Polymeeri

Polymeeri on molekyyli, jossa useat (vähintään 50 kpl) pienet molekyylit eli monomeerit ovat liittyneet toisiinsa kemiallisin sidoksin katalyyttien vaikutuksesta prosessissa, jota kutsutaan polymerisaatioksi. Mikäli polymeeri sisältää vain yhdenlaisia monomeereja, sitä kutsutaan homopolymeeriksi ja useampia erilaisia monomeereja sisältäviä polymeereja kutsutaan kopolymeereiksi.

Nimi polymeeri tulee kreikkalaisista sanoista poly-, "monta" ja -mer, "osa". Tämä kuvaa hyvin polymeereja, sillä ne ovat suurikokoisia molekyylejä ns. makromolekyylejä, jotka koostuvat lyhyistä, toistuvista rakenneosista nimeltään monomeerit.  

Jos kaikki yhdisteen monomeerit ovat samanlaisia, polymeeri on isotaktinen, mutta jos polymeeri koostuu stereorakenteeltaan vuorottelevista monomeereista, se on syndiotaktinen. Jos stereorakenteeltaan erilaisilla monomeereilla ei ole järjestystä, polymeeri on ataktinen. 

Polymeerit voidaan jakaa synteettisiin ja luonnossa esiintyviin. Luonnon polymeerejä eli biopolymeerejä ovat muun muassa tärkkelys, selluloosa, DNA, proteiinit, kautsu ja guttaperkka. Nykyisin eniten käytetyt muovit, polyeteeni, polypropeeni ja polyvinyylikloridi ovat petrokemian jalostusketjuihin liittyviä synteettisiä tuotteita. Muoveilla on korkea polymeraatioaste, eli niiden jokainen molekyyli (polymeeriketju) on muodostunut 1 000–100 000 pienestä molekyylistä (monomeerista). 

Suurin osa polymeereistä on orgaanisia rakentuen hiiliketjun ympärille, mutta myös perinteisesti kemiallisesti epäorgaanisiksi katsottuja polymeerejä tunnetaan ja käytetään. Tunnetuin näistä lienee pii-happiketjusta muodostuva silikoni, joka on polyalkyylisiloksaani, (RSiO)n, jossa R on hiilivetyryhmä.

Valmistus 
Uusia polymeerejä voidaan valmistaa synteettisesti, joko rakentamalla polymeeriä alusta lähtien monomeereistä tai modifioimalla luonnollista polymeeriä kemiallisin prosessein. Myös eliöt pystyvät valmistamaan polymeerejä erilaisissa biologisissa prosesseissa.

Synteettinen valmistus 
Synteettisten polymeerien valmistukseen on olemassa kaksi päätekniikkaa: 

 ketju- eli additiopolymerointi (engl. chain-growth polymerization) 
 askel- eli kondensaatiopolymerointi (engl. step-growth polymerization) 

Alkeenien additiopolymerointi on tärkeä teollinen reaktio, jossa pienet alkeenimolekyylit liittyvät toisiinsa muodostaen yhden makromolekyylin eli additiopolymeerin. Kun alkeenimonomeerit liittyvät yhteen niiden kaksoissidokset aukeavat. Käynnistyäkseen reaktio tarvitsee aloitekatalyytin sekä yleensä vielä toisen katalyytin nopeuttamaan reaktiota. Polymerointireaktion aloitekatalyyttinä (initiaattorina) voi toimia esim. bentsoyyliperoksidi, joka hajoaa bentsoyylioksiradikaaleiksi. Bentsoyylioksiradikaali reagoi ensin alkeenin kanssa ja reaktio jatkuu ketjureaktiona, jossa syntyy pitkiä hiiliketjuradikaaleja. Päätereaktiossa hiiliketjuradikaalit yhtyvät polymeeriketjuksi. Additiopolymeerit ovat yleensä kestomuoveja. Esimerkiksi polyeteeni on additiopolymeeri, joka rakentuu toistuvista eteeniyksiköistä: [-CH2 - CH2 -]n  . Muita additiopolymeerejä ovat esimerkiksi polyvinyylikloridi ja polystyreeni. 

Askelpolymeroinnissa kaksi erilaista difunktionaalista monomeeria liitetään yhteen kondensaatioreaktiolla (reaktiossa lohkeaa vettä). Tällaisia polymeerejä ovat polyesterit, joita valmistetaan esteröimällä dihappoja diolien kanssa. Eräs tavallinen polyesteri on Dacron, jota valmistetaan dimetyylitereftalaatista ja etyleeniglykolista. Askelpolymeroinnilla valmistetaan myös polyamideja, joista tunnetuin lienee nailon.

Luonnollisten polymeerien modifiointi 
Luonnossa esiintyvät polymeerit kuten puuvilla ja tärkkelys ovat olleet ihmisten käytössä jo kauan ennen synteettisten polymeerien kuten polyeteenin kehittämistä. Nykyisin useat synteettiset polymeerit ovat kemiallisia modifikaatioita luonnollisista polymeereistä. Näistä esimerkkinä nitroselluloosaa valmistetaan typpihaposta ja selluloosasta.  Jalostamisessa käytetään mm. hapetusta ja verkkosilloittamista.

Biologinen synteesi 
Kaikki eliöt pystyvät syntetisoimaan polymeerejä rakentamalla niitä ribosomeissa aminohapoista, jolloin tuotteena muodostuvat polymeerit ovat proteiineja. Tätä kutsutaan proteiinisynteesiksi. Proteiinisynteesi on monimutkainen prosessi, jossa DNA:n sisältämä informaatio tulkitaan aminohappojen järjestykseksi, jotka yhdistettäessä muodostaa proteiinin.. Aminohapot liitetään toisiinsa ribosomissa peptidisidoksilla.. Huomattavaa on, että kaikkia proteiineja ei luokitella polymeereiksi, mikäli niiden aminohapot eivät ole toistuvia.

Käyttökohteet 
Varsinkin synteettisiä polymeerejä käytetään nykypäivänä laajalti. Muovit ja kumi esimerkkejä polymeereistä Polymeerien käyttö on hyvin yleistä, niiden edullisten kustannusten ja erinomaisen korroosion sietokykynsä ansioista. Polymeerejä käytetään lähes kaikessa, kuten vaatteissa, elektronisissa komponenteissa, käyttötavaroissa, renkaissa, maaleissa yms.  

Polymeerejä käytetään hyvin usein myös komposiittien valmistamisessa. Muovit sopivat komposiitteihin usein niiden keveyden ansiosta, jolloin pysytään valmistamaan kevyttä ja kestävää materiaalia, lisäämällä muoviin esimerkiksi lasi- tai hiilikuitua. Muovikomposiiteissa ilmenee myös täyte-, lisä- ja runkomateriaaleja, joilla saadaan komposiitille halutut ominaisuudet. Näitä ominaisuuksia ovat yleensä keveyden ja lujuuden lisäksi pitkäaikaiskestävyys, antimagneettisuus ja hyvät eristysominaisuudet.

Rakenne 
Polymeerimateriaalin rakennetta voidaan kuvata eri mittaluokissa, alle nanometrin tarkkuudesta makroskooppiseen tarkkuuteen asti. Lähtökohtana rakenteen kuvauksen on kuitenkin tunnistaa sen monomeereistä koostuvat rakenneosat. Mikrorakenne (eli konfiguraatio) määrää polymeerin mahdollisuuden muodostaa faaseja esimerkiksi kiteytymisen, lasisiirtymän tai mikrofaasierotuksen kautta. Näillä ominaisuuksilla on tärkeä rooli polymeerin fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien määrittämisessä ja siinä, missä teollisuuden aloilla niitä voidaan esimerkiksi hyödyntää.  

Polymeereillä on olemassa rakenteiden hierarkia, jossa jokainen vaihe muodostaa perustan seuraavalle. Polymeerin rakennetta voidaan kuvata eri tasoilla, mukaan lukien primäärinen, sekundäärinen, tertiäärinen ja kvaternäärinen rakenne. Primäärinen rakenne viittaa monomeerien järjestykseen ja sidostyyppeihin, kun taas sekundaarinen rakenne viittaa paikalliseen taittumiseen tai kiertymiseen. Sekundäärisen rakenteen perustana on sen vahvat sekundääriset sidokset, joiden myötä lämpötilaa nostaessa polymeeri hajoaa muovautumisen sijasta. Tertiäärinen rakenne viittaa polymeeriketjujen kolmiulotteiseen järjestykseen tilassa, ja kvaternäärinen rakenne viittaa useiden polymeriketjujen järjestelyyn suuremmassa rakenteessa. 

Polymeeri, joka koostuu vain yhdentyyppisistä monomeereistä on homopolymeeri. Jos polymeeri sisältää kahta tai useampaa erilaista monomeeriä, kutsutaan sitä kopolymeeriksi. Polymeerien rakenne ilmaistaan piirtämällä toistuva rakenneosa ilmoitetaan hakasulkeiden sisään ja kirjain n ilmoittaa, kuinka monta kyseistä rakenneosaa polymeerissä on.

Jos kaikki yhdisteen monomeerit ovat samanlaisia, polymeeri on isotaktinen, mutta jos polymeeri koostuu stereorakenteeltaan vuorottelevista monomeereista, se on syndiotaktinen. Jos stereorakenteeltaan erilaisilla monomeereilla ei ole järjestystä, polymeeri on ataktinen. Tässä radikaalipolymeroinnissa käytetään usein nimityksiä head to tail, head to head, tail to tail ja tail to head, jotka näkyvät kuvassa (2). Kuvassa (2) on kuvattu monomeerien insertioita, kun insertion aiheuttajana on radikaali-initaattori.

Elastomeerit kuuluvat polymeereihin ja ovat yksi yleisimmistä polymeerien tyypeistä kertamuovien ja kestomuovien lisäksi (kuvassa 3). Ne omaavat usein korkean moolimassa ja ei järjestyneen pääketjun rakenteen. Ne lasiutuvat alle 0 ºC:essa ja niiden käyttölämpötila on lasiutumislämpötilaa korkeampi. Elastomeerit voidaan jakaa rakenteen perusteella kolmeen eri ryhmään: tyydyttymättömät, tyydyttyneet ja termoplastiset elastomeerit. Tyydyttymättömissä elastomeereissä on pääketjussa tiheästi kaksoissidoksia. Ne ovat useimmiten hieman silloitettuja (vulkanoimalla rikillä), jolla pyritään lisäämään mekaanista kestävyyttä lasittumispisteen yläpuolella, eli käyttölämpötiloissa.  

Tyydyttyneet elastomeerit eivät sisällä pääketjussaan kaksoissidoksia. Niiden silloitus tapahtuu monifunktionaalisella mono- tai polymeerillä (askelpolymerointi) tai joissain tapauksissa divinyylimonomeerit reagoivat ketjupolymeroinnilla. Tyydyttyneiden elastomeerien pääketju on ataktinen, joten sen polymerointi suoritetaan ei spesifisellä katalyytillä. 

Termoplastiset elastomeerit taas koostuvat kovista kiteisistä ja jäykistä sekä pehmeistä amorfisistä segmenteistä. Tällöin ne ovat hyvin lujia, mutta taipuvat hieman ja niissä on hyvin vähän ristisiloittumista. Hyvin monet lineaariset ja haaroittuneet polymeerit ovat näitä termoplastisia elastomeerejä. Niitä ei rakenteensa myötä tarvitse silloittaa kovalenttisesti, vaan niiden työstäminen voidaan suorittaa suoraan sulatilassa. Erityistä näiden polymeerien rakenteelle on se, että niitä voidaan käyttää uudelleen ja muokata helposti.

Muovi on yhden tai useamman polymeerin seos, johon on lisätty tämän ominaisuuksia parantavia aineita. Kumi on polymeerien seos, jossa polymeeriketjujen lisäksi on ketjujen välisiä sidoksia. Myös kumin ominaisuuksia parannetaan lisäaineilla. 

Polymeerien ollessa silloitettu, voidaan se luokitella kertamuoviksi, eli sen uudelleenkäyttö tai muokattavuus ei ole mahdollista. 

Polymeerin rakenteen lisäksi sen koheesioenergialla on suuri vaikutus polymeerin ominaisuuksiin. Koheesioenergia on energiaa, joka vaaditaan erottamaan aineen hiukkaset toisistaan tietyn etäisyyden päässä. Koheesioenergiatiheyden ollessa alhainen ja molekyylin sisältäessä sivuketjuja, on polymeeri elastinen. Kun taas ketjut ovat jäykempiä (esimerkiksi isojen sivuryhmien myötä) ja koheesioenergia on korkeampi, on polymeeri tyypillinen muovi. Tällaisella muovilla tarkoitetaan arkikielessä muovia, joka on käsin taivuteltavissa, mutta pitää muotonsa helposti. Jos koheesioenergia on kuitenkin todella korkea, on materiaali lujaa. Tämän lisäksi, jos materiaali pystyy kiteytymään, soveltuu se todennäköisesti kuitujen valmistukseen. Näitä polymeerikuituja voidaan hyödyntää esimerkiksi rakenteelliseen lujitukseen (makrokuidut) tai siivousvälineissä (mikrokuidut).

Historia 
Polymeerit ovat olleet oleellisia komponentteja ihmiskunnan alkuajoista lähtien, mutta viimeisen 150 vuoden aikana niiden käyttö on monipuolistunut.. Uusia polymeerejä on löydetty sekä uusia polymeerejä on valmistettu, jotka eivät ole pelkästään haastaneet klassisia materiaaleja, vaan ne ovat myös mahdollistaneet uusien tuotteiden luomisen ja liiketoiminnan laajentamisen. Polymeerimateriaalien kasvussa viimeisen puolentoista vuosisadan aikana muovit ja elastomeerit ovat olleet johtavassa asemassa. 

Ensimmäisen synteettisen polymeerin keksi John Wesley Hyatt vuonna 1869, kun hän yritti keksiä norsunluulle korviketta. Hyatt löysi muovin käsitellessään puuvillakuidusta saatua selluloosaa, jota voi muotoilla eri muotoisiksi. Luonnonkumi saapui Eurooppaan Etelä-Amerikasta 1500-luvun aikana. Etelä-Amerikassa luonnonkumia käytettiin esimerkiksi pallojen, vedenkestävien ja astioiden valmistukseen. 1800-luvulla polymeereja alettiin käsitellä kemiallisesti Thomas Grahamin tekemän teorian mukaan. Tämän teorian mukaan niitä pidetään pienten molekyylien aggregaatteina, eli tuntemattomat voimat pitävät yhdessä. Hermann Staudinger julkaisi vuonna 1920 teoksen ” Über Polymerisation”, jossa hän esitti, että polymeerit olisivat pitkiä atomiketjuja, jotka koostuvat lyhyistä toistuvista kovalenttisilla sidoksilla toisiinsa yhdistyneistä molekyyliyksiköistä. Pian tämän jälkeen, 1930-luvulla tuli polymeerien kulta-aika, jolloin monia luontoperäisiä materiaaleja, kuten norsunluuta alettiin korvata polymeereilla. Aikaisemmin luonnonvarat, kuten juuri norsunluu, ovat rajoittaneet ihmisen tuotantoa. Polymeerien vallankumous poisti tämän rajoitteen. Tuohon aikaan laaja akateeminen yhteisö edisti huomattavasti monomeerien tuottamista halvemmista ja kestävämmistä raaka-aineista. Tällöin myös polymeerien teoreettinen ymmärrys edistyi huomattavasti.

Katso myös 
Polymerointi
Polymeerikemia
 Reologia
 Taktisuus

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

 

Orgaaninen kemia
Seulonnan keskeiset artikkelit