Polymeerchemie
Polymeerchemie (ook wel macromoleculaire chemie genoemd) is de wetenschap van de chemische synthese en de chemische eigenschappen van polymeren of macromoleculen. Volgens de aanbevelingen van IUPAC verwijzen macromoleculen naar de afzonderlijke moleculaire ketens en vormen ze het domein van de chemie. Polymeren beschrijven de bulkeigenschappen van polymeermaterialen en behoren tot het domein van de polymeerfysica (een onderdeel van de fysica).
De verschillende soorten macromoleculen omvatten:
- Biopolymeren geproduceerd door levende organismen:
- structurele proteïnen: collageen, keratine, elastine en andere
- chemisch functionele eiwitten: enzymen, hormonen, transporteiwitten en andere
- structurele polysacchariden: cellulose, chitine en andere
- opslagpolysachariden: zetmeel, glycogeen en andere
- nucleïnezuren: DNA, RNA
- Synthetische polymeren die worden gebruikt voor kunststofvezels, verf, bouwmaterialen, meubels, mechanische onderdelen, lijmen:
- thermoplasten: polyethyleen, teflon, polystyreen, polypropyleen, polyester, polyurethaan, polymethylmethacrylaat, polyvinylchloride, nylon, rayon, celluloid, siliconen en andere materialen
- thermohardende kunststoffen: gevulkaniseerd rubber, bakeliet, kevlar, epoxy en andere.
Polymeren worden gevormd door polymerisatie van monomeren. Scheikundigen beschrijven een polymeer aan de hand van de polymerisatiegraad, de molaire massaverdeling, de tacticiteit, de copolymeerverdeling, de mate van vertakking, de eindgroepen, de crosslinks en de kristalliniteit. Scheikundigen bestuderen ook de thermische eigenschappen van een polymeer, zoals de glasovergangstemperatuur en de smelttemperatuur. Polymeren in oplossing hebben speciale eigenschappen voor oplosbaarheid, viscositeit en gelering.
Geschiedenis
Polymeerchemie begon met het bestuderen van de lange vezels in planten. Het werk van Henri Braconnot in 1777 en het werk van Christian Schönbein in 1846 leidde tot de ontdekking van nitrocellulose. Nitrocellulose behandeld met kamfer maakt celluloid. Chemici lossen celluloid op in ether of aceton om collodium te maken. Artsen gebruiken collodium als wondverband sinds de Amerikaanse Burgeroorlog. Celluloseacetaat werd voor het eerst bereid in 1865. In 1834 ontdekten Friedrich Ludersdorf en Nathaniel Hayward onafhankelijk van elkaar dat het toevoegen van zwavel aan ruw natuurlijk rubber (polyisopreen) hielp voorkomen dat het materiaal kleverig werd. In 1844 kreeg Charles Goodyear een Amerikaans patent voor het vulkaniseren van rubber met zwavel en warmte. Thomas Hancock had het jaar daarvoor in het Verenigd Koninkrijk een patent gekregen voor hetzelfde proces.
In 1884 startte Hilaire de Chardonnet de eerste kunstvezelfabriek op basis van geregenereerde cellulose, oftewel viscose rayon, als vervanger van zijde, maar deze was zeer ontvlambaar. In 1907 vond Leo Baekeland het eerste synthetische polymeer uit, een thermohardende fenol-formaldehydehars genaamd bakeliet. Rond dezelfde tijd meldde Hermann Leuchs de synthese van N-carboxyanhydriden en hun producten met een hoog moleculair gewicht bij reactie met nucleofielen. Maar Leuchs noemde ze geen polymeren, mogelijk vanwege de sterke opvattingen van Emil Fischer, zijn directe supervisor, die de mogelijkheid van een covalent molecuul van meer dan 6.000 dalton ontkende. Cellofaan werd in 1908 uitgevonden door Jocques Brandenberger die vellen viscose rayon in een zuurbad spuugde.
In 1922 stelde Hermann Staudinger (een Duitse chemicus) voor dat polymeren lange ketens van atomen waren die door covalente bindingen bij elkaar werden gehouden. Hij stelde ook voor om deze verbindingen "macromoleculen" te noemen. Voordien geloofden wetenschappers dat polymeren clusters van kleine moleculen waren (colloïden genoemd), zonder bepaalde molecuulgewichten, die bij elkaar gehouden werden door een onbekende kracht. Staudinger ontving de Nobelprijs voor de Scheikunde in 1953.
Wallace Carothers vond in 1931 het eerste synthetische rubber uit dat neopreen werd genoemd. Neopreen was het eerste polyester. In 1935 vond Carothers nylon uit, een echte zijdevervanger. Paul Flory kreeg de Nobelprijs voor de Scheikunde in 1974 voor zijn werk aan polymeer willekeurige spoelconfiguraties in oplossing in de jaren 1950. Stephanie Kwolek ontwikkelde een aramide, oftewel aromatisch nylon met de naam Kevlar, gepatenteerd in 1966.
Er zijn nu een groot aantal commerciële polymeren. Het gaat om composietmaterialen zoals koolstofvezelepoxy, polystyreen-polybutadieen (HIPS), acrylonitril-butadieen-styreen (ABS). Chemici ontwerpen commerciële polymeren om de beste eigenschappen van hun verschillende componenten te combineren. Speciale polymeren die in automotoren worden gebruikt, zijn bijvoorbeeld ontworpen om bij hoge temperaturen te werken.
Het heeft lang geduurd vooraleer de universiteiten onderwijs- en onderzoeksprogramma's in de polymeerchemie introduceerden. Een "Institut fur Makromolekulare Chemie" werd in 1940 opgericht in Freiburg, Duitsland onder leiding van Hermann Staudinger. In Amerika werd in 1941 een "Polymer Research Institute" (PRI) opgericht door Herman Mark aan het Polytechnic Institute of Brooklyn (nu Polytechnic Institute of NYU). Enkele honderden afgestudeerden van het PRI speelden een belangrijke rol in de Amerikaanse polymeerindustrie en de academische wereld. Andere PRI's werden in 1961 opgericht door Richard S. Stein aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst, in 1967 door Eric Baer aan de Case Western Reserve University en in 1988 aan de Universiteit van Akron.
Vragen en antwoorden
V: Wat is polymeerchemie?
A: Polymeerchemie (ook wel macromoleculaire chemie genoemd) is de wetenschap van de chemische synthese en de chemische eigenschappen van polymeren of macromoleculen.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van biopolymeren die door levende organismen worden geproduceerd?
A: Voorbeelden van biopolymeren die door levende organismen worden geproduceerd zijn structurele eiwitten zoals collageen, keratine en elastine; chemisch functionele eiwitten zoals enzymen, hormonen en transporteiwitten; structurele polysacchariden zoals cellulose en chitine; opslagpolysacchariden zoals zetmeel en glycogeen; en nucleïnezuren zoals DNA en RNA.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van synthetische polymeren die voor kunststoffen worden gebruikt?
A: Voorbeelden van synthetische polymeren die voor kunststoffen worden gebruikt zijn thermoplasten zoals polyethyleen, Teflon, polystyreen, polypropyleen, polyester, polyurethaan, polymethylmethacrylaat, nylon rayon celluloid siliconen; thermohardende kunststoffen zoals gevulkaniseerd rubber Bakeliet Kevlar epoxy.
V: Hoe worden polymeermoleculen gevormd?
A: Polymeermoleculen worden gevormd door polymerisatie, waarbij monomeren worden gecombineerd tot een grotere molecule.
V: Hoe beschrijven scheikundigen een polymeer?
A: Chemici beschrijven een polymeer op basis van de polymerisatiegraad (het aantal monomeereenheden in de keten), de molaire massaverdeling (de relatieve hoeveelheid die elk type monomeereenheid bijdraagt aan de totale massa), de tacticiteit (hoe regelmatig of onregelmatig de monomeren langs de keten zijn gerangschikt), copolymeerverdeling (welk percentage bestaat uit verschillende typen/monomeren), vertakkingsgraad (hoeveel vertakkingen er van de hoofdketen zijn), eindgroepen (het type/de types aan beide uiteinden), crosslinks (verbindingen tussen twee of meer ketens) en kristalliniteit (hoe geordend het is).
V: Welke thermische eigenschappen bestuderen chemici wanneer zij naar een polymeer kijken?
A: Wanneer chemici een polymeer bestuderen, bestuderen zij de glasovergangstemperatuur en de smelttemperatuur, die verband houden met de thermische eigenschappen.
V: Welke speciale eigenschappen heeft een polymeer in oplossing?
A: In oplossing heeft een polymeer speciale eigenschappen wat betreft oplosbaarheid, viscositeit en gelvorming.
