Polimer kimyası

Polimer kimyası, polimerlerin ve makromoleküllerin kimyasal sentezine, yapısına ve kimyasal ve fiziksel özelliklerine odaklanan bir kimya alt disiplinidir. Polimer kimyasında kullanılan ilkeler ve yöntemler, organik kimya, analitik kimya ve fiziksel kimya gibi çok çeşitli diğer kimya alt disiplinleri aracılığıyla da uygulanabilir. Pek çok malzeme tamamen inorganik metaller ve seramiklerden DNA ve diğer biyolojik moleküllere kadar polimerik yapılara sahiptir, ancak polimer kimyası tipik olarak sentetik, organik bileşimler bağlamında anılır. Sentetik polimerler, genellikle plastik ve kauçuk olarak adlandırılan, günlük kullanımdaki ticari malzemeler ve ürünlerde her yerde bulunur ve kompozit malzemelerin ana bileşenleridir. Polimer kimyası, her ikisi de polimer fiziği ve polimer mühendisliğini kapsayacak şekilde tanımlanabilen daha geniş polimer bilimi veya hatta nanoteknoloji alanlarına da dahil edilebilir.
Tarihçe
Henri Braconnot'un 1777'deki ve Christian Schönbein'ın 1846 yılındaki çalışmaları, nitroselüloz keşfine öncülük etti. Nitroselüloz, kafur ile işlem görerek selüloit üretiminde kullanılır. Eter veya asetonda çözünen kolodion haline gelir ve ABD İç Savaşından beri yara pansumanında kullanılır. Selüloz asetat ilk olarak 1865'te hazırlandı. 1834-1844 yıllarında kauçuk (poliizopren) özelliklerinin kükürt ile ısıtılmasıyla büyük ölçüde iyileştirildiği ve böylece vulkanizasyon sürecini kurduğu bulundu.
1884 yılında Hilaire de Chardonnet, ipeğin yerini almak üzere rejenere selüloz veya viskon suni ipek bazlı ilk yapay elyaf fabrikasını kurdu, ancak bu çok yanıcıydı. 1907'de Leo Baekeland, organizmaların ürünlerinden bağımsız olarak yapılan ilk polimeri, Bakalit adı verilen ısıyla sertleşen bir fenol - formaldehit reçineyi icat etti. Aynı zamanlarda, Hermann Leuchs, nükleofillerle reaksiyona girdikten sonra amino asit N-karboksianhidritlerin ve yüksek moleküler ağırlıklı ürünlerinin sentezini bildirdi, ancak muhtemelen Emil Fischer tarafından benimsenen güçlü görüşler nedeniyle bunlardan polimer olarak bahsetmekten vazgeçti. Fischer, 6.000 daltonu aşan herhangi bir kovalent molekül olasılığını reddediyordu. Selofan, 1908'de viskoz suni ipek tabakalarını asitle işleyen Jocques Brandenberger tarafından icat edildi.
Kimyager Hermann Staudinger ilk olarak polimerlerin, makromoleküller adını verdiği kovalent bağlarla bir arada tutulan uzun atom zincirlerinden oluştuğunu öne sürdü. Çalışmaları, polimerlerin kimyasal anlayışını genişletti ve ardından neopren, naylon ve poliester gibi polimerik malzemelerin icat edildiği polimer kimyası alanında bir genişleme izledi. Staudinger'den önce, polimerlerin, belirli moleküler ağırlıkları olmayan, bilinmeyen bir kuvvetle bir arada tutulan küçük molekül kümeleri (kolloidler) olduğu düşünülüyordu. Staudinger, 1953'te Nobel Kimya Ödülü'nü aldı. Wallace Carothers, 1931'de neopren adı verilen ilk sentetik kauçuğu, poliesteri icat etti, ve 1935'te gerçek bir ipek ikamesi olan naylonu icat etti. Paul Flory, 1950'lerde polimer rastgele bobin konfigürasyonları üzerine yaptığı çalışmalardan dolayı 1974'te Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Stephanie Kwolek, 1966'da patenti alınan Kevlar adında bir aramid veya aromatik naylon geliştirdi. Karl Ziegler ve Giulio Natta, alkenlerin polimerizasyonu için katalizör keşfetmeleri nedeniyle Nobel Ödülü aldı. Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid ve Hideki Shirakawa, poliasetilen ve ilgili iletken polimerlerin geliştirilmesiyle 2000 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Poliasetilenin kendisi pratik uygulamalar bulamadı, ancak organik ışık yayan diyotlar (OLED'ler), iletken polimerlerin bir uygulaması olarak ortaya çıktı.
Polimer kimyasında öğretim ve araştırma programları 1940'larda tanıtıldı. Institut fur Makromolekulare Chemie, 1940 yılında Almanya'nın Freiburg kentinde Staudinger yönetiminde kuruldu. Amerika'da 1941'de Herman Mark tarafından Polytechnic Institute of Brooklyn'de (şimdi Polytechnic Institute of NYU) bir Polimer Araştırma Enstitüsü (PRI) kuruldu.
Polimerler ve özellikleri
Polimerler, monomerlerin polimerizasyonuyla oluşan yüksek moleküler kütleli bileşiklerdir. Bir polimerin tekrar eden yapısal birimlerinin türetildiği basit reaktif moleküle monomer denir. Bir polimer birçok şekilde tanımlanabilir: polimerizasyon derecesi, molar kütle dağılımı, taktikliği, kopolimer dağılımı, dallanma derecesi, uç grupları, çapraz bağları, kristalliği ve cam geçiş sıcaklığı ve erime sıcaklığı gibi termal özellikleri. Çözeltideki polimerler, çözünürlük, viskozite ve jelleşme açısından özel karakteristiklere sahiptir. Polimer kimyasının kantitatif yönlerini gösteren örnek olarak, sayısal ortalamaya ve ağırlık ortalamalı moleküler ağırlıklara özellikle dikkat edilir. ve, sırasıyla.
Polimerlerin oluşumu ve özellikleri, Scheutjens Fleer teorisi, Flory Huggins çözüm teorisi, Cossee-Arlman mekanizması, Polimer alan teorisi, Hoffman Nükleasyon Teorisi, Flory-Stockmayer Teorisi ve diğerleri dahil olmak üzere birçok teori tarafından rasyonelleştirilmiştir.
Sınıflandırma
Kökeni
Polimerler, kökenlerine göre biyopolimerler ve sentetik polimerler olarak alt gruplara ayrılabilir. Bu bileşik sınıflarının her biri, kullanımları ve özelliklerine göre daha spesifik kategorilere ayrılabilir.
Biyopolimerler, organizmalardaki organik maddenin çoğunu oluşturan yapısal ve işlevsel malzemelerdir. Biyopolimerlerin önemli bir sınıfı, amino asitlerden türetilen proteinlerdir. Selüloz, kitin ve nişasta gibi polisakkaritler, şekerlerden türetilen biyopolimerlerdir. Poli nükleik asit DNA ve RNA, genetik bilgi taşıyan asılı nükleotidlere sahip fosforile şekerlerden türetilir.
Sentetik polimerler, plastiklerde, sentetik liflerde, boyalarda, yapı malzemelerinde, mobilyalarda, mekanik parçalarda ve yapıştırıcılarda görülen yapısal malzemelerdir. Sentetik polimerler, termoplastik polimerler ve termoset plastikler olarak ikiye ayrılabilir. Termoplastik polimerler arasında polietilen, teflon, polistiren, polipropilen, poliester, poliüretan, poli (metil metakrilat), polivinil klorür, naylonlar ve suni ipek bulunur. Termoset plastikler arasında vulkanize kauçuk, bakalit, Kevlar ve poliepoksit bulunur. Hemen hemen tüm sentetik polimerler petrokimyasallardan elde edilir.
Viskozite
Polimerler uzadıkça ve moleküler ağırlıkları arttıkça, çözünmüş ve sıvı hallerindeki polimerlerin viskozitesi de artma eğilimindedir. Böylece, sentezlenmiş polimerlerin ölçülen viskozitesi, polimerin ortalama uzunluğu, reaksiyonların ilerlemesi ve polimer dallarının hangi yollarla olduğu hakkında değerli bilgiler sağlayabilir.
Teknikler
Polimerleri sentezlemek için çok çeşitli teknikler keşfedilmiştir.
Yaygın tekniklerin listesi
İnorganik Polimer Sentezi
Serbest radikal polimerizasyonu
İyonik polimerizasyon
Polikondensasyon
Polyaddition
Koordinasyon Polimerizasyonu
Biyopolimer Sentezi
Protein Biyosentezi
Hücresiz Protein Sentezi
DNA sentezi