Polimer

Pojęcie „polimer” oznacza makrocząsteczkę złożoną z więcej niż jednej cząsteczki, a to jednego (lub nawet kilku) typu atomów (bądź też od razu grup atomów). Przy czym warto zauważyć, że wiele z ich właściwości chemicznych i fizycznych nie zmienia się, gdy dodamy lub odejmiemy jedną (czy więcej) podobną jednostkę strukturalną.

Nowoczesne polimery powstają dziś zazwyczaj dzięki procesowi znanemu jako polikondensacja lub polimeryzacja.

Kluczową cechą, w której różnią się inne materiały i polimery, jest jednak tzw. struktura łańcuchowa wszystkich zawartych w nich cząsteczek – na ogół są to długie liniowe struktury wzajemnie połączonych atomów (lub ich grup), w których jest zauważalna pewna regularna struktura. Może ona być (choć nie musi) przerwana ze względu na rozgałęzienia (wtedy mówimy o tzw. polimerach szczepionych lub rozgałęzionych, bądź bezpośrednio o tzw. sieciach polimerowych).

Powyższa informacja jest istotna, ponieważ inaczej moglibyśmy uznać za polimery nawet diamenty (czy dziś tak popularny grafen), ponieważ ich masy cząsteczkowe są równie wysokie.

Aby jednak uzyskać pełną informację – nie tak dawno, polimery oznaczały jedynie makrocząsteczkowe substancje stworzone z cząsteczek o wzorze Xn „(cyfra n wskazywała, ile razy struktura się powtarza). Nie możemy zapominać, że dziś za polimery uważane są także substancje niepochodzenia chemicznego: na przykład kwasy nukleinowe i różne proteiny. Wynika to oczywiście z faktu, że ich struktura cząsteczki składa się z ogromnej liczby bardzo podobnych strukturalnych pozycji, które ciągle się powtarzają.

W celu uporządkowania dziedziny nowoczesnej chemii i polimerów, naukowcy postanowili wyraźnie i jasno odróżnić kwestie: przykładowo, wszystkie polimery powstałe z biologicznej materii dziś nazywane są biopolimerami (lub też biomakrocząsteczkowymi substancjami). Na przykład chyba najbardziej znanym biopolimerem jest celuloza, zawierająca około tysiąca jednostek glukozy. To także powód, dlaczego celuloza ma tak dużą masę cząsteczkową (około 200 tysięcy).

Przykłady najczęściej spotykanych chemicznych polimerów w praktyce

Najbardziej znanym przedstawicielem zwykłych polimerów chemicznych jest polietylen, który można przedstawić w ten sposób:

H―(CH2)n―H

lub też:

H―(CH2―CH2)n―H

kiedy ktoś chce podkreślić, że powstał z polimeryzacją etylenu.

Innym dość dobrze znanym polimerem jest tzw. poli butadien (to najstarszy sztuczny kauczuk):

H―(CH2―CH═CH―CH2)n―H

możemy mieć także poli butadien zakończony grupą hydroksylową (HTPB), wtedy wygląda on tak:

HO―(CH2―CH═CH―CH2)n―OH

Innym dobrym przykładem nowoczesnego (i już nie całkiem prostego) polimeru jest także polichlorek winylu (PVC):

H―(CH2―CHCl)n―H

Jakie struktury mogą przyjmować polimery?

Wszystkie wymienione powyżej polimery mają nierozgałęzione i proste struktury. Jeśli jednak chcemy poznać bardziej skomplikowany polimer, dobrym przykładem jest wszystkim dobrze znany naturalny kauczuk. Naturalny kauczuk wywodzi się z monomerycznej jednostki węglowodoru izoprenu (lub może posłużyć też polistyren pochodzenia syntetycznego).

Polimery wszystkich typów oczywiście nie muszą tworzyć tylko prostych i liniowych substancji. Mogą również powstawać wiązania chemiczne między połączeniami jednostek monomerycznych – tworzy to specyficzną i niepowtarzalną przestrzenną/powierzchniową strukturę danego polimeru.

Wszystkie polimery mogą także powstawać z więcej niż jednego monomeru, wówczas nazywa się je kopolimerami. Cząsteczki tutaj mogą, ale nie muszą mieć regularnej struktury swoich jednostek monomerycznych. Logicznie rzecz biorąc, wynika z tego, że zarówno kwasy nukleinowe, jak i białka są pod tym względem jasnymi kopolimerami.

Jakie właściwości mechaniczne mają polimery?

Najważniejszym czynnikiem, który interesuje ludzi we wszystkich polimerach chemicznych są ich właściwości mechaniczne i fizyczne. To właśnie one determinują, jak dany polimer będzie się zachowywał w świecie makroskopowym i na większą skalę.

• Wytrzymałość na rozciąganie – ta cecha u danego materiału (a polimery nie są tu wyjątkiem) określa, jak duże wydłużenie polimer może wytrzymać przed zerwaniem. Jest to bardzo ważna kwestia, ponieważ często jest to czynnik, który jest najważniejszy w ich przypadku. Ogólnie rzecz biorąc, można powiedzieć, że wytrzymałość na rozciąganie danego polimeru zwiększa się wraz z długością jego łańcucha/stworzeniem bardziej skomplikowanej struktury typu sieci u celulozy.
• Moduł elastyczności – określa, jak bardzo dany polimer jest elastyczny. Jest definiowany dla włókien o określonej długości i grubości. Ta wartość nie jest poza tym stała i zmienia się w dużym stopniu w zależności od temperatury.