Što je kopolimer: Razumijevanje osnova kemije polimera

Razumijevanje osnova kemije kopolimera presudno je za svakoga tko se zanima za znanost o polimerima, inženjerstvo materijala ili srodna područja. Ovaj će se članak baviti definicijom, klasifikacijom, sintezom, svojstvima i primjenom kopolimera, pružajući sveobuhvatan pregled ovih fascinantnih makromolekula koje su revolucionirale modernu znanost o materijalima.

Što su kopolimeri?

Kopolimer je a vrsta polimera sastavljen od dvije ili više različitih vrsta monomeri, koji su osnovni građevni blokovi polimera. Ti su monomeri kemijski vezani u duge lance tijekom procesa polimerizacija.

Kopolimeri predstavljaju kombinaciju dva ili više monomera koji se mogu rasporediti u različite uzorke. Ti obrasci uključuju izmjenične, nasumične, blokovske i presađene strukture, od kojih svaka daje različite kemijska svojstva i karakteristike materijala.

Kako se izrađuju kopolimeri?

Kopolimeri se sintetiziraju polimerizacijom dvaju ili više različitih monomera zajedno korištenjem tehnika poput adicijska polimerizacija (slobodno radikalna, anionska) ili kondenzacijska polimerizacija.

Odabirom monomera, njihovim omjerom, načinom polimerizacije i obrade ovisi konačna struktura i svojstva kopolimera.

1. Adicijska polimerizacija – monomeri s reaktivnim skupinama (često dvostruke ugljikove veze) međusobno su povezani u lanac. To uključuje slobodne radikale i anionsku polimerizaciju. Inicijatori se koriste za pokretanje i kontrolu reakcije.
2. Kondenzacijska polimerizacijan – monomeri s funkcionalnim skupinama (često esterske ili amidne skupine) reagiraju u polimer, općenito uz eliminaciju molekule vode ili metanola. Za kontrolu reakcije koriste se katalizatori.

Što je aionska polimerizacija i radikalska polimerizacija?

• Anionska polimerizacija:

Anionska polimerizacija je polimerizacija rasta ionskog lanca koju pokreću nukleofilni reagensi kao što su organolitiji, Grignardovi reagensi i metalni alkoksidi.

Uključuje polimerizaciju vinilnih monomera koji posjeduju skupine koje privlače elektrone poput metil metakrilata, akrilonitrila, 2-vinilpiridina, kao i konjugiranih monomera poput stirena i 1,3-butadiena.
Polimerizacija se odvija s rastućim krajem lanca koji nosi negativan naboj i protukation.

Anionska polimerizacija može biti "živa" ako nema prekidanja ili koraka prijenosa lanca, što omogućuje kontrolu nad molekularnom težinom i omogućuje sintezu blok kopolimera.

• Radikalna polimerizacija: 

Radikalska polimerizacija, ili točnije polimerizacija slobodnih radikala, formira polimere iz vinilnih monomera putem radikalskih reakcija koje uključuju međuprodukte slobodnih radikala.

Pokreću ga slobodni radikali generirani iz radikalnih inicijatora i nastavlja se kroz korake razmnožavanja gdje radikali reagiraju s monomerima kako bi se polimerni lanac razvio.

Monomeri koji se lako podvrgavaju radikalskoj polimerizaciji uključuju stirene, (met)akrilate, (met)akrilamide i akrilonitril koji mogu stabilizirati radikale koji se razmnožavaju.

Konvencionalna radikalna polimerizacija ima malu kontrolu nad molekulskom težinom i disperzijom. Metode kontrolirane/žive radikalne polimerizacije poput ATRP-a pružaju bolju kontrolu.

Koje su različite vrste kopolimera

Dvije su glavne vrste kopolimera linearni kopolimeri i razgranati kopolimeri.

Linearni kopolimeri sastoji se od jednog glavnog lanca s različitim monomernim jedinicama raspoređenim duž tog lanca. Dalje se klasificiraju na:

1. Izmjenični kopolimeri – izmjenični kopolimeri znače da se dvije monomerne jedinice izmjenjuju u pravilnom obrascu, npr. (-ABAB-)n
2. Statistički kopolimeri – statistički kopolimeri (također poznati kao nasumični kopolimeri) jedna su vrsta linearnih kopolimera. Monomerne jedinice raspoređene su nasumično duž lanca, slijedeći statistička pravila
3. Blok kopolimeri – sastavljeni od blokova svake vrste monomera međusobno kovalentno povezanih, npr. -AAABBB-
4. Gradijentni kopolimeri – sastav se postupno mijenja duž lanca
5. Periodični kopolimeri – monomerne jedinice raspoređene su u nizu koji se ponavlja, na primjer (ABABBAAAABBB)n

Razgranati kopolimeri imaju glavni lanac s jednim ili više polimernih bočnih lanaca vezanih na njega. Dvije su glavne vrste:

1. Cijepljeni kopolimeri – bočni lanci strukturno se razlikuju od glavnog lanca
2. Kopolimeri u obliku zvijezde – više polimernih lanaca zrači iz središnje jezgre
3. Četkasti kopolimeri – s visokom gustoćom polimernih bočnih lanaca pričvršćenih na linearnu okosnicu, što dovodi do crvolike ili cilindrične strukture četke
4. Češljasti kopolimeri – sastoje se od linearne okosnice s nižom gustoćom polimernih bočnih lanaca, što rezultira fleksibilnijim češljem

Koje su prednosti kopolimera?

Kopolimeri nude širok raspon prednosti u odnosu na homopolimere, uključujući prilagodljiva svojstva, poboljšana mehanička i kemijska svojstva, isplativost i poboljšanu kompatibilnost.

Koji su nedostaci kopolimera?

Kopolimeri također imaju neke nedostatke koji se odnose na složenost proizvodnje, manje predvidljiva svojstva, veće troškove, potencijalnu degradaciju i slabija mehanička svojstva.

Koji su primjeri kopolimera u industriji

Kopolimeri na bazi stirena:

• Akrilonitril butadien stiren (ABS): Koristi se prvenstveno u automobilskoj i elektroničkoj industriji, ABS je cijenjen zbog svoje čvrstoće i otpornosti na udarce.
• Stiren-izopren-stiren (SIS): Ovaj se kopolimer često nalazi u ljepilima i brtvilima, nudeći dobru elastičnost i čvrstoću.

Kopolimeri na bazi etilena:

• Etilen-vinil acetat (EVA): Poznat po svojoj mekoći i fleksibilnosti poput gume, EVA se naširoko koristi u pakiranju hrane i kao folija za laminirane podove.
• Polietilen tetrafluoretilen (ETFE): ETFE je odabran zbog svoje visoke točke taljenja i izvrsnih električnih svojstava, što ga čini prikladnim za presvlačenje žica i kao laganu zamjenu za staklo.

Često postavljana pitanja

Jesu li kopolimeri isto što i polimeri?

Ne, svi kopolimeri su polimeri, ali nisu svi polimeri kopolimeri. Kopolimeri su podrazred polimera za koje je karakteristično da imaju dvije ili više različitih monomernih jedinica koje se ponavljaju, što im daje različite strukture i svojstva u usporedbi s homopolimerima koji se sastoje od samo jedne vrste monomera. 

Koja je razlika između homopolimera i kopolimera?

Homopolimeri sadrže jednu vrstu monomera koji se ponavlja u jednostavnom lancu, dok kopolimeri imaju dva ili više različitih monomera raspoređenih u složeniju strukturu. To dovodi do razlika u njihovoj sintezi, svojstvima i krajnjoj upotrebi

Jesu li kopolimeri sigurni za kožu?

Kopolimer natrijevih akrilata i srodni kopolimeri akrilata proučavani su i smatraju se sigurnima za kozmetičku upotrebu "kada su formulirani da izbjegnu iritaciju".

Akrilna kiselina može biti jako iritantna i korozivna za kožu, oči i dišne puteve pri visokoj izloženosti.

Metakrilna kiselina je ograničena u kanadskoj kozmetici i klasificirana kao potencijalno toksična ili štetna.

Za koje se primjene kopolimeri obično koriste?

Kopolimeri se koriste u širokom spektru proizvoda, uključujući automobilske dijelove, plastične spremnike i medicinske uređaje zbog svojih prilagodljivih mehaničkih i kemijskih svojstava.

Po čemu se nasumični kopolimeri razlikuju od ostalih struktura kopolimera?

Nasumični kopolimeri sadrže mješavinu monomernih jedinica raspoređenih bez određenog reda duž lanca, što rezultira polimerima s ravnotežom svojstava sastavnih monomera, kao što je poboljšana otpornost na udarce ili fleksibilnost.

Kako sastav kopolimera utječe na njegova svojstva?

Omjer i raspored monomera unutar kopolimera izravno utječu na njegova toplinska, mehanička i kemijska svojstva, što znači da se materijal može konstruirati za specifične funkcije, poput povećane elastičnosti ili otpornosti na otapala.