Věda o polymerech
Věda o polymerech je vědní obor, který se zabývá studiem polymerů, což jsou velké molekuly složené z opakujících se jednotek nazývaných monomery. Polymery se nacházejí v široké škále materiálů, včetně plastů, gumy, vláken a biologických tkání.
Vlastnosti
Polymery mají jedinečné vlastnosti, které je odlišují od jiných materiálů. Mezi tyto vlastnosti patří:
Vysoká molekulová hmotnost: Polymery jsou tvořeny dlouhými řetězci monomerů, což vede k vysoké molekulové hmotnosti.
Nízká hustota: Polymery jsou obecně lehké materiály, protože jejich řetězce obsahují mnoho atomů uhlíku a vodíku, které mají nízkou atomovou hmotnost.
Vysoká pevnost: Polymery mohou být velmi pevné, protože jejich dlouhé řetězce se mohou navzájem proplétat a vytvářet silné vazby.
Flexibilita: Polymery jsou často flexibilní, protože jejich řetězce se mohou ohýbat a deformovat.
Chemická odolnost: Polymery jsou odolné vůči mnoha chemikáliím, protože jejich řetězce jsou silně vázány.
Architektura
Architektura polymerů odkazuje na uspořádání monomerů v polymerním řetězci. Existují tři hlavní typy polymerní architektury:
Lineární polymery: Monomery jsou spojeny v dlouhých, nevětvených řetězcích.
Rozvětvené polymery: Monomery jsou spojeny v řetězcích, které mají postranní řetězce.
Síťované polymery: Monomery jsou spojeny v síti, která vytváří pevný materiál.
Takticita
Takticita polymerů odkazuje na uspořádání substituentů na chirálních centrech v polymerním řetězci. Existují tři hlavní typy takticity:
Izotaktický polymery: Všechny substituenty jsou na stejné straně polymerního řetězce.
Syndiotaktický polymery: Substituenty se střídají na opačných stranách polymerního řetězce.
Ataktický polymery: Substituenty jsou náhodně umístěny na polymerním řetězci.
Morfologie
Morfologie polymerů odkazuje na fyzickou strukturu polymerního materiálu. Existuje mnoho různých typů polymerních morfologií, včetně:
Amorfní polymery: Polymerní řetězce jsou neuspořádané a nekrystalické.
Semikrystalické polymery: Polymerní řetězce jsou částečně uspořádané a částečně krystalické.
Krystalické polymery: Polymerní řetězce jsou vysoce uspořádané a krystalické.
Degradace
Degradace polymerů je proces, při kterém se fyzikální vlastnosti polymeru, jako je pevnost, snižují v důsledku změn v jeho chemickém složení. Polymery jsou náchylné k degradaci ve všech fázích jejich životního cyklu, včetně zpracování, používání, likvidace do životního prostředí a recyklace. Rychlost této degradace se značně liší; biologická degradace může trvat desetiletí, zatímco některé průmyslové procesy mohou polymer zcela rozložit za několik hodin.
Fázové chování
Fázové chování polymerů odkazuje na způsob, jakým se polymery smísí s jinými materiály. Existují dva hlavní typy fázového chování:
Smíšený systém: Polymer a druhý materiál se smíchají a vytvoří homogenní směs.
Oddělený systém: Polymer a druhý materiál se nesmíchají a vytvoří dvě odlišné fáze.
Teorie Marka-Houwinka
Teorie Marka-Houwinka je empirický vztah mezi viskozitou polymerního roztoku a molekulovou hmotností polymeru. Tato teorie se používá k určení molekulové hmotnosti polymeru z měření viskozity.
UCST
UCST (Upper Critical Solution Temperature) je teplota, nad kterou se dva polymery stanou neslučitelnými a oddělí se do dvou fází.
LCST
LCST (Lower Critical Solution Temperature) je teplota, pod kterou se dva polymery stanou neslučitelnými a oddělí se do dvou fází.
Teorie roztoků Floryho-Hugginse
Teorie roztoků Floryho-Hugginse je statistická teorie, která popisuje smíchatelnost polymerů. Tato teorie se používá k předpovědi fázového chování polymerních směsí.
Přechod cívka-kulička
Přechod cívka-kulička je konformační změna, která nastává v polymerních řetězcích, když se teplota sníží. Při vysokých teplotách jsou polymerní řetězce roztažené a mají tvar cívky. Při nízkých teplotách se polymerní řetězce smrští a mají tvar kuličky.
Syntéza
Syntéza polymerů je proces vytváření polymerů z monomerů. Existují dva hlavní typy polymerní syntézy:
Řetězcová polymerizace: Monomery se spojují v dlouhých řetězcích, které vytvářejí polymer.
Stupňová polymerizace: Monomery se spojují v krátkých řetězcích, které se pak spojují a vytvářejí polymer.
Klasifikace
Polymery lze klasifikovat podle jejich funkčního typu nebo chemického složení.
Funkční typ
Polyolefiny: Polymery, které se skládají z jednotek ethylenu nebo propylenu.
Polyuretany: Polymery, které se skládají z jednotek uretanu.
Polyestery: Polymery, které se skládají z jednotek esteru.
Polykarbonáty: Polymery, které se skládají z jednotek karbonátu.
Vinylpolymery: Polymery, které se skládají z jednotek vinylu.
Chemické složení
Homopolymery: Polymery, které se skládají z jednotek jednoho typu monomeru.
Kopolymery: Polymery, které se skládají z jednotek dvou nebo více typů monomerů.
Gely
Gely jsou polymerní materiály, které mají síťovanou strukturu. Tato síťovaná struktura dodává gelům pevnost a pružnost.
Hydrogely
Hydrogely jsou gely, které se skládají z polymerů, které jsou rozpustné ve vodě. Tyto hydrogely jsou často používány v biomedicínských aplikacích.
Samohojící hydrogely
Samohojící hydrogely jsou hydrogely, které mají schopnost opravit se po poškození. Tyto hydrogely jsou často používány v biomedicínských aplikacích.
Charakterizace
Charakterizace polymerů je proces určování vlastností polymeru. Existuje mnoho různých metod charakterizace polymerů, včetně:
GPC (Gelová permeační chromatografie): Metoda používaná k určení molekulové hmotnosti a distribuce molekulové hmotnosti polymeru.
FTIR (Fourierova transformační infračervená spektroskopie): Metoda používaná k určení chemického složení polymeru.
RTG krystalografie: Metoda používaná k určení krystalické struktury polymeru.
DSC (Diferenční skenovací kalorimetrie): Metoda používaná k určení tepelných vlastností polymeru.
NMR (Jaderná magnetická rezonance): Metoda používaná k určení chemického složení a struktury polymeru.
TGA (Termogravimetrická analýza): Metoda používaná k určení tepelné stability polymeru.
DMA (Dynamická mechanická analýza): Metoda používaná k určení mechanických vlastností polymeru.
Reometrie: Metoda používaná k určení tokových vlastností polymeru.
Viskozimetrie: Metoda používaná k určení viskozity polymerního roztoku.
Vědci
V průběhu let se na vědě o polymerech podílelo mnoho významných vědců, včetně:
Paul Flory: Americký chemik, který vyvinul statistickou teorii polymerů.
Alan Heeger: Americký chemik, který vyvinul vodivé polymery.
Alan MacDiarmid: Novozélandský chemik, který vyvinul vodivé polymery.
Hideki Shirakawa: Japonský chemik, který vyvinul vodivé polymery.
Giulio Natta: Italský chemik, který vyvinul stereospecifickou polymerizaci.
Harold Edwards: Britský chemik, který vyvinul teorii fázového chování polymerů.
Pierre-Gilles de Gennes: Francouzský fyzik, který vyvinul teorii fázového chování polymerů.
Karl Ziegler: Německý chemik, který vyvinul Zieglerovu-Nattovu katalýzu.
Hermann Staudinger: Německý chemik, který stanovil, že polymery jsou dlouhé řetězce molekul.
Charles Goodyear: Americký chemik, který vynalezl vulkanizaci.
Leo Baekeland: Belgický chemik, který vynalezl bakelit.
Gordon Hayward: Americký chemik, který vyvinul polyetylen.
Henri Braconnot: Francouzský chemik, který poprvé izoloval celulózu.
Aplikace
Polymery mají širokou škálu aplikací, včetně:
Průmyslová výroba
Extruze: Proces výroby plastových fólií a trubek.
Vyfukování: Proces výroby plastových lahví a nádob.
Aplikované nátěry
Ochranné nátěry: Nátěry používané k ochraně povrchů před korozí a jiným poškozením.
Průmyslové nátěry: Nátěry používané k ochraně průmyslových zařízení.
3D tisk
FDM (Modelování depozicí taveniny): Proces 3D tisku, který používá roztavený plast k vytváření objektů.
SLA (Stereolitografie): Proces 3D tisku, který používá UV světlo k vytvrzování kapalného plastu a vytváření objektů.
Spotřebitelské produkty
Pneumatiky: Pneumatiky pro automobily a jiná vozidla.
Bílé stěny: Bílé pruhy na pneumatikách.
Kuchyňské a pekárenské nádobí: Nádobí, hrnce a pánve vyrobené z plastu.
Bakelit: Materiál používaný k výrobě plastových předmětů, jako jsou knoflíky a rukojeti.
Nádoby na potraviny: Nádoby na potraviny vyrobené z plastu.
Vinylové desky: Záznamy vyrobené z vinylu.
Kevlar: Vlákno používané k výrobě neprůstřelných vest.
Plastové lahve: Lahve na vodu a jiné nápoje vyrobené z plastu.
Plastové tašky: Tašky používané k přepravě zboží vyrobené z plastu.