İçeriğe atla

Polimer kimyası

Naylon 6,6'nın omurga kısmı

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.[1][2][3][4]

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.[5] 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.[6] Selofan, 1908'de viskoz suni ipek tabakalarını asitle işleyen Jocques Brandenberger tarafından icat edildi.[7]

Bazı elektriksel olarak iletken polimerlerin yapıları: poliasetilen ; polifenilen vinilen ; polipirol (X = NH) ve politiyofen (X = S); ve polianilin (X = NH / N) ve polifenilen sülfid (X = S).
Polidimetilsiloksanın yapısı, inorganik omurgaya sahip bir polimeri göstermektedir.

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.[8] Poliasetilenin kendisi pratik uygulamalar bulamadı, ancak organik ışık yayan diyotlar (OLED'ler), iletken polimerlerin bir uygulaması olarak ortaya çıktı.[9]

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

Polimer çözeltilerinin viskozitesi değerli bir parametredir. Bunun gibi viskozimetreler, bu tür ölçümlerde kullanılır.

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.

İzotaktik (yukarıda) ve sindiyotaktik (aşağıda) polimerlerin biraz farklı yapılarını gösteren polipropilen segmentleri.

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.

Zincirlerin içindeki ve arasındaki hidrojen bağlarını (kesikli) gösteren bir selüloz ipliği.

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 hâllerindeki 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.[10]

Kompozitler, tek tek bileşenlerin toplamından farklı özelliklere sahip genel bir yapı oluşturmak için polimerik malzemelerin birleştirilmesiyle oluşturulur.

Teknikler

Polimerleri sentezlemek için çok çeşitli teknikler keşfedilmiştir.

Yaygın tekniklerin listesi

İnorganik Polimer Sentezi

Biyopolimer Sentezi

Ayrıca bakınız

Kaynakça

  1. ^ "The Macrogalleria: A Cyberwonderland of Polymer Fun". www.pslc.ws (İngilizce). 19 Ekim 2001 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 1 Ağustos 2018. 
  2. ^ Young, R. J. (1987) Introduction to Polymers, Chapman & Hall 0-412-22170-5
  3. ^ Principles of polymerization. Fourth. Hoboken, N.J. ISBN 9780471478751. OCLC 54781987. 
  4. ^ Hans-Heinrich Moretto, Manfred Schulze, Gebhard Wagner (2005) "Silicones" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. DOI:10.1002/14356007.a24_057
  5. ^ "The Early Years of Artificial Fibres". The Plastics Historical Society. 17 Kasım 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Eylül 2011. 
  6. ^ Polypeptides and 100 Years of Chemistry of α-Amino Acid N-Carboxyanhydrides, 45 (35), 2006, ss. 5752-5784, doi:10.1002/anie.200600693, PMID 16948174 
  7. ^ "History of Cellophane". about.com. 2 Haziran 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Eylül 2011. 
  8. ^ "The Nobel Prize in Chemistry 2000". 19 Temmuz 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Haziran 2009. 
  9. ^ Friend (1999). "Electroluminescence in conjugated polymers". Nature. 397 (6715): 121-128. doi:10.1038/16393. 
  10. ^ "Viscosity of Polymer Solutions". polymerdatabase.com. 3 Kasım 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Mart 2019. 

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Polimer</span> tekrar eden yapısal birimlere sahip makromoleküllerden oluşan madde

Polimer, bir veya daha çok monomer türünden türetilen birçok tekrarlayan alt birimden oluşan çok büyük moleküllerden veya makromoleküllerden oluşan bir madde veya malzemedir. Geniş özellik spektrumları nedeniyle, hem sentetik hem de doğal polimerler günlük yaşamda temel ve yaygın roller oynar.

<span class="mw-page-title-main">Akrilik elyaf</span> Yalıtkan sentetik elyaf

Akrilik lifler, ortalama molekül ağırlığı ~100.000, yaklaşık 1900 monomer birimi olan polimer'den (poliakrilonitril) yapılan sentetik lifleridir. ABD'de bir elyafa "akrilik" denmesi için, o polimerin en az %85 akrilonitril monomer içermesi gerekir. Tipik komonomerler, vinil asetat veya metil akrilattır. DuPont, 1941'de ilk akrilik elyafları yapmış ve bunları Orlon adıyla tescillemişti.

<span class="mw-page-title-main">Plastik</span>

Plastik; karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N) ve diğer organik ya da inorganik elementlerin oluşturduğu monomer adı verilen; basit yapıdaki moleküllü gruplardaki bağın koparılarak polimer adı verilen uzun ve zincirli bir yapıya dönüştürülmesi ile elde edilen malzemelere verilen isimdir. Plastik kelimesi, "şekillendirilebilen veya kalıplanabilen" anlamına gelen Yunanca πλαστικός (plastikos) ve "kalıplanmış" anlamına gelen πλαστός (plastos) kelimesinden türetilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Polietilen</span>

Polietilen, çok çeşitli ürünlerde kullanılan bir termoplastiktir. İsmini monomer hâldeki etilenden alır, etilen kullanılarak polietilen üretilir. Plastik endüstrisinde genelde ismi kısaca PE'dir.

<span class="mw-page-title-main">Lif</span> Uzun, ince filamentlerden yapılan doğal ya da sentetik madde

Lif veya elyaf, her türlü maddeyi oluşturan ince ve uzun parçalar, ipliksi yapılar. Bir iplik içindeki pamuk lifleri, yalıtım amacıyla kullanılan cam lifleri ve canlılarda kasları oluşturan kas lifleri bu tür malzemelere örnek olarak verilebilir. Tekil hali "lif", çoğulu "elyaf" olan sözcük Arapça kökenlidir.

<span class="mw-page-title-main">Polyester</span>

Poliester, ana zincirlerinin her tekrar biriminde ester işlevsel grup içeren polimerlerin bir kategorisidir.

<span class="mw-page-title-main">Organik kimya</span> karbon temelli bileşiklerin yapılarını, özelliklerini, tepkimelerini ve sentez yollarını inceleyen kimya dalı

Organik kimya, organik bileşiklerin ve organik maddelerin yani karbon atomlarını içeren çeşitli formlardaki maddelerin yapısını, özelliklerini ve reaksiyonların bilimsel çalışmasını içeren, kimyanın bir alt dalıdır. Yapının incelenmesi yapısal formüllerini belirler. Özelliklerin incelenmesi, fiziksel ve kimyasal özellikleri ve davranışlarını anlamak için kimyasal reaktivitenin değerlendirilmesidir. Organik reaksiyonların incelenmesi doğal ürünlerin, ilaçların ve polimerlerin kimyasal sentezini ve bireysel organik moleküllerin laboratuvarda ve teorik çalışma yoluyla incelenmesidir.

<span class="mw-page-title-main">Selüloz</span> Bitki hücre duvarının yapısal bileşeni

Selüloz, formülü (C6H10O5)n olan ve birkaç yüz ila binlerce β(1→4) bağlantılı D-glikoz biriminden ve doğrusal zincirden oluşan polisakkarit ve organik bir bileşiktir. Selüloz, yeşil bitkilerin, birçok alg türünün ve oomisitlerin birincil hücre duvarının önemli yapısal bir bileşenidir.

<span class="mw-page-title-main">Hermann Staudinger</span> Nobel Kimya Ödülü sahibi Alman kimyager

Hermann Staudinger, plastiklerle ilgili çalışmaları sebebiyle 1953 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü almış olan Alman kimyager.

Monomer, diğer monomer molekülleri ile birlikte reaksiyona girerek daha büyük bir polimer zinciri veya üç boyutlu bir ağ oluşturabilen bir moleküldür, bu sürece polimerizasyon adı verilir.

Düzensiz sarım veya rastgele sarım, monomerlerin rastgele doğrultulu olup buna rağmen bitişik olanların birbirine bağlı oldukları bir polimer konformasyonudur. Belli bir şekil değil, bir makromolekül topluluğundaki tüm şekillerin istatistik bir dağılımıdır. Bu konformasyonun adının arkasında yatan kavram, spesifik, stabilize edici bir etkileşim olmayınca, polimer omurgasının tüm konformasyonları rastgele "örnekleyeceğidir". Çözelti halinde veya ergime sıcaklığının üzerinde olan, çoğu doğrusal, dalsız homopolimer, (yaklaşık) rastgele sarım şeklini alır. Birbirine eşit uzunlukta olmayan monomerlere sahip kopolimerler dahi rastgele sarım dağılımı gösterir, eğer altbirimler arasında spesifik etkileşim yoksa. Dallı polimerlerin parçaları da rastgele sargı şekli alabilir.

Stephanie Louise Kwolek, Amerikalı bir kimyager ve DuPont şirketinde 40 yıldan fazla çalıştı. Kevlar olarak daha iyi bilinen poli-parafenilen tereftalamid yani olağanüstü güç ve sertlik derecesine sahip bir sentetik lif ailesinden birinin icat edilmesinde en iyi bilineni kimyagerdir. Kwolek, keşfinden dolayı DuPont şirketinin Lavoisier Madalyasını olağanüstü teknik başarı ile kazandı. Uzun yıllar boyunca bu onuru alan tek kadın çalışandı. 1995 yılında Ulusal Mucitler Hall of Fame'e eklenen dördüncü kadın oldu. Kwolek, Ulusal Medal of Technology, IRI Başarı Ödülü ve Perkin Madalyası gibi polimer kimyasındaki çalışmalarıyla çok sayıda ödül kazandı.

<span class="mw-page-title-main">Biyopolimer</span>

Biyopolimerler, biyolojik kaynaklardan elde edilen ve doğada çözünebilen polimerlerdir. Bitkilerden, hayvanlardan veya mikroorganizmalardan elde edilebilir ve polimerik biyomoleküllerdir. Doğal olarak oluşan polimerlerin yanı sıra, insanlar tarafından biyolojik kaynaklardan elde edilen sentetik polimerler de biyopolimerler olarak kabul edilir.

<span class="mw-page-title-main">Ara yüzey polimerizasyonu</span>

Arayüzey polimerizasyonu basamaklı polimerizasyonun bir türüdür. Arayüzey polimerizasyonunda polimerizasyon birbirine karışmayan iki faz arasında gerçekleşir ve sonucunda bu iki faz arasında polimer oluşur. Çeşitli arayüzey polimerizasyonu tipi vardır ve farklı tipler farklı polimer topolojilerine sebep olabilir. İnce filmler, nanokapsüller, ve nanolifler bu topolojilerden birkaçıdır.

Emülsiyon polimerizasyonu genellikle su, monomer ve yüzey aktif madde içeren bir emülsiyon ile başlayan bir tür radikal polimerizasyondur. En yaygın emülsiyon polimerizasyonu tipi, su içinde yağ emülsiyonu olup, bu polimerizasyon tipinde monomer damlacıkları, su fazı içinde olan yüzey aktif cisimleri ile emülsiyon haline getirilir. Bazı polivinil alkoller veya hidroksietil selüloz gibi suda çözünen polimerler, emülsiyonlaştırıcı/stabilizatör olarak kullanılabilir. "Emülsiyon polimerizasyonu" adı, tarihsel bir yanlış anlamadan kaynaklanan, hatalı bir adlandırmadır. Polimerizasyon aslında emülsiyon damlacıklarında meydana gelmez, işlemin ilk birkaç dakikasında kendiliğinden oluşan lateks/kolloid parçacıklarında gerçekleşir. Bu lateks partikülleri tipik olarak 100 nm büyüklüğünde olup birçok polimer zincirinden oluşurlar. Her partikül yüzey aktif madde ('sabun') ile çevrili olduğu için partiküllerin birbiriyle pıhtılaşması önlenir; yüzey aktif maddenin üzerindeki elektrik yükü diğer partikülleri elektrostatik olarak iter. Sabun yerine suda çözünür polimerler stabilizatör olarak kullanıldığında, parçacıklar arasındaki itme, suda çözünür polimerlerin parçacığın üzerinde diğer parçacıkları iten bir 'tüylü tabaka' oluşturması ile olur. Bunun nedeni parçacıkları bir araya getirmenin tüylü tabakadaki polimer zincirlerinin sıkıştırılmasını gerektirmesidir.

<span class="mw-page-title-main">Basamaklı polimerizasyon</span>

Basamaklı polimerizasyon, iki veya daha çok fonksiyonel gruplu monomerlerin ilk önce dimerleri, daha sonra trimerleri, daha sonra uzun oligomerleri ve sonunda uzun zincirli polimerleri oluşturmak üzere reaksiyona girdiği bir polimerizasyon mekanizmasıdır. Birçok doğal ve sentetik polimer basamaklı polimerizasyon sonucunda oluşur. Örneğin: poliesterler, poliamidler, poliüretanlar ve benzeri polimerler basamaklı polimerizasyon ile sentezlenirler. Polimerizasyon mekanizmasının doğası gereği, yüksek moleküler ağırlık elde etmek için yüksek kapsamlı ("extent") reaksiyon gereklidir. Kademeli bir polimerizasyon mekanizması, insan zinciri oluşturmak birbirlerinin ellerini tutan insanların oluşturduğu bir "insan zincirine" benzetilebilir - her insanın iki eli - reaktif yerleri - vardır. İnsanların aksine bir monomer üzerinde ikiden fazla kola -reaktif bölgeye- sahip olma olasılığı vardır: Bu durumda dallı polimerlerin üretimi gerçekleşir.

Poliol çoklu hidroksil gruplarını içeren bir organik bileşiktir. "Poliol" teriminin gıda bilimi ile polimer kimyasında kullanımlarında farklı anlamları olabilir. İki hidroksil grubundan daha fazlasına sahip olan molekül polioldur, üç tanelisi; triol ve dörtlüsü; tetroldür. Geleneksel olarak polioller diğer fonksiyonel grupları içeren bileşikleri ifade etmezler.

Genellikle polimer malzemeleri tasarlayan, analiz eden ve değiştiren bir mühendislik alanıdır. Polimer mühendisliği, petrokimya endüstrisi, polimerizasyon, polimerlerin yapısı ve karakterizasyonu, polimerlerin özellikleri, polimerlerin birleştirilmesi ve işlenmesi ve ana polimerlerin tanımı, yapı özellik ilişkileri ve uygulamalarının yönlerini kapsar.

1,3-Bütadien, (CH2=CH)2 formülüne sahip organik bileşiktir. Kolayca yoğunlaşan renksiz bir gazdır. Sentetik kauçuğun öncülü olarak endüstriyel olarak önemlidir. Molekül, iki vinil grubunun birleşimi olarak görülebilir. En basit konjüge diendir (çifte alken).

Ulusal Bilimler Akademisi tarafından verilen Kimya Bilimleri Ödülü, bu alanda, en geniş anlamda doğa bilimlerinin daha iyi anlaşılmasına ve insanlığın yararına katkıda bulunan yenilikçi araştırmalara verilmektedir.


Bu sayfa, bu Vikipedi makalesine dayanmaktadır.
Metin, CC BY-SA 4.0 lisansı altında mevcuttur; ek koşullar uygulanabilir.
Görseller, videolar ve sesler kendi lisansları altında mevcuttur.