Polymer

Rozbalit box

Obsah boxu

Polymer je makromolekula (velká molekula) složená z mnoha opakujících se podjednotek, známých jako monomery. Tyto monomery jsou navzájem spojeny kovalentními vazbami a vytvářejí dlouhé řetězce, které mohou být lineární, rozvětvené nebo prostorově zesíťované. Slovo "polymer" pochází z řečtiny, kde "poly" znamená "mnoho" a "meros" znamená "část". Polymery tvoří základní stavební kámen mnoha přírodních i syntetických materiálů, které hrají klíčovou roli v každodenním životě. Mezi přírodní polymery patří například bílkoviny, celulóza a DNA, zatímco syntetické polymery zahrnují širokou škálu plastů, jako je polyethylen, polypropylen nebo polyvinylchlorid (PVC).

⏳ Historie

Ačkoliv lidstvo využívá přírodní polymery jako dřevo, vlna nebo hedvábí po tisíciletí, chemická podstata těchto materiálů byla dlouho neznámá. Vědecké zkoumání a cílená manipulace s polymery začaly v 19. století.

• 1833: Švédský chemik Jöns Jacob Berzelius poprvé použil termín "polymer".
• 1835: Francouzský chemik Henri Victor Regnault náhodně připravil první syntetický polymer, polyvinylchlorid (PVC), ale nenašel pro něj využití.
• 1839: Charles Goodyear objevil proces vulkanizace přírodního kaučuku, čímž výrazně zlepšil jeho mechanické vlastnosti a stabilitu.
• 1869: John Wesley Hyatt vynalezl celuloid, považovaný za první komerčně úspěšný polosyntetický plast, jako náhradu za drahou slonovinu při výrobě kulečníkových koulí.
• 1907: Leo Baekeland, belgicko-americký chemik, vytvořil bakelit, první plně syntetický polymer vyrobený z fenolu a formaldehydu. Tento materiál, známý jako fenolformaldehydová pryskyřice, se stal klíčovým v elektrotechnice.
• 20. a 30. léta 20. století: Období intenzivního výzkumu pod vedením Hermanna Staudingera, který formuloval teorii o makromolekulární struktuře polymerů, za což později obdržel Nobelovu cenu. Byla vyvinuta výroba polystyrenu (PS) a polyvinylchloridu (PVC).
• Druhá světová válka: Válečné potřeby akcelerovaly vývoj polymerů. Polyamidová vlákna (nylon) byla použita na výrobu padáků a polyethylen (PE) sloužil jako izolátor pro radarové kabely.
• Poválečné období: Nastal masivní rozvoj polymerního průmyslu. Karl Ziegler a Giulio Natta vyvinuli katalyzátory pro výrobu polyethylenu a polypropylenu s řízenou strukturou, což otevřelo dveře k široké škále nových aplikací.

🔬 Pro laiky: Co je to polymer?

Představte si polymer jako velmi dlouhý náhrdelník. Každá jednotlivá perla na tomto náhrdelníku je malá molekula, které říkáme monomer. Když se mnoho těchto perel-monomerů spojí dohromady v dlouhém řetězu, vytvoří polymer.

• Stavebnice LEGO: Monomer je jedna kostička LEGO. Sama o sobě toho moc nedokáže. Když ale spojíte stovky nebo tisíce kostiček dohromady, můžete postavit cokoliv – auto, dům, vesmírnou loď. Tento velký výtvor je polymer. Různé druhy kostiček (monomerů) a různé způsoby jejich spojení vytvářejí různé polymery s odlišnými vlastnostmi.
• Vlak: Každý jednotlivý vagón je monomer. Když spojíte mnoho vagónů za sebe, vznikne dlouhý vlak – polymer.

V přírodě jsou polymery všude. Dřevo je tvořeno polymerem zvaným celulóza. Vaše svaly a vlasy jsou z polymerů zvaných bílkoviny. Genetická informace ve vašem těle je uložena v polymeru DNA. My lidé jsme se naučili tyto řetězce vyrábět i uměle v laboratořích a továrnách. Těmto umělým polymerům říkáme plasty, jako jsou PET lahve, igelitové sáčky nebo PVC trubky. Díky schopnosti vytvářet různé typy řetězců můžeme vyrobit materiály, které jsou tvrdé, měkké, pružné, průhledné nebo barevné.

🧬 Dělení polymerů

Polymery lze klasifikovat podle několika kritérií, která se často překrývají.

Podle původu

• Přírodní polymery (Biopolymery): Vyskytují se v živých organismech a jsou základem života.
  • Polysacharidy: Např. škrob (zásobárna energie v rostlinách), celulóza (stavební materiál rostlinných buněčných stěn), glykogen (zásobárna energie u živočichů).
  • Bílkoviny (Proteiny): Polymery aminokyselin, plnící v těle stavební, enzymatické a transportní funkce (např. kolagen, keratin, hemoglobin).
  • Nukleové kyseliny: DNA a RNA, které nesou genetickou informaci.
  • Přírodní kaučuk: Polymer isoprenu, získávaný z kaučukovníku.
• Syntetické polymery: Jsou vyráběny člověkem chemickými procesy, nejčastěji z ropy. Tvoří základ pro plasty, syntetická vlákna a syntetické kaučuky. Příklady zahrnují polyethylen (PE), polypropylen (PP), polyvinylchlorid (PVC), polystyren (PS), polyethylentereftalát (PET) a polyamid (nylon).
• Modifikované přírodní polymery: Vznikají chemickou úpravou přírodních polymerů, např. nitrocelulóza (střelná bavlna) nebo viskóza z celulózy.

Podle struktury řetězce

• Lineární polymery: Monomerní jednotky tvoří jednoduchý, nerozvětvený řetězec. Příkladem je vysokohustotní polyethylen (HDPE).
• Rozvětvené polymery: Hlavní řetězec má postranní větve. To ovlivňuje hustotu a mechanické vlastnosti. Příkladem je nízkohustotní polyethylen (LDPE).
• Zesíťované polymery: Jednotlivé polymerní řetězce jsou navzájem propojeny chemickými vazbami, což vytváří trojrozměrnou síť. Tyto materiály jsou tvrdé, nerozpustné a netavitelné (např. vulkanizovaný kaučuk, bakelit).

Podle chování při zahřívání

• Termoplasty: Po zahřátí měknou a stávají se tvárnými. Tento proces je vratný, takže je lze opakovaně tavit a tvarovat. Většina běžných plastů (PE, PP, PVC, PET) patří do této skupiny.
• Reaktoplasty (Termosety): Během prvního zahřátí a tvarování dojde k chemické reakci, která vytvoří pevnou, trvale zesíťovanou strukturu. Další zahřívání už je neroztaví, při vysokých teplotách se rozkládají. Jsou tvrdé a odolné. Patří sem bakelit, epoxidové pryskyřice a polyesterové pryskyřice.
• Elastomery: Tyto polymery se vyznačují vysokou pružností. Lze je výrazně natáhnout, ale po uvolnění síly se vrátí do původního tvaru. Typickým příkladem je kaučuk.

⚙️ Syntéza polymerů

Proces spojování monomerů do polymerních řetězců se nazývá polymerace. Existuje několik základních typů polyreakcí.

• Řetězcová polymerace (Adiční polymerace): Monomery, které typicky obsahují dvojnou vazbu, se postupně připojují na aktivní konec rostoucího řetězce. Reakce je velmi rychlá a skládá se z kroků iniciace, propagace (růstu řetězce) a terminace (ukončení). Tímto způsobem vzniká například polyethylen, polypropylen a PVC.
• Stupňovitá polymerace (Polykondenzace): Monomery mají dvě nebo více funkčních skupin, které spolu reagují. Během reakce se kromě polymeru odštěpuje malá molekula, nejčastěji voda. Reakce probíhá pomaleji a postupným spojováním menších řetězců vznikají stále delší. Tímto mechanismem se vyrábí polyestery, polyamidy a bakelit.
• Polyadice: Podobná polykondenzaci, ale nedochází při ní k odštěpení vedlejšího produktu. Jedná se o přesmyk atomů v rámci reagujících molekul. Typickým příkladem je syntéza polyuretanů.

✨ Vlastnosti polymerů

Vlastnosti polymerů jsou mimořádně rozmanité a závisí na mnoha faktorech, jako je typ monomeru, délka a struktura řetězce (molekulová hmotnost), mezimolekulární síly a přítomnost aditiv.

• Mechanické vlastnosti: Mohou sahat od měkkých a pružných (elastomery) po tvrdé a pevné (reaktoplasty). Vlastnosti jako pevnost v tahu, tvrdost a houževnatost jsou klíčové pro konstrukční aplikace.
• Tepelné vlastnosti: Většina polymerů má nízkou tepelnou vodivost, což je činí dobrými tepelnými izolanty. Jejich tepelná odolnost je však ve srovnání s kovy nebo keramikou omezená.
• Elektrické vlastnosti: Polymery jsou zpravidla vynikající elektrické izolanty, proto se hojně využívají v elektrotechnice pro izolaci kabelů a výrobu elektronických součástek.
• Chemická odolnost: Mnoho polymerů, jako například polyethylen, je velmi odolných vůči kyselinám, zásadám a dalším chemikáliím, což je předurčuje pro výrobu obalů, potrubí a nádrží.
• Hustota: Polymery mají obecně nízkou hustotu, jsou tedy lehké, což je velkou výhodou v dopravě, stavebnictví a obalové technice.
• Optické vlastnosti: Některé polymery, jako polymethylmethakrylát (plexisklo) nebo polykarbonát, jsou vysoce transparentní a používají se jako náhrada skla.

🏭 Využití a aplikace

Polymery jsou jedním z nejuniverzálnějších materiálů a jejich aplikace zasahují do všech oblastí moderního života.

• Obalová technika: Největší segment využití. Plastové fólie, lahve (PET), kelímky a kontejnery chrání potraviny a zboží.
• Stavebnictví: PVC na okenní profily, potrubí a podlahové krytiny; polystyren (EPS) jako tepelná izolace; polyethylenové fólie jako hydroizolace.
• Automobilový průmysl: Nárazníky, palubní desky, čalounění, nádrže a různé součástky motoru jsou vyrobeny z polymerů pro snížení hmotnosti a zvýšení bezpečnosti.
• Elektronika: Izolace kabelů, pouzdra a kryty spotřebičů, desky plošných spojů.
• Textilní průmysl: Syntetická vlákna jako polyester, nylon a elastan (spandex) se používají pro výrobu oděvů, koberců a technických textilií.
• Medicína: Sterilní obaly, injekční stříkačky, krevní vaky, chirurgické rukavice, implantáty, kloubní náhrady a systémy pro cílené uvolňování léčiv.
• Sport a volný čas: Sportovní vybavení jako lyže, helmy, funkční oblečení a míče využívá pokročilých polymerních materiálů.

🌍 Ekonomika a životní prostředí

Celosvětová produkce plastů, které tvoří největší část syntetických polymerů, neustále roste. V roce 1950 činila roční produkce přibližně 1,7 milionu tun, zatímco v posledních letech přesahuje 400 milionů tun. Tento obrovský objem výroby přináší jak ekonomické výhody, tak vážné ekologické výzvy.

Dlouhá životnost a odolnost polymerů, které jsou v mnoha aplikacích výhodou, se stávají problémem po skončení životnosti výrobku. Většina běžných syntetických polymerů není v přírodě snadno biologicky rozložitelná, což vede k hromadění plastového odpadu v oceánech a na skládkách. Řešením je recyklace plastů, vývoj bioplastů (polymerů z obnovitelných zdrojů nebo biologicky odbouratelných polymerů) a přechod na principy cirkulární ekonomiky.

Zdroje

Doučuji.eu Publi.cz Nano Technologie NT1 Struktura a vlastnosti polymerů Wikipedie - Polymer Rigad.cz Wikipedia - Polymer (EN) nano4house Wikipedie - Makromolekulární chemie Tribon - Technické plasty PCC Group Product Portal Techportál.cz VMD drogerie a parfumerie Wikipédia - Polymér (SK) Koplast.cz VŠCHT - Ústav chemické technologie restaurování památek Časopis Stavebnictví Publi.cz - Syntéza polymerů PCC Group Product Portal - Vlastnosti a aplikace Publi.cz - Rozdělení a charakteristika Syntetické makromolekulární látky (PDF) Wikipedie - Polyvinylchlorid Učitel chemie (PDF) Wikipedia - Polyvinylchlorid (DE) Publi.cz - Struktura polymerů maxnext.io IS MUNI - Struktura a vlastnosti polymerů (PDF) WasteTrade - Historie plastů Majk s.r.o. Ped.muni.cz - Plastické hmoty Carnegie Mellon University - Natural vs Synthetic Polymers YouTube - What Are The Types Of Natural Polymers? YouTube - What Are The Uses Of PVC? Sigma-Aldrich Chemie.gfxs.cz The properties of Polyvinyl chloride (PVC) Wikipedie - Polymerizace WikiSkripta VŠCHT - Polymery-úvod (PDF)