Noen vanlige polymerer

Polypropylen

En annen epokegjørende utvikling som ble startet ved Zieglers oppdagelse, fant sted i laboratoriene hos det polytekniske instituttet i Milano i en forskningsgruppe under ledelse av Guilio Natta. Det Nattas gruppe gjorde var å bytte ut monomeren etylen med propylen (CH₃CH=CH₂). Propylen polymeriserer til et stoff, polypropylen, med samme grunnleggende struktur som polyetylen, bortsett fra at et hydrogenatom på annethvert karbonatom i kjeden er byttet ut med en metylgruppe (-CH₃), som vist på figur 10.

Figur 10. De tre polypropylen-typene. Isotaktisk og syndiotaktisk betegnes som stereoregulære

Dette medfører komplikasjoner som ikke er til stede i polyetylen fordi metylgruppene kan ordnes på forskjellige måter i forhold til hoved-karbonkjeden. Natta kalte den polymeren der alle metylgruppene er på samme side av den utstrakte hovedkjeden for isotaktisk, der gruppene varierer fra side til side annenhver gang for syndiotaktisk og hvis gruppene er tilfeldig fordelt på hver side kalte han den ataktisk. Ulike katalysatorer for polymerisasjonen ga ulike former av polymeren, og dette skjedde på en forutsigbar måte. Dette var veldig viktig fra et praktisk synspunkt fordi de isotaktiske og syndiotaktiske formene, som kalles stereoregulære polymerer, har mye nyttigere egenskaper enn den ataktiske formen. Som polyetylen er stereoregulær polypropylen en semikrystallinsk termoplast. I denne polymeren er kjedene i de krystallinske delene ikke strukket ut i sikksakk som i polyetylen, men krøllet opp i spiralform.

Polypropylen er den nest vanligste polymeren etter polyetylen, og finnes i alle slags produkter fra støtfangere for biler til superundertøy og gulvtepper. Rimeligvis delte
Natta Nobelprisen i kjemi i 1963 med Ziegler for sitt arbeid med Zieglers katalysatorer for å «stereoregulere» polymerisasjonen av polypropylen – Ziegler-Natta-syntesen. Zieglers hovedpatent skriver seg fra 1953, men innovasjonsprosessen stoppet ikke der. I årene etter har det vært stor framgang i utformingen av katalysatorer, både homogene og heterogene, som gir forbedret kontroll over polymerens struktur og egenskaper (se kapittel 3 - Katalyse; kjemiens snarveier). Det er rimelig å anta at vitenskapen og teknologien om produksjon og behandling av dette veldig variasjonsrike og verdifulle materialet fremdeles har en lang utvikling foran seg.

Støtfangere til biler lages av polypropylen.

Nylon

Nylon er en gruppe polymerer der monomerene holdes sammen av amidbindinger (-CONH-), som dannes ved reaksjon mellom en aminogruppe (-NH2) og en karboksylsyregruppe (-COOH), se figur 11. Nylon er faktisk et handelsnavn som har kommet i allment bruk for denne typen polymerer.

Amidbindinger finnes også i naturen i den omfattende og komplekse gruppen av naturlige polypeptider og proteiner.

Figur 11. En amidbinding dannes. Saltdehydreringsmetode for å lage nylon-6.6

Det første nylonet ble oppfunnet og utviklet av DuPont i USA på slutten av 1930-tallet. Vitenskapsmannen som grunnla denne delen av polymerindustrien var Wallace Carothers, som var leder for DuPonts forskningslaboratorium for utvikling av kunstige materialer (grunnlagt i 1928). Hans nylon ble laget ved den såkalte saltdehydrerings-metoden som er vist på figur 12. I denne prosessen reagerer diaminet [H₂N(CH₂)₆NH₂] med en dikarboksylsyre [HOOC(CH₂)₄COOH] til et salt ved overføring av protoner (H⁺) til den basiske gruppen (-NH₂). Når dette saltet [H₃N⁺(CH₂)₆⁺NH₃^-OOC(CH₂)₄COO-] varmes opp, avgir det vann og danner amidbindinger som holder polymeren sammen. Denne polymeren kalles nylon-6.6 fordi det er 6 karbonatomer i begge de opprinnelige monomerne.

Nylon er ikke bare ett enkelt materiale, men betegner en hel familie av materialer som identifiseres med tall på slutten av navnet. Vanligvis er det -CH₂-grupper mellom amidbindingene. Tallene representerer antall karbonatomer i hver av monomerene med tallet for di-syren først.

Noen nylontyper er litt forskjellige i og med at de lages av en enkelt monomer med en –NH2-gruppe i en ende og en –COOH i andre enden. Ett eksempel er nylon-6. Denne
lages av en ringformet monomer som kalles kaprolaktam der –NH2-gruppen har reagert med –COOH-gruppen til en ring. Ved polymerisasjonen blir ringen først åpnet, og så dannes det en lineær polymer med 5 karbonatomer mellom hvert amid, som vist på figur 13. Nylontyper som -6.4 og - 6.10 kan ikke lages ved polymerisasjon fra denne typen monomerer fordi det med en enkelt monomer alltid blir det samme antall –CH2-grupper mellom hver amidgruppe. Nylon som lages av kaprolaktam kalles nylon-6 og ikke nylon-6.6.

Ulike typer nylon har ulike egenskaper. Nylontyper med lengre kjeder av –CH₂-grupper får lavere smeltetemperatur og mindre vannabsorpsjon.

I tillegg til fibre brukes nylon til lette konstruksjoner som hjul til barnevogner, kamskiver og tannhjul og – når den forsterkes med glassfiber – til mer krevende produkter som sykkelhjul. De krymper lite ved formstøping slik at de lett kan formes til deler med nøyaktige dimensjoner.

Anvendelse av polyuretan

Alle nylon-X-typer fra nylon-2 til nylon-11 har blitt fremstilt, men de som er viktigst økonomisk er nylon-3, -6 og -10. Blant nylon-X.Y-typene er -4.6, -6.6, -6.9, -6.10 og - 6.12 typer som er utviklet for kommersielt bruk. Nylon-6 og nylon-6.6 utgjør omkring 80 % av all nylon som fremstilles i dag, og 25 prosent av dette går til fiber.

Det er mange andre typer polyamider, blant annet strukturene på figur 14, som inneholder ringer av karbonatomer. De aromatiske polyamidene, de to strukturene nederst på figur 14, er kjent som polyaramider. De gir fibre med eksepsjonell styrke, krystallinitet og stabilitet med smeltepunkt over 400 °C. Slike materialer brukes til mange spesialformål som brann- og støtsikre tekstiler. De er ekstremt sterke, og brukes derfor i fly- og romfartsindustrien og i skuddsikre vester.

Polyuretaner

Polyuretanene er beslektet med nylon og det sies de ble oppfunnet i et forsøk på å omgå nylonpatentene. Dette virker sannsynlig hvis du sammenligner de sammenbindende enhetene i de to polymerene, som vist på figur 15.

En metode av mange som ble oppfunnet for syntese av polyuretaner innebærer å tilsette alkoholenheter (-CH₂OH) til isocyanater (CH₂N=C=O). Isocyanater er veldig reaktive og derfor også veldig giftige. Så selv om kjemien fungerer bra, må den utføres under svært kontrollerte betingelser.

En sammenligning av de bindende gruppene i polyuretan (til venstre) og nylon.

Polyuretanene er mykere og har lavere smeltepunkt enn de tilsvarende nylontypene, og de brukes til innkapsling, maling og andre belegg og i elastomerer (stretchfiber som for eksempel Lycra, som brukes i badetøy og trikoter). I tillegg til de lineære polymerene som er beskrevet ovenfor, er det mulig å lage kryssbindinger mellom kjedene ved å tilsette litt triol eller tri-isocyanat. Dette gir et tredimensjonalt polymernettverk. Dersom det frigjøres eller injiseres en gass under polymerisasjonen, dannes en ekspandert bikubestruktur som er relativt stabil og danner et skum. Hva slags skum, fast eller fleksibelt, bestemmes av sammensetningen av polymernettverket og av størrelsen til hullene i skummet. Slike skum brukes i alt fra fast innmat i dører og surfebrett til isolasjon av hulrom i vegger og elastiske skum til møbler.

Figur 14. Noen flere eksempler på polyamider. De to nederste strukturene kalles polyaramider. Ulike produsenter bruker forskjellige handelsnavn.

Polyestere

De grunnleggende enhtene i polyestere som (a) poly(etylentereftalat) og (b) poly(butylentereftalat).

Polyestere er en annen gruppe polymerer som er utviklet over et langt tidsrom. Det første praktisk anvendelige materialet var poly(etylen tereftalat), PET, se figur 16(a). Dette ble utviklet like etter slutten av andre verdenskrig. Poly(etylen tereftalat) ble fra begynnelsen brukt til fibrer og i tynne filmer, og fikk etter hvert stor betydning i markedet for formblåste flasker for drikkevarer. Det er fremdeles viktig for produksjon av tekstilfibrer og filmer. Når du ser det står «polyester» på en merkelapp i et klesplagg er det sannsynlig at det dreier seg om PET. Hvis du kjøper et måltid som kan kokes i posen, er posen også sannsynligvis laget av PET, liksom brusflaskene av plast og båndet i videokassettene dine. En annen viktig polyester er poly(butylen tereftalat), PBT, se figur 16(b), som brukes til støpte gjenstander av termoplast.

Tabell 1. Strukturen til de repeterende enhetene i polyestere og smeltepunktet for den resulterende polymeren.

På samme måte som for polyetylen, blir teknikken for å bearbeide polyester stadig forbedret. Som følge av dette har PET blitt verdens raskest voksende tekstilfiber.
Fiberprodusenter er nå i stand til å lage veldig tynne mikrofibrer som brukes til å lage moteriktig regntøy og sportsklær.

Liksom for polyamidene har det vært betydelig interesse for å lage polyestere med høyere smeltepunkt for mer krevende konstruksjonsmaterialer. Tabell 1 viser hvordan strukturen av den repeterende enheten i polyester påvirker smeltepunktet for polymeren.

Figur 17: Den vanligste polykarbonaten

Polykarbonater er polyestere av karbonsyre, H₂CO₃. Strukturen for det mest kjente eksemplet er vist på figur 17. Denne semikrystallinske polymeren gir veldig klare støpte produkter med gode elektrisk isolerende egenskaper og god slagstyrke. Det er dette materialet de fleste beskyttelsesbriller og gjennomsiktige politiskjold er fremstilt av.

Polymerindustrien er svært stor og produserer et rikholdig utvalg av materialer som har praktisk betydning for vårt daglige liv. Tabell 2 viser noen av de viktigste, men det er noen nye polymerer med uventede egenskaper som fortjener spesiell oppmerksomhet.

Tabell 2. Noen fler eksempler på nyttige polymerer.