Полимер химиясы: полимерлердің құрылымы, синтезі, қасиеттері. Пластик, резина сияқты күнделікті қолданылатын материалдарды зерттейді. Химия ғылымының маңызды саласы.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Химияның тармақтық бөлімі
Chemistry subdiscipline
Полимерлік химия – химияның химиялық құрылымдарды, химиялық синтезді, полимерлер мен макромолекулалардың химиялық және физикалық қасиеттерін зерттейтін тармақтық бөлімі. Полимерлік химияда қолданылатын принциптер мен әдістер органикалық химия, талдау химиясы және физикалық химия сияқты химияның басқа да көптеген тармақтарында қолданылады. Көптеген материалдардың құрамында полимерлік құрылымдар кездеседі, олар толыққанды бейорганикалық металдар мен керамикадан бастап ДНК және басқа да биологиялық молекулаларды қамтиды. Дегенмен, полимерлік химия көбінесе синтетикалық және органикалық қосылыстармен байланысты. Синтетикалық полимерлер коммерциялық материалдарда және күнделікті қолданылатын өнімдерде, мысалы, пластиктер мен резеңкелерде кеңінен таралған, сондай-ақ композиттік материалдардың маңызды құрауыштары болып табылады. Полимерлік химия полимерлік ғылымның немесе тіпті нанотехнологияның ауқымды салаларына да кіре алады, олардың екеуі де полимерлік физика мен полимерлік инженерияны қамтиды.
Polymer chemistry is a sub discipline of chemistry that focuses on the structures of chemicals, chemical synthesis, and chemical and physical properties of polymers and macromolecules. The principles and methods used within polymer chemistry are also applicable through a wide range of other chemistry sub disciplines like organic chemistry, analytical chemistry, and physical chemistry. Many materials have polymeric structures, from fully inorganic metals and ceramics to DNA and other biological molecules. However, polymer chemistry is typically related to synthetic and organic compositions. Synthetic polymers are ubiquitous in commercial materials and products in everyday use, such as plastics, and rubbers, and are major components of composite materials. Polymer chemistry can also be included in the broader fields of polymer science or even nanotechnology, both of which can be described as encompassing polymer physics and polymer engineering.
Тарих
1777 жылы Анри Браконноның және 1846 жылы Кристиан Шёнбейннің жұмыстары нитроцеллюлозаны ашуға әкелді, оны камормен өңдегенде целлулоид алынды. Эфир немесе ацетонмен ерітілгенде ол коллодионға айналады, ол АҚШ Азамат соғысынан бері жараларды емдеу үшін қолданылып келеді. Целлюлоза ацетаты алғаш рет 1865 жылы дайындалды. 1834-1844 жылдары каучук (полиизопрен) қасиеттері күкіртпен қыздыру арқылы едәуір жақсартылғаны анықталды, осылайша вулканизация процесіне негіз салынды. 1884 жылы Хиляре де Шардонне жібекке балама ретінде қайта өңделген целлюлоза, яғни вискозадан жасалған алғашқы жасанды талшық зауытын іске қосты, бірақ ол өте тұтанғыш болды. 1907 жылы Лео Бэкленд организмдер өнімдеріне тәуелсіз жасалған алғашқы полимерді – бакелит деп аталатын термостойқы фенол-формальдегид шайырын ойлап тапты. Шамамен сол кезде Герман Лейхс нуклеофилдермен реакцияда аминокислоталардың N-карбоксиангидридтерін және олардың жоғары молекулалық салмақты өнімдерін синтездегенін хабарлады, бірақ оларды полимерлер деп атауға асықпады, мүмкін оның тікелей жетекшісі Эмиль Фишердің 6000 дальтоннан асатын кез келген ковалентті молекуланың болу мүмкін еместігі туралы қатал пікірлеріне байланысты. 1908 жылы Жак Бранденбергер вискозалық rayon қағаздарын қышқылмен өңдеп, целофанды ойлап тапты. Химик Герман Штаудингер алғаш рет полимерлердің ковалентті байланыстармен байланысқан атомдардың ұзын тізбектерінен тұратынын ұсынды және оларды макромолекулалар деп атады. Оның жұмысы полимерлер туралы химиялық түсінікті кеңейтті және полимер химиясы саласының дамуына әкелді, нәтижесінде неопрен, нейлон және полиэстер сияқты полимерлік материалдар ойлап табылды. Штаудингерге дейін полимерлер нақты молекулалық салмағы жоқ, белгісіз күшпен байланысқан кіші молекулалардың (колоидтар) жиынтығы деп есептелді. 1953 жылы Штаудингер химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Уоллес Каротерс 1931 жылы алғашқы синтетикалық каучук – неопренді, ал 1935 жылы жібекке толыққанды балама – нейлонды ойлап тапты. Пол Флори 1974 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығын 1950 жылдары ерітіндіштегі полимерлердің кездейсоқ орам конфигурациялары бойынша жұмысы үшін алды. Стефани Кволек 1966 жылы патенттелген кевлар деп аталатын арамид немесе хош иісті нейлонды жасады. Карл Зиглер мен Джулио Натта алкендерді полимерлеуге арналған катализаторларды ашқаны үшін Нобель сыйлығын алды. Алан Хизер, Алан МакДиармид және Хидеки Ширакава 2000 жылы полиацетилен және оған байланысты өткізгіш полимерлерді жасағаны үшін химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Полиацетилен өзі практикалық қолданыс таппады, бірақ органикалық жарықдиодтары (OLED) өткізгіш полимерлердің бір қолданысы ретінде пайда болды. Полимер химиясы бойынша оқыту және зерттеу бағдарламалары 1940 жылдары енгізілді. 1940 жылы Фрайбургта Штаудингердің басшылығымен макромолекулалық химия институты құрылды. Америкада Герман Марк 1941 жылы Бруклин политехникалық институтында (қазіргі Нью-Йорк университетінің политехникалық институты) Полимерлік зерттеу институтын (PRI) құрды.
The work of Henri Braconnot in 1777 and the work of Christian Schönbein in 1846 led to the discovery of nitrocellulose, which, when treated with camphor, produced celluloid. Dissolved in ether or acetone, it becomes collodion, which has been used as a wound dressing since the U. S. Civil War. Cellulose acetate was first prepared in 1865. In years 1834 1844 the properties of rubber (polyisoprene) were found to be greatly improved by heating with sulfur, thus founding the vulcanization process. In 1884 Hilaire de Chardonnet started the first artificial fiber plant based on regenerated cellulose, or viscose rayon, as a substitute for silk, but it was very flammable. In 1907 Leo Baekeland invented the first polymer made independent of the products of organisms, a thermosetting phenol formaldehyde resin called Bakelite. Around the same time, Hermann Leuchs reported the synthesis of amino acid N carboxyanhydrides and their high molecular weight products upon reaction with nucleophiles, but stopped short of referring to these as polymers, possibly due to the strong views espoused by Emil Fischer, his direct supervisor, denying the possibility of any covalent molecule exceeding 6,000 daltons. Cellophane was invented in 1908 by Jocques Brandenberger who treated sheets of viscose rayon with acid. The chemist Hermann Staudinger first proposed that polymers consisted of long chains of atoms held together by covalent bonds, which he called macromolecules. His work expanded the chemical understanding of polymers and was followed by an expansion of the field of polymer chemistry during which such polymeric materials as neoprene, nylon and polyester were invented. Before Staudinger, polymers were thought to be clusters of small molecules (colloids), without definite molecular weights, held together by an unknown force. Staudinger received the Nobel Prize in Chemistry in 1953. Wallace Carothers invented the first synthetic rubber called neoprene in 1931, the first polyester, and went on to invent nylon, a true silk replacement, in 1935. Paul Flory was awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1974 for his work on polymer random coil configurations in solution in the 1950s. Stephanie Kwolek developed an aramid, or aromatic nylon named Kevlar, patented in 1966. Karl Ziegler and Giulio Natta received a Nobel Prize for their discovery of catalysts for the polymerization of alkenes. Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid, and Hideki Shirakawa were awarded the 2000 Nobel Prize in Chemistry for the development of polyacetylene and related conductive polymers. Polyacetylene itself did not find practical applications, but organic light emitting diodes (OLEDs) emerged as one application of conducting polymers. Teaching and research programs in polymer chemistry were introduced in the 1940s. An Institute for Macromolecular Chemistry was founded in 1940 in Freiburg, Germany under the direction of Staudinger. In America, a Polymer Research Institute (PRI) was established in 1941 by Herman Mark at the Polytechnic Institute of Brooklyn (now Polytechnic Institute of NYU).
Полимерлер және олардың қасиеттері
Полимерлер – мономерлерді полимерлеу арқылы түзілетін жоғары молекулалық массалы қосылыстар. Олар полимерлендіру процесінде синтезделеді және мономерлер қосу арқылы модификациялануы мүмкін. Мономерлердің қосылуы полимерлердің механикалық қасиеттерін, өңделуге қолайлылығын, беріктігін және тағы да басқаларын өзгертеді. Полимердің қайталанатын құрылымдық бірліктерінен туындайтын қарапайым реакциялық молекула мономер деп аталады. Полимерді оның полимерлену дәрежесі, молярлық массаның таралуы, тактиктілігі, сополимерлік құрамы, тармақтану дәрежесі, соңғы топтары, байланыс өрістері, кристаллистігі және шыны тәріздес температурасы мен балқу температурасы сияқты термиялық қасиеттері арқылы сипаттауға болады. Ерітіндідегі полимерлер ерігіштік, тұтқырлық және гельдену қасиеттерімен ерекшеленеді. Полимер химиясының сандық аспектілерін көрсете отырып, сандық орташа және салмақтық орташа молекулалық салмақтарына ерекше назар аударылады. Полимерлердің түзілуі мен қасиеттері Шейтженс-Флиер теориясы, Флори-Хуггинс ерітінділер теориясы, Косси-Арлман механизмі, Полимерлік өріс теориясы, Хоффманның нуклеация теориясы, Флори-Стокмайер теориясы және тағы да басқа көптеген теориялармен түсіндірілген. Полимер термодинамикасын зерттеу полистирол (стирофома) және поликарбонат сияқты полимерлік материалдардың қасиеттерін жақсартуға көмектеседі. Көбінесе қатайту, соққыға төзімділікті арттыру, биологиялық ыдырауды жақсарту және материалдың ерігіштігін өзгерту сияқты жақсартулар қолданылады.
Polymers are high molecular mass compounds formed by polymerization of monomers. They are synthesized by the polymerization process and can be modified by the additive of monomers. The additives of monomers change polymers mechanical property, processability, durability and so on. The simple reactive molecule from which the repeating structural units of a polymer are derived is called a monomer. A polymer can be described in many ways: its degree of polymerisation, molar mass distribution, tacticity, copolymer distribution, the degree of branching, by its end groups, crosslinks, crystallinity and thermal properties such as its glass transition temperature and melting temperature. Polymers in solution have special characteristics with respect to solubility, viscosity, and gelation. Illustrative of the quantitative aspects of polymer chemistry, particular attention is paid to the number average and weight average molecular weights and , respectively. The formation and properties of polymers have been rationalized by many theories including Scheutjens–Fleer theory, Flory–Huggins solution theory, Cossee–Arlman mechanism, Polymer field theory, Hoffman Nucleation Theory, Flory–Stockmayer theory, and many others. The study of polymer thermodynamics helps improve the material properties of various polymer based materials such as polystyrene (styrofoam) and polycarbonate. Common improvements include toughening, improving impact resistance, improving biodegradability, and altering a material's solubility.
Сiлтектiлiгi
Полимерлер ұзаған сайын және молекулалық салмағы артқан сайын, олардың тұтқырлығы көбейе түседі. Сондықтан, полимерлердің өлшенген тұтқырлығы полимердің орташа ұзындығы, реакциялардың қалай жүріп жатқаны және полимердің тармақталу жолдары туралы маңызды мәліметтер бере алады.
As polymers get longer and their molecular weight increases, their viscosity tend to increase. Thus, the measured viscosity of polymers can provide valuable information about the average length of the polymer, the progress of reactions, and in what ways the polymer branches.