Polimēri

Polimēri ir lielmolekulāri ķīmiski savienojumi ar virkņveida molekulām, kuras sastāv no liela skaita (līdz pat aptuveni 10⁵) elementārposmu, kas šajā virknē periodiski atkārtojas. Attiecīgo vielas elementārposmu sauc par monomēru. Rezultējošo polimēra molekulu nosaka pēc tās molekulmasas (polimerizācijas pakāpes). Polimēri var būt gan sintētiski ražoti, gan veidojušies dabiskos procesos. Kokvilna, zīds, ziloņkauls, dzintars un koks ir tikai daži dabiskas izcelsmes polimēru piemēri. Bieži vien polimērmateriālus sauc par plastmasām, taču plastmasas iegūst, polimēriem pievienojot papildvielas - plastifikatorus, krāsvielas, stabilizatorus vai pildvielas.
Polimēru un plastmasu nozīme tehnikā ievērojami palielinājusies pēdējos gadu desmitos, jo to nelielais blīvums un plastiskums jau relatīvi zemās temperatūrās padara polimērmateriālus viegli un samērā lēti ražojamus.

Vēsture

Dabīgie polimēri pastāvējuši jau kopš dzīvības rašanās uz Zemes, bet sintētisko polimēru vēsture ir samērā nesena. Daži sintētiskie polimēri iegūti kopš 19. gadsimta vidus, taču neko daudz nezinot par to uzbūvi. Ideju, ka polimēri ir lielmolekulāri savienojumi, pirmo reizi izteica vācu ķīmiķis Hermanis Štaudingers (Hermann Staudinger) ap 1920. gadu, un šī ideja nostiprinājās zinātnieku vidū turpmākajās dekādēs. Mērķtiecīga polimēru sintēze, apzinoties to īpašības, sākās ap 1929. gadu, pateicoties amerikāņu ķīmiķim Volisam Kerotersam (Wallace Carothers).

Polimēru uzbūve un stāvokļi

Polimērus var aplūkot dažādos mērogos. Viens monomērs izmēros reti kad pārsniedz dažus angstrēmus, bet pati polimēra molekula tipiski ir ar kārtu dažus desmitus nanometru gara. Polimēru ķēdes var veidot dažādas virkņu struktūras – lineāras, sazarotas, šķērsšūtas, kā arī var veidoties kopolimēri.
Lielākā mērogā var ieraudzīt polimēra ķēžu klasterus – tad novērojamas likumsakarības, kas raksturo polimērmateriāla morfoloģiju atkarībā no ķēžu mijiedarbības rakstura. Ja ķēdes ir sakārtotas noteiktās struktūrās, tad šādu polimēra apgabalu sauc par kristālisku, pretējā gadījumā – par amorfu. Polimēra īpašības nosaka tā raksturīgās temperatūras – stiklošanās temperatūra Tg un kušanas temperatūra Tₘ. 

Amorfie polimēri

Amorfo polimēru fizikālās īpašības, lai arī gana plaši pētītas, ir daudz sliktāk izskaidrotas nekā kristālisku polimēru īpašības. Amorfiem polimēriem (piemēram, poli(metilmetakrilātam) un polistirolam) raksturīga nesakārtota struktūra un praktiski neelastīga polimērķēde. Zem stiklošanās temperatūras amorfie polimēri atrodas stiklveida stāvoklī un nav novērojama gandrīz nekāda polimērķēžu kustība. Virs stiklošanās temperatūras polimērs kļūst līdzīgs viskozam šķidrumam, jo polimērķēdes segmenti var kustēties daudz brīvāk. Tad polimērs atrodas superelastīgā stāvoklī. Polimēru fizķīmiskās īpašības diezgan krasi mainās, pārejot no stiklveida stāvokļa superelastīgā stāvoklī. Amorfiem polimēriem novērojama tikai stiklošanās temperatūra.

Kristāliskie polimēri

Kristāliskiem polimēriem piemīt strukturāla regularitāte, stipri starpmolekulārie spēki, kā arī neliela polimērķēdes elastība. Visbiežāk kristāliskā polimērā atrodami gan sakārtoti, gan nesakāroti apgabali, tāpēc pareizāk būtu teikt, ka polimērs var būt tikai daļēji kristālisks. Polimēri ar lielu kristālisko apgabalu īpatsvaru ir polietilēns un poliamīds. Kušanas temperatūra Tₘ saistīta ar kristālisko reģionu pāreju no sakārtota stāvokļa nesakārtotā. Virs kušanas temperatūras kristāliskie polimēra apgabali arī kļūst plūstoši, un polimērs atrodas viskozi tekošā stāvoklī. Kristāliskiem polimēriem novērojamas abas raksturīgās temperatūras – gan stiklošanās, gan kušanas temperatūra.

Nosaukumu veidošanas pamatprincipi (pēc IUPAC)

Polimēru nomenklatūra zināmā mērā ir idealizācija – nelielas strukturālas neregularitātes netiek ņemtas vērā. Nosaukumu parasti veido vienā no diviem veidiem – ja iespējams nošķirt monomēru, tad nosaukumu veido, balstoties uz to, ja tas nav iespējams, var lietot precīzāku uz vielas struktūru balstītu nosaukumu. Dažos gadījumos pieļaujams arī vēsturisko nosaukumu lietojums.
Visu polimēru nosaukumā tiek lietots prefikss poli- kam seko pārējais nosaukums iekavās, ja nosaukums ir viennozīmīgs, tad iekavu lietojums nav obligāts. Iekavu secība ir: {[( )]}. Lokanti norāda strukturālo grupu pozīciju, piemēram, poli(4-hlorostirols). Gala grupas norāda ar grieķu burtu palīdzību, piemēram, α-hloro-ω-hidroksi-poli(stirols).
Ja nosaukums ir daudznozīmīgs (piemēram, poli(viniloksirāns) var atbilst dažādām struktūrām), tad pēc vielu klases nosaukuma aiz kola norāda monomēra nosaukumu. Poli(viniloksirāns) var tik precizēts kā polialkilēns:viniloksirāns vai poliēteris:viniloksirāns. 

Polimēru fizikālās īpašības

Garās polimēru ķēdes un lielā molekulmasa zināmā mērā nosaka polimērmateriālu īpašības. Ļoti viegli to parādīt, aplūkojot fizikālo īpašību maiņas alkānu homologām sērijām – etilēna polimēram. Nelielam ķēdes garumam (C atomu skaits no 6 līdz 10) vielas ir samērā viegli gaistoši šķidrumi; palielinoties etilēna grupu skaitam, savienojumi kļūst līdzīgi vaskiem ar zemām kušanas temperatūrām. Kad etilēna grupu skaits pārsniedz apmēram 200 vai 300, materiāls kļūst līdzīgs cietai vielai, un tā īpašības atbilst tām, ko ikdienā saistām ar polietilēnu.

Akustiskās īpašības

Polimērus mēdz izmantot kā skaņas izolatorus, tad svarīgi aplūkot to akustiskās īpašības. Ātrums, ar kādu skaņa tiek pārvadīta caur cieta materiāla slāni, ir proporcionāls šī materiāla Junga modulim un apgriezti proporcionāls tā blīvumam.
Polimēros skaņas ātrumam ir atkarība no šī polimēra stāvokļa, jo mainās materiāla īpašības. Piemēram, skaņas viļņi daudz ātrāk izplatīsies polimērā, kas ir stiklveida stāvoklī nekā viskozi tekošā stāvoklī. Superelastīgā stāvoklī esošā polimērā skaņa tipiski izplatās aptuveni 100 reizes lēnāk nekā stiklveida stāvoklī. Virs kušanas temperatūras skaņas ātrums samazinās atkarībā no temperatūras, jo pieaug polimērmateriāla blīvums, taču palielinās atkarībā no spiediena.
Ja skaņas viļņa ceļā ir robežvirsma starp diviem materiāliem ar dažādām īpašībām, tad skaņas vilnis var atstaroties, atstarotās skaņas daļa ir atkarīga no materiālu akustiskās impedances. Lai pēc iespējas lielāka skaņas daļa atstarotos, otrās vides akustiskajai impedancei jābūt daudz lielākai. Praksē, ja polimēru lieto skaņas atstarošanai, tad  tam pievieno pildvielas (piemēram, mēdz lietot plasticizētu PVC ar bārija sulfātu). Bieži vien izmanto arī kompozītu plāksnes, bet tas ir efektīvi tikai atsevišķos gadījumos. 
Skaņas izolēšanai var lietot polimērus, kas skaņu labi absorbē. Materiāli, kuru akustiskā impedance ir tāda pati kā gaisam, ir vislabākie skaņas absorbētāji. Tā kā skaņas viļņi vidē tiek absorbēti analogi mehāniskām vibrācijām, tad vislabākie absorbētāji ir elastomēri un amorfie polimērmateriāli, absorbcijas procesā skaņas vilnis tiek pārvērsts siltumā. 
Tā kā polimēru putām impedance ir vienas lieluma kārtas ar gaisu, tie slikti atstaro skaņas viļņus, tas padara polimēru putas par ideāliem materiāliem akustiskajās telpās, kur nepieciešams izvairīties no daudzkārtējas skaņas atstarošanās.
Ja salīdzina ar koku, tad pat puskristāliskie polimēri ir ļoti labi skaņas izolētāji. Vislabākie šim nolūkam ir tie polimēri, kuru stiklošanās temperatūra ir zem istabas temperatūras. Bieži lieto termoplastus un vāji šķērsšūtus elastomērus. Elastomērus bieži līmē pie metāla plāksnēm, lai izvairītos no rezonanses lieces vibrāciju radītajām skaņām.

Optiskās īpašības

Polimēri var būt gan caurspīdīgi, gan necaurredzami. Caurspīdīgi visbiežāk ir polimēri, kuru struktūra tiecas uz pilnīgi amorfu, vai pilnīgi kristālisku, jo vienlīdzīgs amorfo un kristālisko apgabalu sadalījums veicina gaismas izkliedēšanos uz to robežvirsmām. Praksē saistoši ir galvenokārt optiskajā diapazonā caurspīdīgie polimēri. Piemēram, akrilam un polistirolam gaismas laušanas īpašības ļoti līdzīgas kā neorganiskajiem stikliem. 
Tā kā materiālu laušanas koeficients ir atkarīgs no to blīvuma, tad to netieši ietekmē arī temperatūra. Piemēram, aplūkojot PMMA laušanas koeficienta atkarību no temperatūras, ir iespējams novērot taisnes slīpuma koeficienta maiņu tieši pie PMMA stiklošanās temperatūras.
Pareizi apstrādājot polimērus, var panākt, ka tajos ir ļoti mazi gaismas zudumi. Šī iemesla dēļ polimērmateriāli ir izmantoti arī optisko viļņvadu un lāzeru aktīvās vides izgatavošanai.

Polimēru šķīdība

Kopumā polimēri diezgan slikti šķīst šķīdinātājos un jaucas savā starpā, jo to molekulas ir ļoti lielas un process nav enerģētiski izdevīgs. Polimēru šķīdumu uzvedība ir sarežģītāka nekā mazmolekulāru vielu gadījumā – mazmolekulāru vielu šķīdumiem novēro fāžu atdalīšanos, šķīdumu dzesējot, taču polimērmateriālu šķīdumos var šo parādību novērot, šķīdumu karsējot. Pie tam, piemēram, elastomēri mijiedarbībā ar mazmolekulāriem šķīdinātājiem nevis veido šķīdumu, bet uzbriest un veidojas gels.

Polimēru sabrukšana un degradācija

Praktiskiem pielietojumiem ļoti svarīga ir polimēru izturība un ilgtspēja, tāpēc industrijā tiek plaši pētīta dažādu polimērmateriālu degradācija ārēju faktoru ietekmē.

Plaisu mehānika

Bieži lietota metode polimēru sabrukšanas raksturošanai izmanto lineāro elastīgās sagraušanas mehānikas (LEFM – linear elastic fracture mechanics) modeli, kurā pieņem, ka aplūkojamais materiāls izturas kā elastīga cieta viela. Šis modelis nav piemērojams viskoelastīgiem materiāliem, kā arī tad, ja novērojams liels plastiskums deformācijas laikā. 
Plaisu veidošanos un augšanu LEFM ietvaros vienkāršākajā gadījumā skaidro Grifitsa teorija – lai paredzētu plaisu izturēšanos, aplūko enerģijas līdzsvara nosacījumu. Enerģijas līdzsvara nosacījums paredz, ka plaisa materiālā var augt tikai tad, ja tai pievadīts pietiekami daudz enerģijas. Tā kā polimērmateriāli pēc īpašībām ir ļoti dažādi, tad var novērot gan plastiskus, gan trauslus plīsumus. Paaugstinot temperatūru, sāk dominēt plastiska materiāla izturēšanās.

Triecienstigrība

Praksē gandrīz visi no polimērmateriāliem gatavotie priekšmeti tiek pakļauti triecienslodzei. Tā kā daudzi polimēri ir cieti un stigri, tad tie labi piemēroti šāda veida slodzēm. Tomēr noteiktos apstākļos pat tik izturīgi materiāli kā polipropilēns var tikt pakļauti trauslai sagrūšanai pie nelielām slodzēm. Tas visbiežāk notiek zemās temperatūrās un pie lieliem deformēšanas ātrumiem. 
Ir novērots, ka pietiekami strauju deformāciju gadījumā, polimēri kļūst pilnīgi trausli, un nepieciešamā triecienslodze parauga sagraušanai ir ļoti neliela. Piemēram – pieļaujamais relatīvais pagarinājums (deformācija) termoplastos šādā situācija tipiski ir zem 5%.

Noguršana

Parādību, kad materiāls tiek sagrauts pēc vairākiem atkārtotiem slogošanas cikliem, sauc par materiāla noguršanu. 
Noguršana polimērmateriālos ir cieši saistīta ar vidi – temperatūru, mitrumu, slogošanas parametriem utt. Temperatūras paaugstināšanās materiāla cikliskas slogošanas laikā parasti tiek norādīts kā viens no galvenajiem faktoriem materiāla sabrukšanā. Ir novērots, ka termoreaktīvie polimēri nogurst lēnāk nekā termoplasti, ko parasti skaidro ar termoreaktīvu lielo cietību un ierobežoto temperatūras pieaugumu mazākas iekšējās slāpēšanas dēļ.

Teorētiskie modeļi polimēru aprakstīšanai

Lai aprakstītu polimēru sistēmas uzvedību, ir izveidoti teorētiski modeļi, kurus apkopo polimēru lauka teorija. Vienkāršākais polimēru apraksts ir ideālas ķēdes modelis, kas neievēro nekādu mijiedarbību starp ķēdes posmiem.