Ce este un copolimer: înțelegerea elementelor de bază ale chimiei polimerilor

Înțelegerea elementelor fundamentale ale chimiei copolimerilor este crucială pentru oricine este interesat de știința polimerilor, ingineria materialelor sau domenii conexe. Acest articol va aprofunda în definiția, clasificarea, sinteza, proprietățile și aplicațiile copolimerilor, oferind o imagine de ansamblu cuprinzătoare a acestor macromolecule fascinante care au revoluționat știința modernă a materialelor.

Ce sunt copolimerii?

Un copolimer este un tip de polimer compus din două sau mai multe tipuri diferite de monomeri, care sunt blocurile de bază ale polimerilor. Acești monomeri sunt legați chimic pentru a forma lanțuri lungi în timpul procesului de polimerizare.

Copolimerii prezintă o combinație de doi sau mai mulți monomeri care pot fi aranjați în diferite modele. Aceste modele includ structuri alternante, aleatorii, bloc și grefă, fiecare dintre acestea dând distinct proprietăți chimice și caracteristicile materialului.

Cum se produc copolimerii?

Copolimerii sunt sintetizați prin polimerizarea a doi sau mai mulți monomeri diferiți împreună folosind tehnici precum polimerizare prin adiție (radicali liberi, anionici) sau polimerizarea prin condensare.

Alegerea monomerilor, raportul lor, metoda de polimerizare și prelucrarea determină structura și proprietățile copolimerului final.

1. Polimerizare prin adiție – monomerii cu grupări reactive (adesea legături duble de carbon) sunt legați împreună într-un lanț. Aceasta include polimerizarea radicalilor liberi și anionice. Inițiatorii sunt utilizați pentru a porni și controla reacția.
2. Polimerizarea prin condensaren – monomerii cu grupări funcționale (de multe ori grupări ester sau amidă) reacţionează pentru a forma un polimer, în general cu eliminarea unei molecule de apă sau metanol. Catalizatorii sunt utilizați pentru a controla reacția.

Ce este apolimerizare nionica si polimerizare radicala?

• Polimerizare anionica:

Polimerizarea anionică este o polimerizare cu creștere a lanțului ionic inițiată de reactivi nucleofili, cum ar fi organolitii, reactivii Grignard și alcoxizi metalici.

Aceasta implică polimerizarea monomerilor vinilici care posedă grupări atrăgătoare de electroni, cum ar fi metacrilatul de metil, acrilonitrilul, 2-vinilpiridina, precum și monomerii conjugați precum stirenul și 1,3-butadiena.
Polimerizarea are loc cu capătul lanțului în creștere purtând o sarcină negativă și un contracation.

Polimerizarea anionice poate fi „vie” dacă nu există etape de terminare sau de transfer de lanț, permițând controlul asupra greutății moleculare și permițând sinteza copolimerului bloc.

• Polimerizarea radicală: 

Polimerizarea radicală, sau mai precis polimerizarea radicalică, formează polimeri din monomeri vinilici prin reacții radicalice care implică intermediari radicali liberi.

Este inițiată de radicalii liberi generați din inițiatori de radicali și trece prin etape de propagare în care radicalii reacţionează cu monomerii pentru a crește lanțul polimeric.

Monomerii care suferă ușor polimerizarea radicalică includ stirenii, (met)acrilații, (met)acrilamidele și acrilonitrilul care pot stabiliza radicalii care se propagă.

Polimerizarea radicalică convențională are un control redus asupra greutății moleculare și dispersității. Metodele de polimerizare radicalică controlată/vii precum ATRP oferă un control mai bun.

Care sunt diferitele tipuri de copolimeri

Două tipuri principale de copolimeri sunt copolimeri liniari și copolimeri ramificati.

Copolimeri liniari constau dintr-un singur lanț principal cu diferitele unități monomerice dispuse de-a lungul acelui lanț. Ele sunt în continuare clasificate în:

1. Copolimeri alternativi – copolimerii alternativi înseamnă că cele două unități monomerice se alternează într-un model regulat, de exemplu (-ABAB-)n
2. Copolimeri statistici – copolimerii statistici (cunoscuți și ca copolimeri aleatori) sunt un tip de copolimeri liniari. Unitățile monomerice sunt distribuite aleatoriu de-a lungul lanțului, urmând reguli statistice
3. Copolimeri bloc – alcătuiți din blocuri de fiecare tip de monomer legate covalent împreună, de exemplu -AAABBB-
4. Copolimeri gradient – compoziția se modifică treptat de-a lungul lanțului
5. Copolimeri periodici – unitățile monomerice sunt aranjate într-o secvență care se repetă, de exemplu (ABABBAAAAABBB)n

Copolimeri ramificati au un lanț principal cu unul sau mai multe lanțuri laterale polimerice atașate de acesta. Cele două tipuri principale sunt:

1. Copolimeri grefați – lanțurile laterale sunt structural distincte de lanțul principal
2. Copolimeri în formă de stea – mai multe lanțuri de polimer radiază dintr-un miez central
3. Copolimeri cu perii - cu o densitate mare de lanțuri laterale polimerice atașate la o coloană vertebrală liniară, conducând la o structură de perie asemănătoare viermelui sau cilindrică
4. Copolimeri cu pieptene – constând dintr-o coloană vertebrală liniară cu o densitate mai mică a lanțurilor laterale polimerice, rezultând un pieptene mai flexibil

Care sunt avantajele copolimerilor?

Copolimerii oferă o gamă largă de avantaje față de homopolimeri, inclusiv proprietăți reglabile, proprietăți mecanice și chimice îmbunătățite, rentabilitate și compatibilitate îmbunătățită.

Care sunt dezavantajele copolimerilor?

Copolimerii au, de asemenea, unele dezavantaje legate de complexitatea de fabricație, proprietăți mai puțin previzibile, costuri mai mari, degradare potențială și proprietăți mecanice mai slabe.

Care sunt exemplele de copolimeri în industrie

Copolimeri pe bază de stiren:

• Acrilonitril butadien stiren (ABS): Folosit în principal în industria auto și electronică, ABS este apreciat pentru duritatea și proprietățile sale rezistente la impact.
• Stiren-izopren-stiren (SIS): Acest copolimer se găsește adesea în adezivi și materiale de etanșare, oferind o bună elasticitate și rezistență.

Copolimeri pe bază de etilenă:

• Etilen-acetat de vinil (EVA): Cunoscut pentru moliciunea și flexibilitatea sa asemănătoare cauciucului, EVA este utilizat pe scară largă în ambalarea alimentelor și ca folie pentru laminarea pardoselilor.
• Polietilenă tetrafluoretilenă (ETFE): ETFE este ales pentru punctul său de topire ridicat și proprietățile electrice excelente, făcându-l potrivit pentru acoperirea sârmei și ca înlocuitor ușor al sticlei.

întrebări frecvente

Sunt copolimerii la fel cu polimerii?

Nu, toți copolimerii sunt polimeri, dar nu toți polimerii sunt copolimeri. Copolimerii sunt o subclasă de polimeri caracterizată prin faptul că au două sau mai multe unități de monomer repetate diferite, ceea ce le oferă structuri și proprietăți diferite în comparație cu homopolimerii care constau dintr-un singur tip de monomer. 

Care este diferența dintre homopolimer și copolimer?

Homopolimerii conțin un singur tip de monomer care se repetă într-un lanț simplu, în timp ce copolimerii au doi sau mai mulți monomeri diferiți aranjați într-o structură mai complexă. Acest lucru duce la diferențe în sinteza, proprietățile și aplicațiile lor finale

Sunt copolimerii siguri pentru piele?

Copolimerii de acrilați de sodiu și copolimerii de acrilați înrudiți au fost studiati și considerați siguri pentru uz cosmetic „când sunt formulați pentru a evita iritația”.

Acidul acrilic poate fi sever iritant și coroziv pentru piele, ochi și tractul respirator la expuneri mari.

Acidul metacrilic este restricționat în produsele cosmetice canadiene și este clasificat ca potențial toxic sau dăunător.

Pentru ce aplicații se folosesc în mod obișnuit copolimerii?

Copolimerii sunt utilizați într-o gamă largă de produse, inclusiv piese auto, recipiente din plastic și dispozitive medicale datorită proprietăților lor mecanice și chimice personalizabile.

În ce fel diferă copolimerii aleatorii de alte structuri de copolimeri?

Copolimerii aleatoriu conțin un amestec de unități de monomeri dispuse în nicio ordine anume de-a lungul lanțului, rezultând polimeri cu un echilibru de proprietăți din monomerii constituenți, cum ar fi rezistența la impact sau flexibilitatea îmbunătățite.

Cum influențează compoziția unui copolimer proprietățile acestuia?

Raportul și aranjarea monomerilor într-un copolimer afectează direct proprietățile sale termice, mecanice și chimice, ceea ce înseamnă că materialul poate fi proiectat pentru funcții specifice, cum ar fi elasticitatea crescută sau rezistența la solvenți.