Polümerisatsioonireaktsioon
Pendahuluan
Polümeerid on keemilised ühendid, mis koosnevad suurtest pika ahelaga molekulidest, mis on moodustatud korduvatest ühikutest, mida nimetatakse monomeerideks. Polümerisatsioon on keemiline protsess, mille käigus need monomeerid kombineeruvad, moodustades polümeere. See protsess on keemiatööstuses ülioluline ja aitab kaasa mitmesuguste väärtuslike materjalide, sealhulgas plastide, kummi ja sünteetiliste kiudude moodustumisele.
Selle artikli eesmärk on kirjeldada polümerisatsioonireaktsioonide mehhanisme, tüüpe ja rakendusi. Polümerisatsiooniprotsessid võivad toimuda erinevate mehhanismide kaudu, mis jagunevad kahte peamisse kategooriasse: liitumispolümerisatsioon ja kondensatsioonpolümerisatsioon.
Polümerisatsiooni tüübid
Liitmispolümerisatsioon
Liitmispolümerisatsioon on protsess, mille käigus kaksik- või kolmiksidemetega monomeerid reageerivad, moodustades polümeeri ilma kõrvalsaadusi tekitamata. Seda tüüpi polümerisatsiooni teel saadud polümeere nimetatakse liitmispolümeerideks.
Sammud:
1. Initsieerimine: Reaktsioon algab siis, kui initsiaator tekitab vabu radikaale, ioone või katalüsaatoreid, mis võivad monomeerides kaksiksidemeid lõhkuda.
2. Paljundamine: Moodustunud vabad radikaalid või ioonid reageerivad monomeeridega, luues uusi aktiivseid otsi, mis saavad reageerida teiste monomeeridega.
3. Lõpetamine: Reaktsioon peatub, kui kaks vaba radikaali kohtuvad ja moodustavad kovalentse sideme või kui mõni muu mehhanism peatab reaktsiooni levimise.
Kontoh:
– Polü(etüleen): Etüleenmonomeer (C2H4) reageerib vabade radikaalide ahela kaudu, moodustades polü(etüleeni).
– Polü(vinüülkloriid) (PVC): vinüülkloriidi monomeerid (C2H3Cl) ühendatakse initsieerimise, levimise ja lõpetamise teel.
Kondensatsioonipolümerisatsioon
Kondensatsioonpolümerisatsioon hõlmab monomeere, millel on vähemalt kaks reaktiivset funktsionaalrühma, ja moodustab polümeeri kõrvalsaaduse, näiteks vee või metanooli, väljundiga.
Sammud:
1. Initsieerimine: Monomeerid, millel on reaktiivsed funktsionaalrühmad, reageerivad üksteisega.
2. Moodustamine: Monomeeride vaheliste sidemete moodustumine, millega kaasneb kergete molekulide, näiteks H2O või HCl, vabanemine.
3. Keti kasv: See protsess jätkub seni, kuni monomeerid otsa saavad või reaktsioonitingimused pole enam soodsad.
Kontoh:
– Nailon-6,6: Valmistatud heksametüleendiamiini ja adipiinhappe reaktsioonil, mille käigus tekib kõrvalproduktina vesi.
– Polüester: Moodustub tereftaalhappe ja etüleenglükooli vahelise reaktsiooni tulemusena, kõrvalproduktina tekib vesi.
Polümerisatsioonimehhanism
Vabade radikaalide polümerisatsioon
Vabade radikaalide polümerisatsioon on üks levinumaid liitumispolümerisatsiooni mehhanisme. See protsess algab väga reaktiivsete vabade radikaalide moodustumisega, tavaliselt termilise või fotoinitsiatsiooni teel.
1. Initsieerimine: Initsiaatormolekulid, näiteks bensoüülperoksiid või asobisisobutüronitriil (AIBN), lagunevad vabade radikaalide tekitamiseks.
\[ \text{(Märkus, AIBN) → 2 \cdot (Radikaal, )} \]
2. Paljunemine: Vabad radikaalid reageerivad monomeeridega, moodustades pikendatud monomeerradikaale:
\[ \text{(Radikaal + Monomeer) → (R-polümeer)} \]
3. Lõpetamine: Kaks vaba radikaali moodustavad ühendudes mitteradikaalse molekuli ja peatavad ahelreaktsiooni:
\[ \text{(R + R ) → Mitteradikaalne produktiivne} \]
Ioonne polümerisatsioon
See polümerisatsioon hõlmab ioonide (katioonide või anioonide) moodustumist reaktiivsete liikidena. Ioonse polümerisatsiooni saab jagada ka kahte põhitüüpi, nimelt:
– Katioonne polümerisatsioon: initsiaatorina kasutatakse katioonset ühendit. Tavaliselt kasutatakse koos elektronidoonorrühmadega monomeeridega, näiteks isobutüleeniga.
– Anioonne polümerisatsioon: Negatiivselt laetud ioonide (anioonide) initsiaatorite kasutamine. Kasutatakse elektronaktseptorsete rühmadega monomeeride, näiteks stüreeni puhul.
Koordinatsioonipolümerisatsioon
Seda tüüpi polümerisatsiooni vahendavad siirdemetallide komplekskatalüsaatorid, näiteks Ziegler-Natta polümerisatsioon, mida kasutatakse stereo-regulaarse polüetüleeni ja polüpropüleeni valmistamiseks.
1. Katalüsaatorid: Siirdemetalle, näiteks titaankloriidi, kasutatakse koos organometallühenditega, näiteks alumiiniumtrietüüliga (AlEt3).
2. Reaktsioon: Monomeerid ühinevad metallikompleksi aktiivses positsioonis.
Polümerisatsiooni rakendused
Plastitööstus
Plastid on kõige tuntumad ja laialdasemalt kasutatavad polümeertooted. Neid valmistatakse liitmis- ja kondensatsioonpolümerisatsiooniprotsesside abil. Levinud plastpolümerisatsioonitoodete näideteks on polüetüleen, polüpropüleen, PVC ja PET (polüetüleentereftalaat). Plasti kasutatakse pakendite, mänguasjade, torude ja paljude muude tarbekaupade tootmisel.
Kiudmaterjal
Sünteetilised kiud, näiteks nailon ja polüester, on kondensatsioonpolümerisatsiooni tulemus. Neid kasutatakse tekstiilide, rõivaste ja majapidamistarvete, näiteks vaipade ja köite valmistamisel. Kiude valitakse sageli nende tugevuse, kulumiskindluse ja elastsuse tõttu.
Sünteetiline kautšuk
Sünteetilised kummid, näiteks polübutadieen ja stüreenbutadieen (SBR), on dieeni sisaldavate monomeeride aditspolümerisatsiooni produktid. Neid kummisid kasutatakse sõidukirehvide, tihendite ja mitmesuguste tööstuslike rakenduste tootmisel tänu nende kulumiskindlusele ja deformatsioonile.
Epoksüvaigud ja termoreaktiivsed polümeerid
Epoksüvaigud on toatemperatuuril või kuumutamisel toimuva kondensatsioonpolümerisatsiooni tulemus. Neid kasutatakse liimides, värvides ja komposiitmaterjalides, mis vajavad vastupidavust kuumusele ja kemikaalidele. Erinevalt termoplastilistest polümeeridest ei saa neid termoreaktiivseid polümeere pärast kõvenemist uuesti sulatada.
Biomedis
Biomeditsiinilistes rakendustes kasutatavate polümeeride hulka kuuluvad polülaktiid (PLA) ja polü(tetrahüdrofuraan) (PTHF), mida kasutatakse bioresorbeeruvate implantaadimaterjalide valmistamiseks. Need polümeerid on loodud organismis biolagunema, vähendades vajadust teise kirurgilise eemaldamise järele.
Elektroaktiivsed materjalid
Elektroaktiivsed polümeerid on polümeerid, mis muudavad kuju elektrivälja mõjul ja mida tavaliselt kasutatakse ajamites ja andurites. Näideteks on polü(3,4-etüleendioksütiofeen) (PEDOT), mida kasutatakse elektroonikaseadmetes, näiteks puutetundlikes ekraanides.
Järeldus
Polümerisatsioonireaktsioonid on tänapäeva keemiatööstuses fundamentaalsed keemilised protsessid, mis sillutavad teed laiale valikule toodetele ja rakendustele, mis muudavad meie igapäevaelu. Polümerisatsiooni mehhanismide ja tüüpide ning nende rakenduste mõistmise abil saame arendada uusi materjale, millel on tulevaste vajaduste rahuldamiseks täiustatud omadused. Liitumispolümerisatsioonil ja kondensatsioonpolümerisatsioonil on nende materjalide moodustumisel ainulaadne roll ning teadus areneb pidevalt, et avastada uusi viise nende protsesside optimeerimiseks ja polümeeride uuenduslike rakenduste leidmiseks.
