Polimer to substancja chemiczna zbudowana z bardzo długich łańcuchów powtarzających się jednostek, czyli merów. Nie jest jednak synonimem plastiku. Polimerami są także naturalne składniki organizmów, między innymi białka, celuloza i DNA. Tworzywa sztuczne to tylko grupa polimerów syntetycznych, projektowanych do konkretnych zastosowań.
Czym dokładnie jest polimer?
Nazwa „polimer” pochodzi od greckich słów poly, czyli „wiele”, oraz meros, oznaczającego „część”. Dobrze opisuje to budowę tych substancji. Pojedynczy, niewielki fragment nazywa się merem, a związek wyjściowy, z którego powstaje łańcuch, to monomer.
Monomery łączą się w makrocząsteczki, czyli cząsteczki o bardzo dużej masie i długości. Ich łańcuchy mogą być liniowe, rozgałęzione albo tworzyć przestrzenną sieć. Właśnie ta budowa wpływa na to, czy materiał będzie elastyczny, twardy, przezroczysty, odporny na chemikalia lub łatwy do formowania.
Jak zbudowane są polimery?
Łańcuch polimerowy można wyobrazić sobie jak nitkę złożoną z wielu podobnych elementów. W polimerze amorficznym takie nitki nie mają uporządkowanego układu i przypominają spaghetti na talerzu. W innych materiałach fragmenty łańcuchów mogą układać się bardziej regularnie, tworząc obszary krystaliczne. Stopień uporządkowania wpływa między innymi na sztywność, wytrzymałość, odporność chemiczną i przezroczystość.
Długość łańcucha także ma znaczenie. W wielu syntetycznych polimerach jedna makrocząsteczka może zawierać tysiące, a nawet znacznie więcej powtarzających się jednostek. Nie wszystkie łańcuchy mają jednak taki sam skład. W szkielecie mogą występować atomy węgla, wodoru, tlenu, azotu, chloru lub krzemu.
Ze względu na pochodzenie polimery dzieli się przede wszystkim na dwie grupy:
- Polimery naturalne – występują w organizmach lub środowisku, na przykład celuloza, skrobia, białka, kauczuk naturalny oraz DNA.
- Polimery syntetyczne – powstają w wyniku reakcji chemicznych prowadzonych przez człowieka, na przykład polietylen, polipropylen, PVC, nylon i PET.
Istnieją także polimery naturalne poddane modyfikacji chemicznej, takie jak octan celulozy. Dlatego określenie „polimer” obejmuje znacznie szerszą grupę materiałów niż potoczne słowo „plastik”.
Jak powstają polimery?
W przypadku polimerów syntetycznych proces tworzenia długich łańcuchów nazywa się polimeryzacją. W uproszczeniu przebiega on następująco:
- Przygotowuje się monomery, czyli małe cząsteczki zdolne do łączenia się.
- Inicjator, katalizator, ciepło lub ciśnienie uruchamia reakcję chemiczną.
- Monomery łączą się wiązaniami chemicznymi w coraz dłuższy łańcuch.
- Powstaje polimer o określonej budowie i właściwościach.
W polimeryzacji łańcuchowej monomery łączą się bez wydzielania małych produktów ubocznych. Tak otrzymuje się między innymi polietylen, polipropylen i polichlorek winylu. Polikondensacja przebiega stopniowo, a podczas reakcji może powstawać dodatkowa substancja, na przykład woda, amoniak lub chlorowodór. Tą drogą otrzymuje się między innymi niektóre poliestry, poliamidy i żywice.
Właściwości i zastosowania polimerów
Polimery są tak powszechne, ponieważ można kształtować ich strukturę oraz łączyć je z dodatkami, barwnikami, wypełniaczami i środkami wzmacniającymi. W zależności od składu mogą być lekkie, elastyczne lub bardzo sztywne. Często zapewniają także:
- odporność na działanie wielu substancji chemicznych,
- izolację elektryczną i termiczną,
- dużą wytrzymałość przy niewielkiej masie,
- łatwe formowanie w folie, włókna, rury, pianki i skomplikowane części.
Ważny jest także podział na termoplasty i duroplasty. Termoplasty można wielokrotnie podgrzewać, zmiękczać i formować, dlatego łatwo poddają się przetwórstwu. Duroplasty po utwardzeniu tworzą przestrzenną sieć i nie topią się przy ponownym ogrzewaniu. Zbyt wysoka temperatura prowadzi w ich przypadku do rozkładu materiału. Osobną grupę stanowią elastomery, które mogą znacznie się odkształcać i wracać do pierwotnego kształtu.
Przykłady popularnych polimerów syntetycznych i ich zastosowań przedstawia tabela:
| Polimer | Przykładowe zastosowanie |
|---|---|
| Polietylen (PE) | Folie, torby, opakowania, zbiorniki i izolacje przewodów |
| Polipropylen (PP) | Opakowania, rury, włókna techniczne, części samochodowe i sprzęt medyczny |
| Polichlorek winylu (PVC, PCW) | Rury, profile okienne, wykładziny, przewody i wyroby medyczne |
| Politereftalan etylenu (PET) | Butelki, opakowania oraz włókna poliestrowe |
| Poliamid | Włókna nylonowe, elementy maszyn, folie i części techniczne |
Materiały polimerowe wykorzystuje się w budownictwie, medycynie, elektronice, motoryzacji, przemyśle opakowaniowym i tekstylnym. Powstają z nich między innymi pianki izolacyjne, kleje, farby, soczewki, implanty, obudowy urządzeń, opony i membrany. Polimery mogą być także spieniane, wzmacniane włóknami albo przetwarzane metodą wytłaczania i formowania wtryskowego.
Bezpieczeństwo i wpływ na środowisko
Sam fakt, że materiał jest polimerem, nie oznacza jego toksyczności. O bezpieczeństwie konkretnego wyrobu decyduje jego skład, zastosowanie, sposób użytkowania oraz obecność dodatków, takich jak plastyfikatory, stabilizatory czy barwniki. Dlatego należy rozróżniać polimer bazowy od całego produktu.
Największym wyzwaniem środowiskowym syntetycznych polimerów jest trwałość i zagospodarowanie zużytych wyrobów. Długie życie materiału bywa zaletą podczas użytkowania, ale utrudnia jego rozkład po wyrzuceniu. Znaczenie mają właściwy dobór materiału, ograniczanie zbędnych produktów, ponowne użycie oraz recykling tam, gdzie pozwala na to skład i czystość odpadu.
Polimer to nie tylko plastik, lecz ogólna grupa substancji zbudowanych z powtarzających się jednostek. Ich budowa pozwala otrzymywać materiały o bardzo różnych właściwościach – od elastycznego kauczuku po twarde żywice i lekkie pianki.
