Polümeerid

Polümeerid on kõrgmolekulaarsed ühendid, mille makromolekulid koosnevad kovalentsete sidemetega seotud korduvatest struktuuriühikutest – monomeersetest lülidest. Igal polümeeri makromolekulil on kindel keemiline struktuur, mille määravad monomeersete lülide ja neis paiknevate aatomite järjestus ja omavahelised valentssidemed. Polümeeri makromolekuli korduvate elementaarlülide arv varieerub enamasti vahemikus mõnest tuhandest kuni miljonini.

Polüpropeeni molekuliahel, mille monomeeriks on propeen (CH₂=CH-CH₃)

Sõna "polümeer" on tuletatud kreeka keelest (πολυ (poly) 'palju' + μέρος (meros) 'osa').

Polümeeride seas on nii looduslikke (näiteks merevaik, tselluloos, tärklis) kui ka sünteetilisi (peamiselt plastid) materjale. Polümeeride hulka kuuluvad ka polükondensaadid (näiteks DNA, proteiinid), kuid nende elementaarlülid ei ole ühesugused.

Suur osa igapäevaselt kasutatavaid polümeere on orgaanilised, kuid on ka anorgaanilisi polümeere, näiteks silikoonid pole mitte süsiniku-, vaid ränipõhised polümeerid.

Polümeeride hulka kuuluvad kõik plastid, näiteks polüeteen, polüpropeen, polüvinüülkloriid jt.

Polümeeride tähtsus

Polümeere leidub kõikjal meie ümber. Ehitised, mööbel, enamik tarbeesemetest ja kogu elusloodus koosneb suuremal või väiksemal määral looduslikest või sünteetilistest polümeeridest. Ka inimese eksisteerimine on võimalik tänu polümeeridele, kuna valgud, DNA, RNA ja tärklis on polümeerid, nendeta elu poleks võimalik. Teadmiste edenedes muutuvad ka sünteetilised polümeerid n-ö intelligentsemaks, seega luuakse materjale, mis on mõeldud kitsamaks otstarbeks. Näiteks võivad materjalid sõltuvalt temperatuurist või rõhust muuta läbipaistvust, värvust, elektrijuhtivust või teisi omadusi.

Polümeeride struktuur

Ahelpolümeerid

Kõige lihtsam variant koosneb paljudest pikkadest lineaarsete ahelatega makromolekulidest. Peaahelaks on pikim ahelalõik. Kui see koosneb ainult süsinikest, siis on tegemist süsinikahelaga, aga kui ahelas on ka muude elementide aatomeid (hapnik, väävel, lämmastik), siis on tegemist heteroahelaga. Peaahela külge võib olla seotud külgrühmi, mis pärinevad monomeeridest.

Võrestikpolümeerid

Võrestikpolümeerid on ruumilise võrkstruktuuriga polümeerid, kus kõik ahelalõigud on seotud vähemalt kahe teise ahelalõiguga, nii et polümeeris ei esine ühtegi vaba ahelat. Enamasti on võrestikpolümeerid saadud ahelpolümeeridest, mis on omavahel ühendatud põiksidemetega.

Liigitus monomeerlülide järjestuse põhjal

Monomeerlülide järjestus

On olemas homopolümeerid, mis koosnevad makromolekulidest, kus on ainult üht tüüpi monomeerlülisid, ja kopolümeerid, mis koosnevad makromolekulidest, mille koostises on erinevad monomeerlülid. Kopolümeere on väga palju liike:

• Vahelduv kopolümeer – monomeerid vahelduvad ahelas korrapäraselt.
• Juhuslik kopolümeer – monomeerlülide järjestus ahelas on juhuslik.
• Plokk-kopolümeer – ahelad on moodustunud üksteisega järjestikku seotud pikematest ahelalõikudest ehk plokkidest, mis erinevad naaberplokkidest.
• Pook-kopolümeer – makromolekulide peaahelatega on seotud üht või mitut tüüpi külgahelad.

Looduslikud polümeerid

Looduslikke polümeere on kasutatud juba inimkonna algusaegadest alates, kuna paljud meid ümbritsevad polümeersed ained on looduslikku päritolu. Looduslikud polümeerid ehk biopolümeerid koosnevad kas ühte liiki monomeerlülidest, näiteks glükoosijääkidest, või erinevatest monomeeridest (aminohapped, nukleotiidid), mis näitab nende struktuuride tohutut mitmekesisust. Tähtsaimad looduslikud polümeeerid on nukleiinhapped, valgud, polüsahhariidid ja polüpreenid. Elusmaailma jaoks on nendest asendamatuteks valgud ja nukleiinhapped. Paljud biopolümeerid tekivad eluorganismides, olles nende rakkude ehitusmaterjaliks ja tagades nende toimimise.

Looduslikke polümeere on palju liike:

• Polüsahhariidid
  • Tselluloos on taimede peamine ehitusmaterjal.
  • Kitiin on putukate ja koorikloomade kestade põhikoostisosa.
  • Tärklis on energia ja toiduainete talletaja.
• Valgud osalevad rakkude ainevahetuses ja elutegevuses.
• Nukleiinhapped, näiteks DNA ja RNA
• Polüpreenid
  • Naturaalne kautšuk on saadav kummipuu piimmahlast. See on tooraineks elastomeeride tootmisel, mida kasutatakse veorihmade, veealuste kaablite isolatsiooni ja golfipallide valmistamiseks.

Modifitseeritud looduslikud polümeerid ehk tehispolümeerid

Tehispolümeerid saadakse looduslikest polümeeridest keemilise töötlemise teel. Tehispolümeerid olid uudsed enne sünteetiliste polümeeride kasutuselevõttu. Looduslike polümeeride modifitseerimise eesmärk on nende lahustuvuse parandamine, töötlemise lihtsustamine ja materjali tugevamaks või sitkemaks muutmine. Tänu sellele on võimalik saada väga erinevate omadustega materjale. Tehispolümeerid on jäänud sünteetiliste polümeeride varju, kuid nende osakaal võib hakata suurenema, sest nad lagunevad looduses suhteliselt kiirelt.

Tehispolümeerid on näiteks tsellofaan, pargitud nahk, tärklise derivaat kitosaan ja vulkaniseeritud naturaalne kautšuk.

Sünteetilised polümeerid

20. sajandi keskpaigas lisandusid looduslikele polümeeridele sünteetilised polümeerid, mida loodusest ei leia. Nende osa igapäevaelus on plahvatuslikult suurenenud ning muutunud valdavaks tarbeesemete, pakendite ja pinnakatete valmistamisel. Sünteetilised orgaanilised polümeerid võivad asendada mõningaid materjale, mille töötlemiseks kulub palju aega ja energiat, näiteks klaasi, puitu ja metalli. Sünteetiliste polümeeride tootmine on üha enam kasvanud ja kogu keemiatööstuse toodangust moodustavad nad umbes 17%. Kuna sünteetiliste polümeeride püsivus keskkonnas on väga suur ja nende tootmine kogu aeg kasvab, siis kaasnevad nendega jäätmeprobleemid. Polümeeride keemia tegelebki muuhulgas sünteetiliste polümeeride tootmise ja kasutamise loodussõbralikumate meetodite väljatöötamisega.

Plastid

Plastid ehk plastmassid moodustavad kogu sünteetiliste polümeeride toodangust umbes kaks kolmandikku. Plastid võib jagada kolme suurde rühma.

• Tarbeplastid – odavad, kergesti töödeldavad termoplastid.
• Tehnoplastid – tugevamad ja vastupidavamad kui tarbeplastid. Nende hulka kuuluvad polüamiidid, polükarbonaadid ja polüestrid.
• Eriti kvaliteetsed plastid – väga heade omadustega, kuid raskesti töödeldavad kuumakindlad polümeermaterjalid, näiteks teflon, polüamiidid ja aramiidid.

Kautšukid ja kummid

• Sünteetiline polüisopreen ehk isopreenkumm sarnaneb väga loodusliku kummiga ja seda kasutatakse vulkaniseeritult üldotstarbelise kummina.
• Polükloropreen on esimene laialdaselt turustatud sünteetiline kumm. See on kulumiskindel, kuumakindel, gaasipidav ning väga õli- ja lahustikindel. Seda kasutatakse tihendite, pinnakatete, veorihmade, voolikute, kingataldade jm valmistamiseks.

Liimid

• Polüvinüülatsetaat on kasutusel enamasti emulsioonina paberi- ja puiduliimides.
• Metüültsüanoakrülaat on põhiliseks superliimide koostisosaks (nt Super Attack).

Vaigud

• Alküüdvaigud on tugevate pinnakatete valmistamiseks.
• Karbamiidformaldehüüdvaik on kõva, tugev ja valguskindel mittepõlev materjal, mida kasutatakse puiduliimina laminaatide ja puitlaastplaatide tootmisel.

Polümeeride utiliseerimine ja taaskasutamine

Polümeeride utiliseerimine ja taaskasutamine on üha olulisemaks muutuv probleem, eriti arenenud riikides, kus aastas tarbitakse umbes 120 kg sünteetilisi polümeere inimese kohta. Looduslike polümeeride utiliseerimise ja taaskasutamisega pole suuri probleeme, sest need lagunevad suhteliselt kiiresti ega tekita toksilisi laguprodukte. Puitu ja paberit saab põletada ja kasutada küttena, samuti saab vanapaberit ja puuvillase riide jääke viia taaskasutusse. Keerulisem on olukord sünteetiliste polümeeridega, mida on lihtne ja suhteliselt odav naftast toota, kuid mille lagunemine looduses võib kesta mitusada aastat.

Põhilised kolm võimalust polümeermaterjalide taaskasutamiseks:

• ümbertöötamine – sulatamine, mehaaniline purustamine ja ümbervormimine kas puhtal kujul või segatuna uue polümeeriga
• lagundamine monomeerideks, mida saab kasutada kütusena või toorainena keemiatööstuses
• põletamine energia tootmiseks.

Kõige parem oleks, kui materjale saaks ümber töötada ja taaskasutada, kuid polümeeride puhul tekib siin olulisi takistusi, mis on seotud nende vananemisega. Polümeersete materjalide korduval töötlemisel muutuvad nende omadused järjest halvemaks. See tähendab, et ümbertöötamisel ei ole võimalik saada kvaliteetset toodangut. Sageli on kõige mõistlikumaks polümeerjääkide kasutamise viisiks nende põletamine kütusena, vähendades fossiilkütuste kulu, kuid tuleb kindlaks teha, kas nende põlemisel tekib mürgiseid ühendeid, ja vajaduse korral kasutada puhastusseadmeid, mis ohtlikud ühendid kahjutuks teevad.

Vaata ka

• Polümerisatsioon
• Polükondensatsioon
• Biopolümeerid
• Süsinikkiuga tugevdatud polümeerid
• Polümeeride pundumine
• Anorgaanilised polümeerid
• Polümeerid nanoelektroonikas