Γενικά - κατάταξη

Τα πολυμερή είναι ενώσεις οι οποίες συνίστανται από πολύ μεγάλα μόρια τα οποία είναι φτιαγμένα από ένα μεγάλο αριθμό επαναλαμβανόμενων υπομονάδων. Η μοριακή αυτή (υπο)μονάδα, η οποία χρησιμοποιείται στη σύνθεση του πολυμερούς, ονομάζεται μονομερές και οι αντιδράσεις μέσω των οποίων το μονομερές ενώνεται προς το μεγαλομόριο λέγονται αντιδράσεις πολυμερισμού. Ο ορισμός αυτός αφορά τα λεγόμενα πολυμερή προσθήκης, μια και αυτά παράγονται από αντιδράσεις σύνθεσης ή προσθήκης. Μία δεύτερη περίπτωση πολυμερών είναι τα λεγόμενα πολυμερή συμπύκνωσης τα οποία, όπως ήδη αναφέρθηκε (βλέπε παράγραφο πρωτεϊνών) παράγονται από αντιδράσεις συμπυκνώσεως. Σ´ αυτές οι μονομερείς ομάδες ενώνονται με διαμοριακή απόσπαση μικρών μορίων, όπως το Η₂Ο.

Ανάλογα λοιπόν με την αντίδραση παρασκευής τους τα πολυμερή διακρίνονται σε πολυμερή προσθήκης και συμπύκνωσης. Από ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα δίνεται παρακάτω

Από άποψη προέλευσης τα πολυμερή μπορούν να διακριθούν σε πολυμερή τα οποία παράγει η φύση, τα λεγόμενα βιοπολυμερήκαι τα συνθετικά και τεχνητά πολυμερή. Ήδη έχουν αναφερθεί διάφορα βιοπολυμερή, όπως π.χ. τα παράγωγα της γλυκόζης (άμυλο και κυτταρίνη) καθώς και τα μετάξι και μαλλί σαν πρωτεΐνες (πολυαμίδια ή πολυπεπτίδια). Πολλά από τα συνθετικά ή τεχνητά πολυμερή, επειδή

είναι παράγωγα του εργαστηρίου και της βιομηχανίας και όχι της φύσης δεν είναι «βιοαποσυντιθέμενα» πλαστικά. Και τούτο διότι, μια και δεν τα παράγει η φύση δεν τα αναγνωρίζει και δεν έχει τον τρόπο να τα αποβάλλει ή απορροφήσει ή να τα αφομοιώσει. Βέβαια πολλά από αυτά τα υλικά είναι καύσιμα, αν και η πύρωση ή πυρόλυσή τους δεν είναι πάντα πρόσφορη μέθοδος απόρριψης, μια και προκαλεί σοβαρή μόλυνση του αέρα. Οι προσπάθειες τείνουν αφενός μεν στην παρασκευή βιοαποσυντιθεμένων πλαστικών, αφετέρου δε στην ανακύκλωση των πλαστικών απορριμμάτων.

Ανάλογα τώρα με τη συμπεριφορά τους κατά τη θέρμανσή τους, διακρίνονται σε θερμοστατικάκαι θερμοπλαστικά. Τα θερμοπλαστικά μαλακώνουν με τη θέρμανσή τους και μάλιστα με κατάλληλη πίεση μορφοποιούνται σε διάφορα σχήματα. Επανέρχονται δε, όταν ψυχθούν στην αρχική τους κατάσταση. Τα θερμοστατικά συνήθως σκληραίνουν με θέρμανση και δεν επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση, όταν ψυχθούν.

Πολυμερή προσθήκης

Από το μηχανισμό της αντίδρασης πολυμερισμού προσθήκης φαίνεται ότι οι καλύτερες πρώτες ύλες (μονομερή) είναι τα αλκένια. Έτσι πράγματι τα πρώτα και πολύ σπουδαία πολυμερή προέκυψαν από το CH₂=CH₂ και CH₃CH=CH₂ (πολυαιθυλένιο και πολυπροπυλένιο αντίστοιχα).

Το χλωροαιθένιο ή βινυλοχλωρίδιo, CH₂=CHCl, πολυμεριζόμενο δίνει ένα πολυμερές γνωστό ως PVC (ΠολυΒινυλοΧλωρίδιο):

Το PVC έχει μέση σχετική μοριακή μάζα 1 500 000 και είναι ένα σκληρό και ανθεκτικό υλικό. Με την μορφή αυτή χρησιμοποιείται για την παρασκευή σωλήνων, δίσκων φωνογράφου (pick-up) κ.λ.π. Αν αναμιχθεί με εστέρες, μπορεί να γίνει πιο μαλακό (για το λόγο αυτό οι εστέρες λέμε ότι δρουν σαν πλαστικοποιητές). Το πλαστικοποιημένο PVC χρησιμοποιείται για την παρασκευή "δέρματος βινυλικού" από το οποίο κατασκευάζονται πλαστικά αδιάβροχα, πετάσματα μπάνιου (κουρτίνες) κλπ.

Πολυμερισμός του ακρυλονιτριλίου, CH₂=CHCN, δίνει το πολυακρυλονιτρίλιο το οποίο διαλυόμενο σε κατάλληλο διαλύτη (το διμεθυ-λοφορμαμίδιο) μπορεί να δώσει συνθετικές υφάνσιμες ίνες (Orlon).

Το Teflon παράγεται από τον πολυμερισμό του τετραφθοροαιθυλενίου, CF₂=CF₂ παρουσία Fe²⁺, H₂O₂ και Η₂Ο. Το Teflon έχει σημείο τήξης 327 °C που είναι ασυνήθιστα υψηλό για πολυμερές προσθήκης. Είναι αδρανές στα χημικά αντιδραστήρια και έχει πολύ μικρό συντελεστή τριβής .

Ένα πολυμερές με εξαιρετικές οπτικές ιδιότητς παράγεται από τον πολύμερισμό του μεθακρυλικού μεθυλίου, CH₂=CH(CH₃)COOCH₃.

Από τον συμπολυμερισμό βινυλοχλωριδίου και 1,1-διχλωροαιθυλενίου (βινυλιδενχλωρίδιο) παράγεται το κυριότερο υλικό κατασκευής ειδών συσκευασίας περιτυλίγματος τροφίμων:

Οι ιδιότητες των πολυμερών προσθήκης όπως, η κρυσταλλική ή όχι δομή τους, το σημείο τήξης ή καλύτερα μαλάκυνσής τους, η πυκνότητα και οι μηχανικές τους ιδιότητες εξαρτώνται σε μέγιστο βαθμό από τις συνθήκες παραγωγής τους. Αυτές τελικά διαμορφώνουν την στερεοχημεία του πολυμερούς. Με τη χρήση των λεγομένων καταλυτών Ziegler−Natta είναι πλέον δυνατός ο στερεοχημικός έλεγχος του παραγόμενου πολυμερούς.

Πολυμερή συμπύκνωσης

Εκτός από τις πρωτεΐνες που αναφέρθηκαν σε προηγούμενη παράγραφο, τα πλέον σημαντικά πολυμερή συμπύκνωσης είναι τα πολυαμίδια, οι πολυεστέρες και οι ρητίνες της φορμαλδεΰδης.

Τα πολυαμίδια.( -ΝΗ-CO-)_ν

Η έρευνα για ένα συνθετικό υλικό με ιδιότητες ανάλογες με εκείνες του μεταξιού οδήγησαν στην ανακάλυψη μιας ολόκληρης οικογένειας συνθετικών πολυαμιδίων γνωστών με το γενικό όνομα Nylon. Ένα από τα πιο σημαντικά Nylon είναι το Nylon 6,6. Αυτό μπορεί να παρασκευαστεί από ένα δικαρβονικό οξύ με έξι άτομα άνθρακα (το πρώτο 6 στην ονομασία), το αδιπικό οξύ και από μία διαμίνη με έξι άτομα άνθρακα (το δεύτερο 6…), την εξαμεθυλενοδιαμίνη. Στη βιομηχανική παραγωγή αυτές οι δύο ενώσεις αντιδρούν σε ισομοριακές αναλογίες ώστε να δώσουν ένα 1:1 άλας. Στη συνέχεια το άλας αυτό (λέγεται και άλας του Nylon) θερμαίνεται στους 270 °C και σε πίεση ≈17 atm, οπότε πολυμερίζεται προς το πολυαμίδιο (Nylon).

Το Nylon 6,6 το οποίο παράγεται με αυτές τις συνθήκες έχει σχετική μοριακή μάζα ≈ 10 000 και σημείο τήξης ≈ 250 °C. Όταν τακεί μπορεί να μορφοποιηθεί σε ίνες οι οποίες στη συνέχεια επιμηκύνονται μηχανικά σε μήκος 4^ιο του αρχικού τους. Αυτή η επεξεργασία αυξάνει πολύ της μηχανικές του ιδιότητες.

Πολυεστέρες

Ένας από τους σπουδαιότερους πολυεστέρες είναι και ο πολυαιθυλένοτερεφθαλικός, ο οποίος δόθηκε ως παράδειγμα πολυμερούς συμπύκνωσης. Εκτός από την παραπάνω αντίδραση, ο πολυεστέρας αυτός μπορεί να παρασκευαστεί και με αντίδραση μετεστεροποίησης και μετά πολυμερισμό του νέου εστέρα. Έτσι, αρχικά θερμαίνεται (≈200 °C) διμέθυλο τερεφθαλικός εστέρας με περίσσεια αιθυλένο γλυκόλης (το γνωστό και ως αντιψυκτικό στα ψυγεία των αυτοκινήτων). Έτσι προκύπτει ο νέος εστέρας, ο οποίος στη συνέχεια πολυμερίζεται προς τον πολυαιθυλένοτερεφθαλικό πολυεστέρα. Με μορφή υφανσίμων, συνθετικών ινών είναι γνωστός με τα ονόματα Dacron και Terylene.

Πολυουρεθάνες

Μία ουρεθάνη παράγεται από την αντίδραση μιας αλκοόλης με ένα ισοκυανικό ομόλογο: R−OH + O=C=N−R΄ → R−O−CO−NH−R΄ (ουρεθάνη). Οι πολυουρεθάνες συνήθως παράγονται με αντίδραση μιας διόλης (πολυμερές με πρωτοταγείς −ΟΗ με ένα διισοκυανικό παράγωγο, το οποίο συνήθως είναι το τολουολο-2,4-διισοκυανικό. Προσθήκη μικρής ποσότητας νερού στο μίγμα που πολυμερίζεται προκαλεί μερική υδρόλυση του R−N=C=O προς CO₂.Αυτό δημιουργεί τον αφρό της πολυουρεθάνης.

Πολυμερή φορμαλδεΰδης- φαινόλης .

Ένα από τα πρώτα συνθετικά πολυμερή τα οποία παρήχθησαν ήταν και ένα πολυμερές (ή ρητίνη) γνωστό ως βακελίτης. Αυτός παράγεται με αντίδραση συμπύκνωσης μεταξύ φαινόλης. C₆H₅OH και ΗCH=O με καταλύτες οξέα ή βάσεις. Το παραγόμενο πολυμερές έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης και είναι μονωτικό του ηλεκτρισμού.