Přeskočit na obsah

Polymerace

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox - Chemický proces

Polymerace (nebo polymerizace) je chemická reakce nebo proces, při kterém se relativně malé molekuly, nazývané monomery, spojují za vzniku velmi velkých molekul, tzv. makromolekul neboli polymerů. Vzniklý polymerní řetězec je tvořen opakujícími se strukturními jednotkami odvozenými od původních monomerů. V závislosti na mechanismu reakce a struktuře vznikajícího produktu se polymerace dělí na několik základních typů. Polymerace je klíčovým procesem v chemickém průmyslu pro výrobu široké škály materiálů, od běžných plastů, jako je polyethylen a polypropylen, až po specializované materiály pro medicínu a elektroniku.

Existují dvě hlavní klasifikace polymeračních mechanismů: stupňovitá polymerace a řetězcová polymerace. V některých případech může docházet i k polymeraci s otevíráním kruhu. Proces může být iniciován teplem, tlakem, světlom nebo pomocí chemických látek zvaných iniciátory či katalyzátory.

📜 Historie

Ačkoliv lidstvo využívalo přírodní polymery jako dřevo, kaučuk nebo bavlna po tisíciletí, vědecké pochopení jejich struktury přišlo až mnohem později. První syntetický polymer, bakelit, byl vytvořen v roce 1907 Leem Baekelandem, ale jeho makromolekulární podstata nebyla plně pochopena.

Zásadní průlom přišel ve 20. letech 20. století díky práci německého chemika Hermanna Staudingera. Ten v roce 1920 postuloval, že materiály jako přírodní kaučuk jsou tvořeny obrovskými molekulami (makromolekulami) spojenými kovalentními vazbami. Jeho teorie se zpočátku setkala se silným odporem, ale postupně byla potvrzena experimentálními důkazy. Za svou průkopnickou práci v oblasti makromolekulární chemie obdržel v roce 1953 Nobelovu cenu za chemii.

Další významný pokrok přinesl Wallace Carothers ve firmě DuPont ve 30. letech, který systematicky zkoumal stupňovité polymerace a v roce 1935 vynalezl nylon, první komerčně úspěšné syntetické vlákno. V polovině 20. století pak Karl Ziegler a Giulio Natta vyvinuli speciální katalyzátory (dnes známé jako Zieglerovy–Nattovy katalyzátory), které umožnily kontrolovanou polymeraci alkenů, jako je ethen a propen, za vzniku lineárního polyethylenu a izotaktického polypropylenu. Za tento objev získali v roce 1963 společně Nobelovu cenu.

⚙️ Mechanismy polymerace

Polymerační reakce se dělí podle mechanismu, jakým monomery reagují a tvoří polymerní řetězec. Dva základní typy jsou řetězcová a stupňovitá polymerace.

⛓️ Řetězcová polymerace

Při řetězcové polymeraci se monomery přidávají jeden po druhém na aktivní centrum rostoucího polymerního řetězce. Reakce je velmi rychlá a jakmile je řetězec jednou iniciován, roste během několika sekund do vysoké molekulové hmotnosti. Směs tak typicky obsahuje hotové polymery a nezreagované monomery. Tento mechanismus má tři klíčové fáze:

  • Iniciace: Vytvoření aktivního centra. Obvykle se používá iniciátor, který se rozpadne na vysoce reaktivní částice (např. radikály). Tyto částice reagují s první molekulou monomeru a vytvářejí aktivní centrum na konci řetězce.
  • Propagace: Opakované přidávání dalších molekul monomeru na aktivní konec rostoucího řetězce. Tato fáze je velmi rychlá a vede k prodlužování polymeru.
  • Terminace: Zánik aktivního centra, který zastaví růst řetězce. To se může stát spojením dvou rostoucích řetězců, disproporcionací nebo reakcí s jinou látkou.

Podle povahy aktivního centra se řetězcová polymerace dále dělí na:

🪜 Stupňovitá polymerace

Při stupňovité polymeraci mohou reagovat jakékoliv dvě molekuly v reakční směsi (dva monomery, monomer a krátký řetězec, dva krátké řetězce atd.). Reakce probíhá postupně v celé směsi a molekulová hmotnost polymeru roste pomalu v průběhu času. Vysoké molekulové hmotnosti je dosaženo až při velmi vysoké konverzi (obvykle nad 99 %).

Tento typ polymerace se dále dělí na:

  • Polykondenzace: Při reakci dvou funkčních skupin dochází k odštěpení malé molekuly, nejčastěji vody, amoniaku nebo methanolu. Typickými příklady jsou výroba polyesterů (např. PET) a polyamidů (např. nylon).
  • Polyadice: Monomery se spojují bez odštěpení vedlejšího produktu. Reakce probíhá přesunem atomu (nejčastěji vodíku) z jedné molekuly na druhou. Příkladem je syntéza polyuretanů.

🔗 Kopolymerace

Kopolymerace je proces, při kterém jsou polymerovány dva nebo více různých typů monomerů. Výsledný produkt, kopolymer, má vlastnosti, které se liší od vlastností homopolymerů vytvořených z jednotlivých monomerů. Uspořádání monomerních jednotek v řetězci kopolymeru může být různé:

  • Statistický (náhodný) kopolymer: Monomery jsou v řetězci uspořádány náhodně.
  • Střídavý (alternující) kopolymer: Monomery se v řetězci pravidelně střídají.
  • Blokový kopolymer: Řetězec je tvořen delšími úseky (bloky) jednotlivých homopolymerů.
  • Roubovaný kopolymer: Na hlavní řetězec jednoho polymeru jsou navázány postranní řetězce druhého polymeru.

Kopolymerace je důležitým nástrojem pro modifikaci vlastností polymerů, například pro zvýšení houževnatosti, pružnosti nebo chemické odolnosti. Příkladem je akrylonitrilbutadienstyren (ABS), houževnatý plast používaný v automobilovém průmyslu a elektronice.

🧪 Techniky provedení polymerace

V průmyslovém měřítku se polymerace provádí několika různými technikami, které se volí podle typu polymerace, vlastností monomeru a požadovaných vlastností finálního produktu.

  • Bloková polymerace (v tavenině): Reakce probíhá pouze v monomerní fázi, bez použití rozpouštědla. Výhodou je vysoká čistota produktu, nevýhodou obtížný odvod reakčního tepla a vysoká viskozita směsi.
  • Roztoková polymerace: Monomer i iniciátor jsou rozpuštěny ve vhodném rozpouštědle. Rozpouštědlo pomáhá odvádět teplo a snižuje viskozitu, ale musí být následně z produktu odstraněno.
  • Suspenzní polymerace: Monomer, který je nerozpustný ve vodě, je dispergován ve vodní fázi ve formě malých kapiček pomocí stabilizátorů. Polymerace probíhá uvnitř těchto kapiček. Výsledkem jsou malé polymerní perličky. Touto metodou se vyrábí například polystyren nebo PVC.
  • Emulzní polymerace: Monomer je emulgován ve vodě pomocí tenzidů za vzniku micel. Polymerace probíhá uvnitř těchto micel. Metoda umožňuje dosáhnout vysoké molekulové hmotnosti při vysoké reakční rychlosti. Vzniká polymerní latex, který se dále zpracovává. Používá se pro výrobu syntetických kaučuků a disperzních lepidel.

🏭 Význam a využití

Polymerace je jedním z nejdůležitějších procesů moderního chemického průmyslu. Polymery vyrobené tímto procesem jsou všudypřítomné v každodenním životě.

💡 Pro laiky

Představte si polymeraci jako skládání dlouhého řetězu z jednotlivých kancelářských sponek. Každá sponka představuje jednu molekulu – monomer. Když tyto sponky začnete spojovat jednu po druhé, vytváříte dlouhý řetěz – polymer.

  • Řetězcová polymerace je jako když máte jednu "aktivní" sponku, na kterou bleskově připojujete další a další, dokud nevznikne celý dlouhý řetěz. Ostatní sponky zatím leží vedle a čekají, až na ně přijde řada. V krabici tak máte buď jednotlivé sponky, nebo už hotové dlouhé řetězy.
  • Stupňovitá polymerace je jiný proces. Představte si, že všechny sponky v krabici mohou reagovat navzájem. Nejdříve se spojí dvě sponky, pak další dvě, jinde se spojí tři. Potom se tyto krátké řetízky (dva spojené, tři spojené) začnou spojovat mezi sebou. Dlouhý řetěz vzniká až na samém konci, když se spojí všechny menší kousky dohromady.

Tímto jednoduchým principem spojování malých molekul vzniká obrovské množství materiálů, které používáme každý den – od plastové lahve přes oblečení až po pneumatiky na autě.


Šablona:Aktualizováno

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Polymerace&oldid=15815“