Πολυμερή - Πλαστικά 🧪

Τι είναι τα πολυμερή

Τα πολυμερή είναι ενώσεις οι οποίες αποτελούνται από πολύ μεγάλα μόρια, φτιαγμένα από έναν μεγάλο αριθμό επαναλαμβανόμενων υπομονάδων. Η μοριακή αυτή (υπο)μονάδα, η οποία χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του πολυμερούς, ονομάζεται μονομερές, και οι αντιδράσεις μέσω των οποίων το μονομερές ενώνεται προς το μεγαλομόριο λέγονται αντιδράσεις πολυμερισμού.

Ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής τους, τα πολυμερή διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: πολυμερή προσθήκης και πολυμερή συμπύκνωσης.

Ανάλογα με την προέλευσή τους, τα πολυμερή διακρίνονται σε:

• Βιοπολυμερή: πολυμερή που παράγει η φύση, όπως τα παράγωγα της γλυκόζης (άμυλο και κυτταρίνη) καθώς και οι πρωτεΐνες του μεταξιού και του μαλλιού (πολυαμίδια ή πολυπεπτίδια).
• Συνθετικά και τεχνητά πολυμερή: πολυμερή που παράγονται στο εργαστήριο και στη βιομηχανία και όχι από τη φύση.

Ο όρος πλαστικά αφορά μια μεγάλη κατηγορία πολυμερών και χρησιμοποιείται για να τα ξεχωρίσουμε από τα συνθετικά ελαστικά και τις συνθετικές υφάνσιμες ίνες.

Το περιβαλλοντικό πρόβλημα των πλαστικών

Επειδή τα περισσότερα συνθετικά ή τεχνητά πολυμερή είναι παράγωγα του εργαστηρίου και της βιομηχανίας και όχι της φύσης, δεν είναι «βιοαποσυντιθέμενα». Αυτό συμβαίνει επειδή η φύση δεν τα αναγνωρίζει και δεν έχει τρόπο να τα αποβάλει, να τα απορροφήσει ή να τα αφομοιώσει.

Πολλά από αυτά τα υλικά είναι καύσιμα, όμως η καύση ή η πυρόλυσή τους δεν αποτελεί πάντα κατάλληλη μέθοδο απόρριψης, καθώς προκαλεί σοβαρή ρύπανση του αέρα. Για τον λόγο αυτό, οι προσπάθειες της επιστήμης στρέφονται:

• στην παρασκευή βιοαποσυντιθέμενων πλαστικών,
• και στην ανακύκλωση των πλαστικών απορριμμάτων.

Θερμοπλαστικά και θερμοστατικά πολυμερή

Ανάλογα με τη συμπεριφορά τους κατά τη θέρμανση, τα πολυμερή διακρίνονται σε θερμοπλαστικά και θερμοστατικά.

• Τα θερμοπλαστικά μαλακώνουν όταν θερμαίνονται και, με κατάλληλη πίεση, μπορούν να μορφοποιηθούν σε διάφορα σχήματα. Όταν ψυχθούν, επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση.
• Τα θερμοστατικά συνήθως σκληραίνουν με τη θέρμανση και δεν επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση όταν ψυχθούν.

Πολυμερή προσθήκης

Από τον μηχανισμό της αντίδρασης πολυμερισμού προσθήκης προκύπτει ότι οι καλύτερες πρώτες ύλες (μονομερή) είναι τα αλκένια, αφού διαθέτουν διπλό δεσμό που «ανοίγει» για να ενωθούν τα μόρια μεταξύ τους. Έτσι, τα πρώτα και πιο σημαντικά πολυμερή προέκυψαν από το αιθένιο και το προπένιο:

Το χλωροαιθένιο ή βινυλοχλωρίδιο, $CH_2=CHCl$, πολυμεριζόμενο δίνει ένα πολυμερές γνωστό ως PVC (Πολυβινυλοχλωρίδιο). Το PVC έχει μέση σχετική μοριακή μάζα περίπου 1.500.000 και είναι σκληρό και ανθεκτικό υλικό. Με αυτή τη μορφή χρησιμοποιείται για την κατασκευή σωλήνων, δίσκων φωνογράφου κ.λπ. Αν αναμειχθεί με εστέρες, μπορεί να γίνει πιο μαλακό — γι' αυτό οι εστέρες λειτουργούν σαν πλαστικοποιητές. Το πλαστικοποιημένο PVC χρησιμοποιείται για την παρασκευή «δέρματος βινυλικού», από το οποίο κατασκευάζονται πλαστικά αδιάβροχα, κουρτίνες μπάνιου κ.λπ.

Άλλα σημαντικά πολυμερή προσθήκης είναι:

• Ο πολυμερισμός του ακρυλονιτριλίου, $CH_2=CHCN$, δίνει το πολυακρυλονιτρίλιο, το οποίο διαλυόμενο σε κατάλληλο διαλύτη μπορεί να δώσει συνθετικές υφάνσιμες ίνες (Orlon).
• Το Teflon παράγεται από τον πολυμερισμό του τετραφθοροαιθυλενίου, $CF_2=CF_2$, παρουσία $Fe^{2+}$, $H_2O_2$ και $H_2O$. Έχει σημείο τήξης 327 °C, ασυνήθιστα υψηλό για πολυμερές προσθήκης, είναι αδρανές στα χημικά αντιδραστήρια και έχει πολύ μικρό συντελεστή τριβής.
• Ένα πολυμερές με εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες παράγεται από τον πολυμερισμό του μεθακρυλικού μεθυλίου, $CH_2=CH(CH_3)COOCH_3$.
• Από τον συμπολυμερισμό βινυλοχλωριδίου και 1,1-διχλωροαιθυλενίου (βινυλιδενοχλωρίδιο) παράγεται το κυριότερο υλικό κατασκευής ειδών συσκευασίας και περιτυλίγματος τροφίμων.

Οι ιδιότητες των πολυμερών προσθήκης —όπως η κρυσταλλική ή μη δομή τους, το σημείο τήξης ή μαλάκυνσής τους, η πυκνότητα και οι μηχανικές τους ιδιότητες— εξαρτώνται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες παραγωγής τους, οι οποίες τελικά διαμορφώνουν τη στερεοχημεία του πολυμερούς. Με τη χρήση των λεγόμενων καταλυτών Ziegler-Natta είναι πλέον δυνατός ο στερεοχημικός έλεγχος του παραγόμενου πολυμερούς.

Πολυμερή συμπύκνωσης

Στα πολυμερή συμπύκνωσης, οι μονομερείς ομάδες ενώνονται με ταυτόχρονη απόσπαση μικρών μορίων, όπως το $H_2O$, ανάμεσα στα μόρια που ενώνονται. Εκτός από τις πρωτεΐνες, τα πιο σημαντικά πολυμερή συμπύκνωσης είναι τα πολυαμίδια, οι πολυεστέρες, οι πολυουρεθάνες και οι ρητίνες φορμαλδεΰδης.

Πολυαμίδια

Τα πολυαμίδια έχουν επαναλαμβανόμενη μονάδα $(-NH-CO-)_\nu$. Η έρευνα για ένα συνθετικό υλικό με ιδιότητες ανάλογες με εκείνες του μεταξιού οδήγησε στην ανακάλυψη μιας ολόκληρης οικογένειας συνθετικών πολυαμιδίων, γνωστών με το γενικό όνομα Nylon.

Ένα από τα πιο σημαντικά είναι το Nylon 6,6. Παρασκευάζεται από ένα δικαρβοξυλικό οξύ με έξι άτομα άνθρακα (το πρώτο «6» στην ονομασία), το αδιπικό οξύ, και από μια διαμίνη με έξι άτομα άνθρακα (το δεύτερο «6»), την εξαμεθυλενοδιαμίνη. Στη βιομηχανική παραγωγή, οι δύο αυτές ενώσεις αντιδρούν σε ισομοριακές αναλογίες ώστε να δώσουν ένα άλας 1:1 (το «άλας του Nylon»). Στη συνέχεια, το άλας αυτό θερμαίνεται στους 270 °C και σε πίεση περίπου 17 atm, οπότε πολυμερίζεται προς το πολυαμίδιο.

Το Nylon 6,6 που παράγεται με αυτές τις συνθήκες έχει σχετική μοριακή μάζα περίπου 10.000 και σημείο τήξης περίπου 250 °C. Όταν λιώσει, μπορεί να μορφοποιηθεί σε ίνες, οι οποίες στη συνέχεια επιμηκύνονται μηχανικά σε μήκος τετραπλάσιο του αρχικού τους. Η επεξεργασία αυτή αυξάνει σημαντικά τις μηχανικές του ιδιότητες.

Πολυεστέρες

Ένας από τους σπουδαιότερους πολυεστέρες είναι ο πολυαιθυλενοτερεφθαλικός εστέρας. Μπορεί να παρασκευαστεί με αντίδραση μετεστεροποίησης και στη συνέχεια πολυμερισμό του νέου εστέρα: αρχικά θερμαίνεται (περίπου στους 200 °C) διμεθυλοτερεφθαλικός εστέρας με περίσσεια αιθυλενογλυκόλης (το γνωστό «αντιψυκτικό» των ψυγείων αυτοκινήτων). Έτσι προκύπτει ο νέος εστέρας, ο οποίος στη συνέχεια πολυμερίζεται προς τον πολυαιθυλενοτερεφθαλικό πολυεστέρα. Με τη μορφή υφάνσιμων συνθετικών ινών είναι γνωστός με τα ονόματα Dacron και Terylene.

Πολυουρεθάνες

Μια ουρεθάνη παράγεται από την αντίδραση μιας αλκοόλης με ένα ισοκυανικό ομόλογο:

Οι πολυουρεθάνες συνήθως παράγονται με αντίδραση μιας διόλης (πολυμερές με πρωτοταγείς ομάδες $-OH$) με ένα διισοκυανικό παράγωγο, συνήθως το τολουολο-2,4-διισοκυανικό. Η προσθήκη μικρής ποσότητας νερού στο μείγμα που πολυμερίζεται προκαλεί μερική υδρόλυση της ομάδας $R-N=C=O$ προς $CO_2$. Αυτό είναι που δημιουργεί τον αφρό της πολυουρεθάνης.

Πολυμερή φορμαλδεΰδης-φαινόλης

Ένα από τα πρώτα συνθετικά πολυμερή που παρήχθησαν ήταν ένα πολυμερές (ή ρητίνη) γνωστό ως βακελίτης. Παράγεται με αντίδραση συμπύκνωσης μεταξύ φαινόλης, $C_6H_5OH$, και φορμαλδεΰδης, $HCH=O$, με καταλύτες οξέα ή βάσεις. Το παραγόμενο πολυμερές έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης και είναι μονωτικό του ηλεκτρισμού.

Συγκεντρωτικός πίνακας βασικών πλαστικών