Polymerisering - Polymerization
Polymerisering: Prosessen med å omdanne en monomer eller en blanding av monomerer til en polymer .
I polymerkjemi er polymerisering ( amerikansk engelsk ) eller polymerisering ( britisk engelsk ) en prosess for å reagere monomermolekyler sammen i en kjemisk reaksjon for å danne polymerkjeder eller tredimensjonale nettverk. Det er mange former for polymerisering og det finnes forskjellige systemer for å kategorisere dem.
Oversikt
|
Homopolymerer
Kopolymerer
|
I kjemiske forbindelser kan polymerisering skje via en rekke reaksjonsmekanismer som varierer i kompleksitet på grunn av de funksjonelle gruppene i reaktantene og deres iboende steriske effekter . I mer enkle polymerisasjoner danner alkener polymerer gjennom relativt enkle radikale reaksjoner ; derimot krever reaksjoner som involverer substitusjon ved en karbonylgruppe mer kompleks syntese på grunn av måten reaktanter polymeriserer på. Alkaner kan også polymeriseres, men bare ved hjelp av sterke syrer.
Siden alkener kan polymerisere i noe enkle radikale reaksjoner, danner de nyttige forbindelser som polyetylen og polyvinylklorid (PVC), som produseres i store tonn hvert år på grunn av deres nytte i produksjonsprosesser av kommersielle produkter, for eksempel rør, isolasjon og emballasje . Generelt blir polymerer som PVC referert til som " homopolymerer ", ettersom de består av gjentatte lange kjeder eller strukturer av den samme monomerenheten, mens polymerer som består av mer enn én monomerenhet blir referert til som kopolymerer (eller sampolymerer) ).
Andre monomerenheter, for eksempel formaldehydhydrater eller enkle aldehyder, er i stand til å polymerisere seg selv ved ganske lave temperaturer (ca. -80 ° C) for å danne trimerer ; molekyler som består av 3 monomerenheter, som kan sykliseres for å danne ringsykliske strukturer, eller gjennomgå ytterligere reaksjoner for å danne tetramerer , eller 4 monomerenhetsforbindelser. Slike små polymerer omtales som oligomerer . Fordi formaldehyd er en eksepsjonelt reaktiv elektrofil, tillater det generelt nukleofil tilsetning av hemiacetal- mellomprodukter, som generelt er kortvarige og relativt ustabile "mellomtrinn" -forbindelser som reagerer med andre tilstedeværende molekyler for å danne mer stabile polymere forbindelser.
Polymerisering som ikke er tilstrekkelig moderert og fortsetter raskt kan være svært farlig. Dette fenomenet er kjent som farlig polymerisering og kan forårsake brann og eksplosjoner.
Trinnvekst kontra kjedevekstpolymerisering
Trinnvekst og kjedevekst er hovedklassene for polymerisasjonsreaksjonsmekanismer. Førstnevnte er ofte lettere å implementere, men krever presis kontroll av støkiometri. Sistnevnte gir påliteligere polymerer med høy molekylvekt, men gjelder bare for visse monomerer.
Trinnvekst
Ved trinnvekst (eller trinn) polymerisering kombineres par av reaktanter, av hvilken som helst lengde, ved hvert trinn for å danne et lengre polymermolekyl. Den gjennomsnittlige molare massen øker sakte. Lange kjeder dannes først sent i reaksjonen.
Trinnvekstpolymerer dannes ved uavhengige reaksjonstrinn mellom funksjonelle grupper av monomerenheter, vanligvis inneholdende heteroatomer som nitrogen eller oksygen. De fleste trinnvekstpolymerer er også klassifisert som kondensasjonspolymerer , siden et lite molekyl som vann går tapt når polymerkjeden forlenges. For eksempel vokser polyesterkjeder ved reaksjon av alkohol- og karboksylsyregrupper for å danne esterkoblinger med tap av vann. Det er imidlertid unntak; for eksempel er polyuretaner trinn-vekstpolymerer dannet av isocyanat og alkohol bifunksjonelle monomerer) uten tap av vann eller andre flyktige molekyler, og er klassifisert som addisjonspolymerer i stedet for kondensasjonspolymerer.
Trinnvekstpolymerer øker i molekylvekt med en veldig langsom hastighet ved lavere omdannelser og når moderat høye molekylvekter bare ved meget høy omdannelse (dvs.> 95%). Faststoffpolymerisering for å gi polyamider (f.eks. Nyloner) er et eksempel på trinn-vekstpolymerisering.
Kjedevekst
Ved kjedevekst (eller kjede) polymerisering er det eneste kjedeforlengende reaksjonstrinn tilsetningen av en monomer til en voksende kjede med et aktivt senter som et fritt radikal , kation eller anion . Når veksten av en kjede er startet ved dannelse av et aktivt senter, er kjedeforplantning vanligvis rask ved tilsetning av en sekvens av monomerer. Lange kjeder dannes fra begynnelsen av reaksjonen.
Kjedevækstpolymerisering (eller addisjonspolymerisering) innebærer sammenkobling av umettede monomerer, spesielt inneholdende karbon-karbon dobbeltbindinger . Pi-bindingen går tapt ved dannelse av en ny sigma-binding. Kjedevækstpolymerisering er involvert i fremstilling av polymerer som polyetylen , polypropylen , polyvinylklorid (PVC), akrylat . I disse tilfeller er den alkener RCH = CH 2 omdannes til høymolekylære alkaner (-RCHCH 2 -) n (R = H, CH 3 , Cl, CO 2 CH 3 ).
Andre former for kjedevekstpolymerisering inkluderer kationisk addisjonspolymerisering og anionisk addisjonspolymerisering . Et spesielt tilfelle av kjedevekstpolymerisering fører til levende polymerisering . Ziegler - Natta polymerisering tillater betydelig kontroll av polymer forgrening .
Ulike metoder brukes for å manipulere initierings-, forplantnings- og avslutningshastigheter under kjedepolymerisering. Et relatert problem er temperaturkontroll, også kalt varmestyring , under disse reaksjonene, som ofte er svært eksoterme. For eksempel, for polymerisasjon av etylen, frigjøres 93,6 kJ energi pr. Mol monomer.
Måten polymerisasjon utføres på er en høyt utviklet teknologi. Metoder inkluderer emulsjonspolymerisasjon , løsningspolymerisasjon , suspensjonspolymerisering og utfellingspolymerisasjon . Selv om polymeren dispersitet og molekylvekten kan forbedres, kan disse metodene innføre ytterligere behandlingskrav for å isolere produktet fra et løsningsmiddel.
Fotopolymerisering
De fleste fotopolymeriseringsreaksjoner er kjedevekstpolymerisasjoner som initieres ved absorpsjon av synlig eller ultrafiolett lys. Lyset kan absorberes enten direkte av reaktantmonomeren ( direkte fotopolymerisering), eller også av en fotosensibilisator som absorberer lyset og deretter overfører energi til monomeren. Generelt er det bare initieringstrinnet som skiller seg fra den vanlige termiske polymerisasjonen av den samme monomeren; etterfølgende forplantning, avslutning og kjedeoverføringstrinn er uendret. Ved fotopolymerisering i trinnvekst utløser absorpsjon av lys en addisjons- (eller kondensasjons) reaksjon mellom to komonomerer som ikke reagerer uten lys. En forplantningssyklus blir ikke startet fordi hvert veksttrinn krever hjelp fra lys.
Fotopolymerisering kan brukes som fotografisk eller utskriftsprosess, fordi polymerisering bare skjer i områder som har blitt utsatt for lys. Uomsatt monomer kan fjernes fra ueksponerte områder, og etterlate et relieffpolymerbilde. Flere former for 3D-utskrift- inkludert lag-for-lag stereolitografi og to-foton absorpsjon 3D fotopolymerisering-bruker fotopolymerisering.
Multiphoton -polymerisering ved bruk av enkeltpulser har også blitt demonstrert for fremstilling av komplekse strukturer ved bruk av en digital mikromirror -enhet .
Polymerforhold
I en gitt formulering eller oppskrift av en polymerforbindelse kalles den totale mengden/deler per hundre polymer tilsatt for å fremstille en bestemt forbindelse, polymerforhold . Det refererer i utgangspunktet til den samlede mengden av polymerinnhold i formuleringen som kan gjennomgå enhver fysisk eller kjemisk endring i løpet av etterpolymerisering eller fysisk varmebehandling .