Polimer kimyası

Polimer kimyası (makromoleküler kimya olarak da adlandırılır), polimerlerin veya makromoleküllerin kimyasal sentezi ve kimyasal özellikleri bilimidir. IUPAC tavsiyelerine göre, makromoleküller bireysel moleküler zincirleri ifade eder ve kimyanın alanıdır. Polimerler, polimer malzemelerin yığın özelliklerini tanımlar ve polimer fiziği (fiziğin bir bölümü) alanına aittir.

Farklı makromolekül türleri şunları içerir:

Canlı organizmalar tarafından üretilen biyopolimerler:

yapısal proteinler: kolajen, keratin, elastin ve diğerleri
kimyasal olarak işlevsel proteinler: enzimler, hormonlar, taşıma proteinleri ve diğerleri
yapısal polisakkaritler: selüloz, kitin ve diğerleri
depo polisakkaritleri: nişasta, glikojen ve diğerleri
Nükleik asitler: DNA, RNA

Plastik lifler, boyalar, yapı malzemeleri, mobilya, mekanik parçalar, yapıştırıcılar için kullanılan sentetik polimerler:

termoplastikler: polietilen, teflon, polistiren, polipropilen, polyester, poliüretan, polimetil metakrilat, polivinil klorür, naylon, suni ipek, selüloit, silikon ve diğerleri
termoset plastikler: vulkanize kauçuk, Bakalit, Kevlar, epoksi ve diğerleri.

Polimerler, monomerlerin polimerizasyonu ile oluşur. Kimyagerler bir polimeri polimerizasyon derecesi, molar kütle dağılımı, taktikselliği, kopolimer dağılımı, dallanma derecesi, uç grupları, çapraz bağları ve kristalliği ile tanımlar. Kimyagerler ayrıca bir polimerin camsı geçiş sıcaklığı ve erime sıcaklığı gibi termal özelliklerini de inceler. Çözeltideki polimerler çözünürlük, viskozite ve jelleşme için özel karakteristiklere sahiptir.

Tarih

Polimer kimyası, bitkilerdeki uzun lifleri inceleyerek başlamıştır. Henri Braconnot'un 1777'deki çalışması ve Christian Schönbein'in 1846'daki çalışması nitroselülozun keşfine yol açtı. Nitroselüloz kafur ile işlendiğinde selüloit elde edilir. Kimyagerler selüloidi eter ya da aseton içinde çözerek kolodyon elde ederler. Doktorlar kolodyonu ABD İç Savaşı'ndan beri yara pansumanı olarak kullanmaktadır. Selüloz asetat ilk kez 1865 yılında hazırlanmıştır. 1834'te Friedrich Ludersdorf ve Nathaniel Hayward, ham doğal kauçuğa (poliizopren) kükürt eklemenin malzemenin yapışkan hale gelmesini önlemeye yardımcı olduğunu bağımsız olarak keşfetti. 1844 yılında Charles Goodyear, kauçuğu kükürt ve ısı ile vulkanize etmek için bir ABD patenti aldı. Thomas Hancock bir yıl önce İngiltere'de aynı işlem için bir patent almıştı.

1884 yılında Hilaire de Chardonnet, ipek yerine kullanılmak üzere rejenere selüloz ya da viskoz suni ipek bazlı ilk yapay elyaf fabrikasını kurdu, ancak bu elyaf çok yanıcıydı. 1907 yılında Leo Baekeland, Bakalit adı verilen ısıyla sertleşen fenol-formaldehit reçinesi olan ilk sentetik polimeri icat etti. Aynı dönemde Hermann Leuchs, N-karboksianhidritlerin sentezini ve nükleofillerle reaksiyona girdiklerinde yüksek molekül ağırlıklı ürünlerini rapor etmiştir. Ancak Leuchs, muhtemelen doğrudan danışmanı olan Emil Fischer'in 6.000 daltonu aşan herhangi bir kovalent molekül olasılığını reddeden güçlü görüşleri nedeniyle bunları polimer olarak adlandırmadı. Selofan 1908 yılında Jocques Brandenberger tarafından viskoz suni ipek tabakalarını asit banyosuna sokarak icat edilmiştir.

1922 yılında Hermann Staudinger (Alman kimyager) polimerlerin kovalent bağlarla bir arada tutulan uzun atom zincirleri olduğunu öne sürdü. Ayrıca bu bileşiklerin "makromoleküller" olarak adlandırılmasını önerdi. Bundan önce bilim insanları polimerlerin, bilinmeyen bir güç tarafından bir arada tutulan, belirli moleküler ağırlıkları olmayan küçük molekül kümeleri (kolloidler olarak adlandırılır) olduğuna inanıyordu. Staudinger 1953 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü aldı.

Wallace Carothers 1931 yılında neopren adı verilen ilk sentetik kauçuğu icat etmiştir. Neopren ilk polyesterdi. Carothers 1935 yılında gerçek bir ipek ikamesi olan naylonu icat etti. Paul Flory, 1950'lerde çözeltideki polimer rastgele bobin konfigürasyonları üzerine yaptığı çalışmalar nedeniyle 1974 yılında Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Stephanie Kwolek, 1966 yılında patenti alınan Kevlar adında bir aramid ya da aromatik naylon geliştirdi.

Şu anda çok sayıda ticari polimer bulunmaktadır. Bunlar arasında karbon fiber-epoksi, polistiren-polibütadien (HIPS), akrilonitril-bütadien-stiren (ABS) gibi kompozit malzemeler bulunmaktadır. Kimyagerler ticari polimerleri çeşitli bileşenlerinin en iyi özelliklerini bir araya getirecek şekilde tasarlar. Örneğin, otomobil motorlarında kullanılan özel polimerler yüksek sıcaklıklarda çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

Üniversitelerin polimer kimyası alanında öğretim ve araştırma programları başlatması uzun zaman aldı. Almanya'nın Freiburg kentinde 1940 yılında Hermann Staudinger yönetiminde bir "Institut fur Makromolekulare Chemie" kuruldu. Amerika'da ise 1941 yılında Herman Mark tarafından Polytechnic Institute of Brooklyn'de (şimdiki adıyla Polytechnic Institute of NYU) bir "Polimer Araştırma Enstitüsü" (PRI) kurulmuştur. PRI'nin yüzlerce mezunu ABD polimer endüstrisi ve akademisinde önemli bir rol oynamıştır. Diğer PRI'lar 1961 yılında Richard S. Stein tarafından Massachusetts Üniversitesi, Amherst'te, 1967 yılında Eric Baer tarafından Case Western Reserve Üniversitesi'nde ve 1988 yılında Akron Üniversitesi'nde kurulmuştur.

Sorular ve Yanıtlar

S: Polimer kimyası nedir?

C: Polimer kimyası (makromoleküler kimya olarak da adlandırılır), polimerlerin veya makromoleküllerin kimyasal sentezi ve kimyasal özellikleri bilimidir.

S: Canlı organizmalar tarafından üretilen bazı biyopolimer örnekleri nelerdir?

C: Canlı organizmalar tarafından üretilen biyopolimerlere örnek olarak kolajen, keratin, elastin gibi yapısal proteinler; enzimler, hormonlar, taşıma proteinleri gibi kimyasal olarak işlevsel proteinler; selüloz ve kitin gibi yapısal polisakkaritler; nişasta ve glikojen gibi depolama polisakkaritleri; ve DNA ve RNA gibi nükleik asitler verilebilir.

S: Plastikler için kullanılan bazı sentetik polimer örnekleri nelerdir?

C: Plastikler için kullanılan sentetik polimerlere örnek olarak polietilen, Teflon, polistiren, polipropilen, polyester, poliüretan, polimetil metakrilat, naylon rayon selüloit silikon gibi termoplastikler; vulkanize kauçuk Bakalit Kevlar epoksi gibi termoset plastikler verilebilir.

S: Polimer molekülleri nasıl oluşur?

C: Polimer molekülleri, daha büyük bir molekül oluşturmak için monomerlerin bir araya getirilmesini içeren polimerizasyon işlemi yoluyla oluşturulur.

S: Kimyagerler bir polimeri nasıl tanımlar?

A: Kimyagerler bir polimeri polimerizasyon derecesine (zincirdeki monomer birimlerinin sayısı), molar kütle dağılımına (her bir monomer birimi türünün toplam kütleye katkıda bulunduğu göreceli miktar), taktikselliğine (monomerlerin zincir boyunca ne kadar düzenli veya düzensiz düzenlendiğine) dayanarak tanımlar, kopolimer dağılımı (yüzde kaçının farklı türlerden/monomerlerden oluştuğu), dallanma derecesi (ana zincirden kaç dal olduğu), uç gruplar (her iki uçtaki tür/ler), çapraz bağlar (iki veya daha fazla zincir arasındaki bağlantılar) ve kristallik (ne kadar düzenli olduğu).

S: Kimyagerler bir polimere bakarken hangi termal özellikleri inceler?

C: Kimyagerler bir polimere bakarken, termal özellikleriyle ilgili olan camsı geçiş sıcaklığını ve erime sıcaklığını incelerler.

S: Bir polimer çözelti halindeyken hangi özel niteliklere sahiptir?

C: Bir polimer çözelti halindeyken çözünürlük, viskozite ve jelleşme ile ilgili özel karakteristiklere sahiptir.