Polymerní věda
Polymerní věda je obor chemie, který se zabývá studiem polymerů, což jsou makromolekuly složené z opakujících se jednotek. Polymery hrají klíčovou roli v mnoha aspektech našeho života, od plastů a gumy až po léky a elektroniku.
Vlastnosti
Vlastnosti polymerů jsou určeny jejich chemickým složením, molekulovou hmotností a strukturou. Mezi běžné vlastnosti polymerů patří:
Pevnost a tuhost: Polymery mohou být velmi pevné a tuhé, což z nich činí vhodné materiály pro konstrukční aplikace.
Flexibilita: Polymery mohou být také velmi flexibilní, což z nich činí vhodné materiály pro použití v obalech a hadicích.
Tepelná odolnost: Polymery mohou být tepelně odolné, což z nich činí vhodné materiály pro použití v nádobách a potrubí.
Chemická odolnost: Polymery mohou být odolné vůči chemikáliím, což z nich činí vhodné materiály pro použití v nádržích a potrubích.
Architektura
Architektura polymerů odkazuje na způsob, jakým jsou monomery uspořádány v makromolekule. Mezi běžné typy polymerní architektury patří:
Lineární: Monomery jsou spojeny v jediné nepřerušené řadě.
Rozvětvený: Monomery jsou spojeny v řetězcích, které se od sebe větví.
Síťovaný: Monomery jsou spojeny v síti, která vytváří trojrozměrnou strukturu.
Takticita
Takticita odkazuje na relativní stereochemii sousedních chirálních center v makromolekule. Existují tři typy takticity:
Izotaktický: Všechna chirální centra mají stejnou konfiguraci.
Syndiotaktický: Sousední chirální centra mají opačnou konfiguraci.
Atactický: Chirální centra nemají žádnou pravidelnou konfiguraci.
Morfologie
Morfologie polymeru odkazuje na fyzikální formu polymeru. Mezi běžné typy polymerní morfologie patří:
Krystalický: Polymer má pravidelnou, uspořádanou strukturu.
Amorfní: Polymer nemá žádnou pravidelnou, uspořádanou strukturu.
Polo-krystalický: Polymer má jak krystalické, tak amorfní oblasti.
Degradace
Degradace polymeru je proces, při kterém se polymer rozkládá na menší molekuly. Existuje mnoho typů degradace polymerů, včetně:
Tepelná degradace: Degradace způsobená teplem.
Fotodegradace: Degradace způsobená světlem.
Chemická degradace: Degradace způsobená chemikáliemi.
Biologická degradace: Degradace způsobená biologickými organismy.
Fázové chování
Fázové chování polymerů odkazuje na způsob, jakým se polymery mísí s jinými látkami. Existují dva hlavní typy fázového chování:
Smísitelné: Polymery se s jinými látkami míchají za vzniku homogenní směsi.
Nesmísitelné: Polymery se s jinými látkami nemísí a tvoří dvě odlišné fáze.
Teorie Marka-Houwinka
Teorie Marka-Houwinka je empirický vztah, který popisuje vztah mezi viskozitou polymerního roztoku a molekulovou hmotností polymeru. Teorie říká, že viskozita roztoku je úměrná molekulové hmotnosti polymeru na určitou mocninu.
UCST
UCST (Upper Critical Solution Temperature) je teplota, při které se smísitelné polymery stanou nesmísitelnými.
LCST
LCST (Lower Critical Solution Temperature) je teplota, při které se nesmísitelné polymery stanou smísitelnými.
Teorie roztoků Floryho-Hugginse
Teorie roztoků Floryho-Hugginse je statistický model, který popisuje fázové chování polymerních roztoků. Teorie bere v úvahu interakce mezi polymerními řetězci a rozpouštědlem.
Přechod cívka-kulička
Přechod cívka-kulička je fázový přechod, při kterém se polymerní řetězec změní z rozšířené cívky na kompaktní kuličku. Přechod je způsoben změnou interakcí mezi polymerním řetězcem a rozpouštědlem.
Syntéza
Existuje mnoho různých způsobů syntézy polymerů. Mezi běžné metody patří:
Řetězová polymerace: Monomery se spojují v dlouhé řetězce prostřednictvím řetězové reakce.
Stupňová polymerace: Monomery se spojují v postupných krocích za vzniku polymeru s přesně definovanou molekulovou hmotností.
Řetězová polymerace
Existuje mnoho různých typů řetězové polymerace, včetně:
Polymerace volnými radikály: Radikály jsou generovány z iniciátorů a reagují s monomery za vzniku polymerních řetězců.
Kontrolovaná radikálová polymerace: Radikály jsou generovány z iniciátorů a kontrolována pomocí speciálních činidel, která omezují růst řetězce.
ATRP (Atom Transfer Radical Polymerization): Radikály jsou generovány z katalyzátorů na bázi kovů a kontrolována pomocí přenosových činidel.
RAFT (Reversible Addition-Fragmentation chain Transfer): Radikály jsou generovány z iniciátorů a kontrolována pomocí činidel, která reverzibilně přenášejí řetězce.
Polymerace iniciovaná nitroxidy: Radikály jsou generovány z nitroxidových iniciátorů a kontrolována pomocí nitroxidových činidel.
Stupňová polymerace
Existuje mnoho různých typů stupňové polymerace, včetně:
Kondenzační polymerace: Monomery reagují za vzniku vody nebo jiných malých molekul a vytvářejí polymer.
Adiční polymerace: Monomery reagují za vzniku polymeru bez tvorby vedlejších produktů.
Klasifikace
Polymery lze klasifikovat podle různých kritérií, včetně:
Funkční typ: Polymery lze klasifikovat podle typu funkčních skupin, které obsahují.
Struktura: Polymery lze klasifikovat podle jejich struktury, například lineární, rozvětvené nebo síťované.
Funkční typ
Mezi běžné typy polymerů podle funkčního typu patří:
Polyolefiny: Polymery vyrobené z olefinů, jako je ethylen a propylen.
Polyuretany: Polymery vyrobené z izokyanátů a polyolů.
Polyestery: Polymery vyrobené z esterů.
Polykarbonáty: Polymery vyrobené z uhličitanů.
Vinylpolymery: Polymery vyrobené z vinylmonomerů, jako je vinylchlorid a vinyl-acetát.
Struktura
Mezi běžné typy polymerů podle struktury patří:
Homopolymery: Polymery vyrobené z jednoho typu monomeru.
Kopolymery: Polymery vyrobené z více než jednoho typu monomeru.
Gely: Polymery, které jsou schopny absorbovat velké množství vody.
Hydrogely: Gely, které jsou vyrobeny z polymerů, které jsou rozpustné ve vodě.
Samohojící hydrogely: Hydrogely, které jsou schopny samy opravit poškození.
Charakterizace
Polymery lze charakterizovat různými technikami, včetně:
GPC (Gel Permeation Chromatography): Technika, která se používá k měření molekulové hmotnosti a distribuce molekulové hmotnosti polymerů.
FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy): Technika, která se používá k identifikaci funkčních skupin v polymerech.
Rentgenová krystalografie: Technika, která se používá k určení krystalové struktury polymerů.
DSC (Differential Scanning Calorimetry): Technika, která se používá k měření tepelných přechodů v polymerech.
NMR (Nuclear Magnetic Resonance): Technika, která se používá k určení struktury a dynamiky polymerů.
TGA (Thermogravimetric Analysis): Technika, která se používá k měření tepelné stability polymerů.
DMA (Dynamic Mechanical Analysis): Technika, která se používá k měření mechanických vlastností polymerů.
Reologie: Studium toku a deformace polymerů.
Viskozimetrie: Měření viskozity polymerních roztoků.
Vědci
Mnoho vědců významně přispělo k rozvoji polymerní vědy, včetně:
Paul Flory: Americký chemik, který vyvinul statistické teorie 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 polymeraci.
John Edwards: Britský chemik, který vyvinul teorii fázového chování polymerů.
Pierre-Gilles de Gennes: Francouzský fyzik, který vyvinul teorii polymerních roztoků.
Karl Ziegler: Německý chemik, který vyvinul stereospecifickou polymeraci.
Hermann Staudinger: Švýcarský chemik, který prokázal, že polymery jsou velké molekuly.
Charles Goodyear: Americký vynálezce, který vynalezl vulkanizaci.
Leo Baekeland: Belgický chemik, který vynalezl bakelit.
Robert Hayward: Americký chemik, který vyvinul samohojící hydrogely.
Henri Braconnot: Francouzský chemik, který poprvé připravil celulózu.
Aplikace
Polymery mají širokou škálu aplikací, včetně:
Průmyslová výroba: Polymery se používají v mnoha průmyslových odvětvích, včetně automobilového, leteckého a stavebního průmyslu.
Extruze: Proces, při kterém se polymery vytlačují přes matrici za vzniku různých tvarů.
Vyfukování: Proces, při kterém se polymery vyfukují do forem za vzniku různých tvarů.
Aplikované nátěry: Polymery se používají v nátěrech a povlacích pro ochranu povrchů.
Ochranné nátěry: Polymery se používají v ochranných nátěrech pro ochranu povrchů před korozí a poškozením.
3D tisk: Polymery se používají v 3D tisku pro výrobu složitých tvarů.
Spotřební výrobky
Polymery se používají v mnoha spotřebních výrobcích, včetně:
Pneumatiky: Polymery se používají v pneumatikách pro zajištění trakce a odolnosti.
Bílé bočnice: Polymery se používají v bílých bočnicích pneumatik pro estetické účely.
Kuchyňské nádobí a nádobí: Polymery se používají v kuchyňském nádobí a nádobí pro odolnost a snadné čištění.
Bakelit: Polymer používaný v elektrických zařízeních a kuchyňském nádobí.
Nádoby na potraviny: Polymery se používají v nádobách na potraviny pro ochranu potravin.
Vinylové desky: Polymery se používají ve vinylových deskách pro uchování hudby.
Kevlar: Polymer používaný v neprůstřelných vestách a jiných ochranných oděvech.
Plastové lahve: Polymery se používají v plastových lahvích pro skladování nápojů a dalších kapalin.
Plastové sáčky: Polymery se používají v plastových sáčcích pro balení a skladování.