen, _T_g, er karakteristisk for hver amorf polymer. Under denne temperaturen kan polymerkjedene betraktes som fastfrosset i forhold til hverandre, og polymeren er hard og glassaktig.

Molekylkarakterisering

Av hensyn til produktets kvalitet må den polymerproduserende industrien nøye kontrollere polymerens molekylegenskaper. Det omfatter spesielt måling av midlere molekylmasse, molekylmassefordelingen (polydispersiteten), forgreningsgraden, taktisiteten, strukturelle uregelmessigheter og i kopolymerer de forskjellige monomerenheters fordeling i kjedene.

Løsninger

Løsninger av polymerer er relativt viskøse. Både i løsning og i amorf tilstand er polymermolekylene mer eller mindre tilfeldig oppkrøllet. Høypolymerer har molekyler av kolloidal størrelse, og de klassifiseres derfor også som molekylkolloider.

Typer

Polymerer kan være

De to siste kan dannes fordi flerfunksjonelle monomerer er til stede under polymerisasjonen (se funksjonalitet) eller på grunn av utilsiktede bireaksjoner. Ferdige lineære eller forgrenede polymerer kan tverrbindes kjemisk til fornettede polymerer, slik det gjøres ved vulkanisering av gummi og herding av mange plasttyper. Slike polymerer kan ikke lenger gjøres flytende eller gå i løsning, bare svelle.

Kopolymerer

Ulike typer kopolymerer.

For å oppnå produkter med andre egenskaper enn den rene homopolymeren, kan man fremstille polymerer som består av to eller flere forskjellig monomerer. Disse kalles kopolymerer. Hos tilfeldige (random) kopolymerer opptrer de forskjellige slags monomerenhetene i en mer eller mindre tilfeldig rekkefølge i polymerkjedene. Hos statistiske kopolymerer følger den en eller annen statistisk lovmessighet. Alternerer enhetene regelmessig langs kjeden, kalles det en alternerende kopolymer. Blokk-kopolymerer har hvert slag monomerenhet samlet i relativt lange kjedestykker (blokker, sekvenser). Podede kopolymerer har en hovedkjede av én polymertype og forgreninger av en annen.

Elektrisk ledende polymerer

Mange polymertyper (for eksempel polyacetylen, polyfenylen og polypyrrol) med konjugerte dobbeltbindinger gjennom hele molekylet, får en meget høy elektrisk ledningsevne (opp mot metallers) når de dopes med (tilsettes) noen prosent av et stoff som kan gi elektronutveksling med polymeren (for eksempel halogener, arsenpentafluorid og perklorater). Slike polymerer brukes i batterier, antistatiske belegg og skjermer mot elektromagnetisk støy. Mulige anvendelser er også i solceller, transistorer og andre elektroniske komponenter.

Elektrisk ladede polymerer

Polymerer med atomgrupper som dissosierer i vandig løsning, og derved gir polymerkjeder med elektriske ladninger, kalles polyelektrolytter.

Stigepolymerer

Polymerer med to parallelle hovedkjeder som holdes sammen av relativt tettsittende kjemiske broer eller tverrbindinger, kalles stigepolymerer.

Nomenklatur

Vanlige kommersielle polymerer gis oftest navn etter den monomeren de er fremstilt av. For eksempel lages polyvinylklorid ved hjelp av vinylklorid, og polyformaldehyd ved hjelp av formaldehyd.

Skal man bruke et mer strukturbasert system, gis lineære homopolymerer navn etter det bivalente radikalet som kjeden kan ansees som bygd opp av. Eksempel: poly(kloretylen) for polyvinylklorid og poly(oksymetylen) for polyformaldehyd.

Produksjon

Den totale verdensproduksjonen av syntetiske polymerer (plast) lå i 2016 på 335 millioner tonn per år, mens den til sammenligning var 100 millioner tonn per år i 1989. Med få unntak er de basert på petrokjemiske primærprodukter som råstoff.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer