Syntetické polymery

Syntetické polymery jsou velmi početnou skupinou makromolekulárních látek, které se vyrábí umělou cestou a nelze je získat žádnou přírodní cestou. Inspirací pro výrobu syntetických polymerů byla snaha o napodobení dobrých vlastností přírodních polymerů. S rozvojem vědy vznikaly lepší a dokonalejší syntetické polymery, které nahradily polymery přírodní téměř ve všech oborech.

Jak lze tedy umělé polymery vyrobit? Odpověď je z chemického hlediska velmi jednoduchá: polyreakcemi. Konkrétně: polymerací, polyadicí a polykondenzací.

Tedy podle typu chemických reakcí, kterými daný polymer vzniká, dělíme polymery na:

• polymery připravené polymerací

• polymery připravené polyadicí

• polymery připravené polykondenzací.

Nyní se blíže zaměříme na jednotlivé reakce vzniku syntetických polymerů:

Ŕetězová Polymerace je chemická reakce, kdy z malých molekul (tzv. monomerů) vznikají vysokomolekulární látky (tzv. polymery).
Při polymeraci se molekuly nenasycených uhlovodíků (a jejich derivátů) spojují dohromady a vytvářejí velice dlouhé řetězce (vlákna), které mohou být složeny až z několika milionů atomů. Podmínkou je přítomnost alespoň jedné dvojné vazby v reagujících monomerech. Tyto polymery našly rozsáhlé využití jako plastické hmoty.

Polymerací lze připravit: polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polytetrafluorethylen (PTFE), butadienový kaučuk (BR), butadien-styrenový kaučuk (SBR)

Schéma:polymerace ethylenu (monomer – stavební jednotka) za vzniku polyethylenu (polymer)

n CH₂=CH₂  →  [-CH₂-CH₂-] n

  ethylen             polyethylen

Malé písmeno „n“ v rovnici představuje počet molekul, které se reakce účastní (u reaktantu), resp. kolik molekul je v produktu „zřetězeno“. Výše uvedená rovnice zobrazuje polymeraci ethylenu (monomer) za vzniku dlouhého polymerního řetězce polyethylenu (PE). Stejným způsobem se mohou polymerovat (tedy spojovat) další nenasycené uhlovodíky a jejich deriváty. Při polymeraci dochází ke snížení řádu vazby (v molekule polyethylenu jsou mezi atomy uhlíku samé jednoduché vazby) a dva elektrony, které tvořily dvojnou vazbu výchozího ethylenu, byly „využity“ právě ke spojení těchto molekul mezi sebou.

Polymery připravené polymerací a jejich využití:

Polyethylen (PE) – obalový materiál, mikrotenové sáčky, igelitové tašky, nádobí, hračky, hadice, umělé cévy (zdravotnictví).

 [-CH₂-CH₂-] n

Polypropylen (PP) – obalový materiál (pevnější než PE), potrubí, izolace elektrických kabelů, provazy a lana.

Obr. 1: Polypropylen

Polyvinylchlorid (PVC) – vodovodní potrubí, záchodová prkýnka, podlahové materiály, fólie, hračky, umělé kožešiny, umělé kůže.

polymerace PVC:

Obr. 2: Polyvinylchlorid

Polystyren (PS) – zvukový a tepelný izolant ve stavebnictví, výroba obalů, těsnění, nádobí na jedno použití.

styren                             polystyren

Obr. 3: Polymerace styrenu

Polymethylmethakrylát (PMMA) – plexisklo, výroba umělých skel.

Obr. 4: Polymethylmethakrylát

Polytetrafluorethylen PTFE (teflon) – kuchyňské nádobí, dříve jako kostní náhrady v chirurgii.

Obr. 5: Polytetrafluorethylen

BR (Buna) – výroba pneumatik (dobré mechanické vlastnosti – pevnost a pružnost).

SBR (Kralex, Buna S) – výroba pneumatik, nátěrových a spojovacích hmot (latexů).

Při stupňovitých polyreakcích spolu reagují dva různé dvojfunkční monomery, obsahující odlišnou reaktivní funkční skupinu. Polymerace probíhá stupňovitě – monomery se nejprve slučují v menší či větší celky, které se poté spojují v makromolekuly.

Polyadice je polyreakcí, kdy spolu např. reaguje monomer nesoucí např. isokyanátové skupiny s monomerem obsahujícím hydroxy skupinu –OH. Slabě kyselý vodík se během polyadice přesune na druhý monomer, což umožní vznik polymeru.

Polyadicí se připravují polyuretany (PUR) – lehké a pevné materiály, ze kterých se vyrábějí syntetická vlákna, molitan, náhražky kůží
a lepidel.

Obr. 6: Schéma: polyadice buta-1,4-diolu a hexamethylendsiokyanátu za vzniku polyuretanu (PUR)

Polykondenzace je polyreakcí dvou různých monomerů, z nichž každý obsahuje nejméně dvě reaktivní skupiny (např. – OH).Na rozdíl od adice zde ale vzniká vedlejší nízkomolekulární produkt (např. H2O při polyesterifikaci). Polykondenzací vznikají polyestery (PES), polyamidy (PA), fenolformaldehydové pryskyřice a epoxidové pryskyřice.

Polyestery - materiály vyrobené z polyesterů jsou pevné, pružné, nemačkavé, rychle schnoucí a odolné vůči molům a plísním. Nevýhodou je jejich hořlavost, schopnost se nabít statickou elektřinou a malá schopnost pohlcovat pot. Používají se k výrobě textilních materiálů (tesil), lan, fotografických filmů, plastových lahví PET, polyesterových sklolaminátů – automobilové karosérie, střešních krytin či k výrobě potrubí v chemických provozech.

Polyamidy (PA) - materiály vyrobené z polyamidů jsou pevné, tvrdé a málo se opotřebovávají. Používají se k výrobě ozubených kol, ložisek ale také k výrobě textilních vláken a fólií. Mezi významné polykondenzáty patří také nylon a silon.

Fenoplasty (fenolformaldehydové pryskyřice) - jsou nejdéle známé plasty. Již v roce 1907 byla připravena první nerozpustná
a netavitelná pryskyřice známá pod názvem bakelit. Používá se především v elektrotechnice.

Polyethery (epoxidové pryskyřice) - jde o velmi složité chemické makromolekuly, které se používají k výrobě laků či lepidel.

Nyní uvedeme další z možných dělení syntetických polymerů, a to podle fyzikálních vlastností. Toto dělení má i praktický význam, neboť určuje možné technické využití syntetických polymerů v praxi. Polymery lze rozdělit na elastomery a plastomery (plasty). Plastomery lze dále dělit na plasty, které lze tvarovat – termoplasty a na materiály, u nichž je tvarová změna nevratná – termosety.

Termoplasty zahříváním měknou a stávají se plastickými, přičemž změna z plastického do tuhého stavu je opakovatelně vratná (lze je tvarovat). Např. PE, PP.

Termosety (reaktoplasty) zahříváním tvrdnou, dochází k chemické změně a termosety ztrácí plastičnost. Změna je nevratná. Termosety jsou tvrdé, netavitelné a nerozpustné ve většině rozpouštědel, např. bakelit.

Elastomery jsou pružné polymery, které zahříváním měknou. Působením vnější síly se deformují a poté opět zaujímají původní tvar. Např. syntetický kaučuk.

Syntetické polymery v polygrafii

První skupinou syntetických makromolekul hojně využívaných v polygrafii jsou polyolefiny – konkrétně PE a PP, které díky svým výborným mechanických a chemickým vlastnostem našly využití jako fólie, smršťovací fólie či fólie na laminování. Další významnou skupinou jsou vinylové polymery a kopolymery, ze kterých lze vyrobit PVC (fólie), PVAC (výroba laků, světlocitlivých vrstev a lepidel) či PS (výroba lepidel a fólií). Dále se používají polyuretany k výrobě tiskových válců.

Obr. 7:  Tabulka: závěrečné shrnutí významu makromolekulárních látek v běžném životě a polygrafii: