A POLIMERKÉMIA ESZKÖZTÁRA, AVAGY HOGYAN ÁLLÍTHATÓK BE EGY ÓRIÁSMOLEKULA TULAJDONSÁGAI?

Átírás

1 A POLIMERKÉMIA ESZKÖZTÁRA, AVAGY HOGYAN ÁLLÍTHATÓK BE EGY ÓRIÁSMOLEKULA TULAJDONSÁGAI? Szabó Ákos Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet Polimer Kémiai Kutatócsoport Alkímia ma 015. november 6.

2 Mik azok a polimerek? Kis molekulákból (monomerekből) kovalens kötéssel felépülő, ismétlődő egységeket tartalmazó óriásmolekulák természetes polimerek DNS, fehérjék, keményítő stb. mesterséges polimerek nylon, PET-palack stb.

3 Polimer korszakban élünk Alkímia ma 010. szeptember. Iván Béla Polimer korszakban élünk: a műanyagoktól a számítógépes chipig, az eldobható napelemekig, a nanotechnológiákig, a génsebészetig, gyógyszerekig és a környezetvédelemig Az elmúlt évtizedekben a vaskorszak után: polimer korszak szilícium korszak

4 polimer + adalék = műanyag

5 A műanyagok előnyei - hangolható tulajdonságok - kis fajsúly - olcsóság A világ éves műanyagtermelése

6 Miért ez a széles tulajdonságskála? Adalékok (például színezék, égésgátló stb.) A makromolekulák a kis molekulákhoz képest eltérő módon viselkednek molekulatömeg többféle monomer egység is alkothatja kopolimerek szerkezet fizikai állapot takticitás

7 MOLEKULATÖMEG

8 A polimerek a kis molekulatömegű anyagokkal ellentétben nem rendelkeznek egységes molekulatömeggel. Molekulatömeg jellemzése: átlag(ok) eloszlás gyakoriság molekulatömeg

9 kis molekulák összekapcsolása: polimerizáció lépcsős lánc

10 Lépcsős polimerizáció funkciós csoportok reagálnak egymással, így kapcsolódnak össze a molekulák minden molekulán legalább két funkciós csoport O N H + l - Hl H N O

11 Láncpolimerizáció aktív láncvégek reagálnak a monomerekkel a monomerek egy vagy több funkciós csoporttal rendelkeznek aktivált iniciátormolekula indítja el a láncnövekedést az aktív centrum jellegétől függően különböző típusú lehet, például gyökös, kationos, anionos, koordinatív stb. N N N N H Δ - N

12 KOPOLIMEREK

13 A kopolimerek fajtái homopolimer blokk-kopolimer random kopolimer gradiens kopolimer alternáló kopolimer triblokk-terpolimer

14 Hogyan kapunk különböző fajta kopolimereket? modellezzük a reakciót egy másodrendű reakcióként, ahol a láncvégek reagálnak a szabad monomerekkel a reakciósebesség: R = k * [láncvég] * [szabad monomer] kétfajta láncvégünk van: (1) és () kétfajta monomerünk: (1) és () a sebességi együtthatók hányadosa határozza meg a monomerpár kopolimerjének típusát: r 1 = k 11 / k 1 négyféle eset: R 11 = k 11 * [(1) láncvég] * [(1) monomer] R 1 = k 1 * [(1) láncvég] * [() monomer] R = k * [() láncvég] * [() monomer] R 1 = k 1 * [() láncvég] * [(1) monomer] r = k / k 1

15 r 1 és r -n túl is van élet... További lehetőség blokk-kopolimerek előállítására: szekvenciális monomeraddíció olyan polimerizációkban, ahol a láncvégek a monomer elfogyása után is aktívak maradnak polimerek (blokkok) összekapcsolása szerves kapcsolási, például klikk-kémiai reakciókkal élő polimerizációk N + u(i) Huisgen-féle azid-alkin cikloaddíció

16 SZERKEZET

17 Polimer szerkezetek lineáris ojtott dendrimer hiperelágazásos létra fésűs csillag térháló

18 Polimer szerkezetek lineáris dendrimer ojtott hiperelágazásos fésűs létra térháló csillag

19 kis viszkozitás Elágazásos polimerek előnyei sok láncvégi funkciós csoport hiperelágazásos polimerhez kapcsolható egyszerre receptorhoz kötődő molekula, jelzőmolekula és hatóanyagmolekula

20 Elágazások bevitele a makromolekulába ojtási lehetőségek főláncról kiinduló ojtás észteresítés H O O Br O O u(i)-komplex O O O O H főlánchoz kapcsolás szerves kapcsolási reakciókkal makromonomer kopolimerizációja n

21 Elágazások bevitele a makromolekulába csillag polimerek előállítása magból kiinduló multifunkciós (makro)iniciátor használata karokból kiinduló polimer láncok összekapcsolása polimerizáció láncösszekapcsolás

22 Elágazások bevitele a makromolekulába hiperelágazásos polimerek előállítása térhálósodás elkerülése többfunkciós komonomer kopolimerizációja szekvenciális ojtás inimer módszer inimer: egy molekula iniciátor és monomer egyben AB n típusú monomerek lépcsős polimerizációja almasav

23 Elágazások bevitele a makromolekulába térhálósítási lehetőségek többfunkciós monomerek kopolimerizációja polimer láncok összekapcsolása

24 Amfifil kotérhálók kovalensen kötött hidrofil és hidrofób láncokból felépülő térháló nincs makroszkópikus fázisszétválás a láncok közötti kovalens kapcsolat miatt DE: nanoméretű fáziselkülönülés hidrofób:hidrofil szegmensarány n hidrofil lánc, például poli(n,ndimetil-akrilamid) felhasználás: kontaktlencse nanotechnológiai templát gyógyszerhordozó n hidrofób lánc, például poliizobutilén

25 Amfifil kotérhálók előállítása hidrofil monomer kopolimerizációja hidrofób multifunkciós keresztkötővel hidrofil és hidrofób polimer láncok összekapcsolása kapcsolási reakciókkal amfifil multiblokk-kopolimerek összekapcsolása

26 FIZIKAI ÁLLAPOT

27 Hogyan deformálódik egy polimer különböző hőmérsékleteken? deformáció üvegesedési átmenet folyási átmenet ömledék állapot a makromolekulák egymáshoz képest elmozdulnak termomechanikai görbe üveges állapot a polimer és részei csak rezgőmozgást végeznek T nagyrugalmas (gumirugalmas) állapot a makromolekulák tömegközéppontjának egymáshoz viszonyított helyzete nem változik, de a szegmensek mozoghatnak

28 A feldolgozás szempontjából az üvegesedési hőmérséklet meghatározó jelentőségű üvegesedési hőmérséklet csökkentése: lágyítás külső lágyítás: adalékanyag (lágyító) pl. PV-t régen dioktil-ftaláttal belső lágyítás: alacsony üvegesedési hőmérsékletű polimer szegmens (láncrészlet) hozzákapcsolása

29 Speciális alkalmazás I: fizikai térhálók a térhálópontok üveges állapotú szegmensek, amiket gumirugalmas állapotú szegmensek kötnek össze orvosi felhasználás: szívkoszorúér sztent polisztirol-poliizobutilén-polisztirol triblokk-kopolimer

30 Speciális alkalmazás II: emlékező polimerek eredeti alak deformáció nagyrugalmas állapotban lehűtés az üvegesedési hőmérséklet alá eredeti alak melegítés az üvegesedési hőmérséklet fölé deformált alak

31 (Szemi)kristályos polimerek kristályosság: hosszú távú rendezettség az anyagban amorf régió kristálygóc kötő láncszakaszok hajtogatott lamelláris szálak

32 Kristályos polimerek termomechanikai görbéje kristályos és amorf fázis együtt van jelen ömledék deformáció amorf fázis üvegesedési hőmérséklete kristályos + üveges T kristályos fázis olvadási hőmérséklete kristályos + nagyrugalmas

33 A feldolgozás szempontjából a kristályosodási hajlam is meghatározó jelentőségű HDPE (nagy sűrűségű polietilén) jól illeszkedő láncok, kristályosodásra hajlamos, magasabb olvadáspont LDPE (kis sűrűségű polietilén): elágazások a láncon, sokkal kevésbé kristályosodik, alacsonyabb olvadáspont

34 TAKTIITÁS

35 Takticitás: a főlánc királis szénatomjain lévő csoportok térállása a térállás egyforma - izotaktikus a térállás alternáló - szindiotaktikus kristályos a térállás véletlenszerű - ataktikus nem kristályos Izo- vagy szindiotaktikus polimerek előállítása: koordinatív polimerizációval

36 Koordinatív polimerizáció Karl Ziegler ( ) Giulio Natta ( ) H l Ti l H 8 l Ti l l l l l H

37 Polimerek sajátságos jellemzők Összefoglalás deformáció H H H H H H H H H T hangolható tulajdonságok széleskörű felhasználás végtelen lehetőségek...

38 KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

39

40 Összefoglalás Polimerek sajátságos jellemzők: molekulatömeg többféle monomer egység is alkothatja kopolimerek szerkezet fizikai állapot takticitás hangolható tulajdonságok széleskörű felhasználás végtelen lehetőségek...

41 A polimerek a kis molekulatömegű anyagokkal ellentétben nem rendelkeznek egységes molekulatömeggel. Molekulatömeg jellemzése: átlag(ok) eloszlás M kismolekulás anyag polimer