Reakcija polimerizacije
Uvod
Polimeri su kemijski spojevi sastavljeni od velikih, dugolančanih molekula sastavljenih od ponavljajućih jedinica koje se nazivaju monomeri. Polimerizacija je kemijski proces kojim se ti monomeri kombiniraju i tvore polimere. Ovaj proces ključan je u kemijskoj industriji i doprinosi stvaranju raznih vrijednih materijala, uključujući plastiku, gumu i sintetička vlakna.
Ovaj članak ima za cilj opisati mehanizme, vrste i primjenu reakcija polimerizacije. Procesi polimerizacije mogu se odvijati putem različitih mehanizama, s dvije glavne kategorije: adicijska polimerizacija i kondenzacijska polimerizacija.
Vrste polimerizacije
Polimerizacija Adisija
Adicijska polimerizacija je proces u kojem monomeri s dvostrukim ili trostrukim vezama reagiraju tvoreći polimer bez stvaranja nusprodukata. Polimeri dobiveni ovom vrstom polimerizacije nazivaju se adicijski polimeri.
Koraci:
1. Inicijacija: Reakcija započinje kada inicijator proizvodi slobodne radikale, ione ili katalizatore koji mogu prekinuti dvostruke veze u monomerima.
2. Širenje: Nastali slobodni radikali ili ioni reagiraju s monomerima, stvarajući nove aktivne krajeve koji mogu reagirati s drugim monomerima.
3. Završetak: Reakcija se zaustavlja kada se dva slobodna radikala susretnu i formiraju kovalentnu vezu ili kada neki drugi mehanizam zaustavi širenje.
Primjer:
– Poli(etilen): Monomer etilena (C2H4) reagira putem lanca slobodnih radikala tvoreći poli(etilen).
– Poli(vinilklorid) (PVC): Monomeri vinilklorida (C2H3Cl) spajaju se inicijacijom, propagacijom i terminacijom.
Polimerizacija Kondenzacija
Kondenzacijska polimerizacija uključuje monomere koji imaju najmanje dvije reaktivne funkcionalne skupine i tvore polimer s izlazom nusprodukta, poput vode ili metanola.
Koraci:
1. Inicijacija: Monomeri koji imaju reaktivne funkcionalne skupine reagiraju jedni s drugima.
2. Stvaranje: Stvaranje veza između monomera, uz oslobađanje lakih molekula, poput H2O ili HCl.
3. Rast lanca: Ovaj proces se nastavlja sve dok se monomeri ne potroše ili uvjeti reakcije više nisu povoljni.
Primjer:
– Najlon-6,6: Nastaje reakcijom između heksametilendiamina i adipinske kiseline, pri čemu kao nusprodukt nastaje voda.
– Poliester: Nastaje reakcijom između tereftalne kiseline i etilen glikola, s vodom kao nusproduktom.
Mehanizam polimerizacije
Polimerizacija slobodnih radikala
Polimerizacija slobodnih radikala jedan je od najčešćih mehanizama adicijske polimerizacije. Ovaj proces započinje stvaranjem visoko reaktivnih slobodnih radikala, obično putem toplinske ili fotoinicijacije.
1. Inicijacija: Molekule inicijatora poput benzoil peroksida ili azobisizobutironitrila (AIBN) razgrađuju se kako bi nastali slobodni radikali.
\[ \text{(Napomena, AIBN) → 2 \cdot (Radikalni, )} \]
2. Širenje: Slobodni radikali reagiraju s monomerima tvoreći proširene monomerne radikale:
\[ \text{(Radikal + Monomer) → (R-Polimer)} \]
3. Završetak: Dva slobodna radikala kombiniraju se i tvore neradikalsku molekulu te zaustavljaju lančanu reakciju:
\[ \text{(R + R ) → Neradikalno produktivno} \]
Ionska polimerizacija
Ova polimerizacija uključuje stvaranje iona (kationa ili aniona) kao reaktivnih vrsta. Ionska polimerizacija se također može podijeliti na dvije glavne vrste, naime:
– Kationska polimerizacija: Uključuje kationsku vrstu kao inicijator. Obično se koristi s monomerima koji imaju skupine koje doniraju elektrone, poput izobutilena.
– Anionska polimerizacija: Uključuje negativno nabijene ione (anione) kao inicijatore. Koristi se na monomerima koji imaju skupine koje prihvaćaju elektrone, poput stirena.
Koordinacijska polimerizacija
Ova vrsta polimerizacije posredovana je katalizatorima kompleksa prijelaznih metala, primjer je Ziegler-Natta polimerizacija koja se koristi za izradu stereoregularnog polietilena i polipropilena.
1. Katalizatori: Prijelazni metali poput titanijevog klorida koriste se zajedno s organometalnim spojevima poput aluminijevog trietila (AlEt3).
2. Reakcija: Monomeri se spajaju na aktivnom položaju metalnog kompleksa.
Primjene polimerizacije
Industrija plastike
Plastika je najpoznatiji i široko korišteni polimerni proizvod. Proizvodi se postupcima adicijske i kondenzacijske polimerizacije. Primjeri uobičajenih proizvoda polimerizacije plastike uključuju polietilen, polipropilen, PVC i PET (polietilen tereftalat). Plastika se koristi u proizvodnji ambalaže, igračaka, cijevi i raznih drugih potrošačkih proizvoda.
Vlaknasti materijal
Sintetička vlakna poput najlona i poliestera rezultat su kondenzacijske polimerizacije. Koriste se u proizvodnji tekstila, odjeće i kućanskih predmeta poput tepiha i užadi. Vlakna se često biraju zbog svoje čvrstoće, otpornosti na habanje i elastičnosti.
Sintetička guma
Sintetičke gume, poput polibutadiena i stiren-butadiena (SBR), proizvodi su adicijske polimerizacije monomera koji sadrže dien. Ove se gume koriste u proizvodnji automobilskih guma, brtvi i u raznim industrijskim primjenama zbog svoje otpornosti na abraziju i deformaciju.
Epoksidne smole i termoreaktivni polimeri
Epoksidne smole rezultat su kondenzacijske polimerizacije koja se odvija na sobnoj temperaturi ili zagrijavanjem. Koriste se u ljepilima, bojama i kompozitnim materijalima koji zahtijevaju otpornost na toplinu i kemikalije. Ovi termoreaktivni polimeri ne mogu se ponovno taliti nakon stvrdnjavanja, za razliku od termoplastičnih polimera.
Biomedis
Polimeri koji se koriste u biomedicinskim primjenama uključuju polilaktid (PLA) i poli(tetrahidrofuran) (PTHF), koji se koriste za izradu bioresorbirajućih materijala za implantate. Ovi polimeri su dizajnirani da se biorazgrađuju u tijelu, smanjujući potrebu za drugim kirurškim uklanjanjem.
Elektroaktivni materijali
Elektroaktivni polimeri su polimeri koji mijenjaju oblik pod utjecajem električnog polja, a obično se koriste u aktuatorima i senzorima. Primjeri uključuju poli(3,4-etilendioksitiofen) (PEDOT), koji se koristi u elektroničkim uređajima poput zaslona osjetljivih na dodir.
Zaključak
Reakcije polimerizacije temeljni su kemijski procesi u modernoj kemijskoj industriji, koji otvaraju put širokom rasponu proizvoda i primjena koje mijenjaju naš svakodnevni život. Razumijevanjem mehanizama i vrsta polimerizacije, kao i njihove primjene, možemo razviti nove materijale s poboljšanim svojstvima za buduće potrebe. Adicijska polimerizacija i kondenzacijska polimerizacija igraju jedinstvenu ulogu u stvaranju ovih materijala, a znanost nastavlja napredovati kako bi otkrila nove načine optimizacije ovih procesa i pronašla inovativne primjene polimera.
