Polimero

Adizio-erreakzioetan, gehienetan, lotura bikoitz baten gaineko erreakzioa gertatzen da. Lehen urrats batean, lotura bikoitza apurtu egiten da (homolisi bidez edo heterolisi bidez) zenbait faktoreren eraginez, adibidez, hasarazlearen eraginez, beroaren eraginez edo erradiazio baten eraginez. Ondoren, zabalik dagoen lotura bikoitz horrek beste monomero baten lotura erasotzen du, eta hainbatetan prozesua errepikatuz, katea hazten doa. Kateari amaiera emateko modu bat baino gehiago dago, baina nagusia hazten ari diren bi kate aurrez aurre elkarrekin topo egitea da. Aipatutako urratsak (hasiera, hedapena eta bukaera) ez dira bata bestearen ondoren soilik gertatzen; izan ere, erreakzio-ontzian hasten ari diren kateekin batera, hedatzen ari diren beste batzuk egoten dira eta amaitu edo hiltzen diren beste batzuk. Adizio-erreakzio gehienak kate-erreakzioak dira, hau da, behin monomero bat aktibatuta (hasarazlearen eraginez, beroaren eraginez...) beste monomero bat gehitzen zaio, kate-erreakzio bati jarraituz.

Kate-erreakzio horiek erradikalen bidez edo ioien bidez gerta daitezke. Bi kasuetan, hasiera, hedapena eta bukaerako urratsak gertatzen dira, amaierarik gabeko erreakzio bizietan izan ezik. Adibidez, amaierarik gabeko anioi-polimerizazioetan kateak ez dira berez amaitzen, eta monomeroa agortutakoan, kateek bizirik jarraituko dute, monomero gehiago hartzeko prest. Polimerizazio-modu hau oso erabilia da, esaterako, pisu molekularraren banaketa estuko laginak lortzeko (kate guztiak ia batera hasi eta denbora bera daukatelako hazteko) edo bloke-kopolimeroak lortzeko (lehenengo monomeroa agortutakoan beste bat gehituz).[8]

Poliestirenoaren kate-lineala.

Kondentsazio-erreakzioetan, kimika organikoko funtzio-taldeen arteko erreakzio arruntak gertatzen dira, hau da, azidoen eta alkoholen arteko erreakzioak, azidoen eta aminen arteko erreakzioak eta abar. Erreakzio horien ondorioz ez dira molekula organiko arruntak eratzen, polimeroak lortzeko helburuarekin egiten direlako. Horretarako, ezinbestekoa da abiapuntu diren monomeroek edo erreaktiboek funtzio-talde bat baino gehiago izatea, adibidez, diazido eta dialkohol bat, edo diazido eta diamina bat, edo aminoazido bat.

Kondentsazio-erreakzioetan ez dira hiru urratsak (hasiera, hedapena eta bukaera) bereizten, erreakzioaren hasieratik monomero guztiak erreakzionatzeko gai direlako, eta erreakzioak aurrera jarraitzen duelako, funtzio-talde guztiak amaitu arte. Beraz, ikuspegi zinetikotik kondentsazio-erreakzioak etapaka gertatzen diren polimerizazio-erreakzioak dira.[9]

Erreakzioa zein egoera fisikotan gertatzen den kontuan hartu behar da, egoera fisikoaren arabera, etekina eta lortuko den polimeroaren ezaugarriak oso ezberdinak izango direlako.

Kasurik sinpleena erreakzio-ontzian beharrezko monomero, hasarazle eta antzerako katalizatzaileak soil-soilik daudenean gertatzen dena da. Polimerizazio horri masan gertatutako polimerizazio esaten zaio (ingelesez, bulk delakoa), eta zaila izaten da industria mailan egitea. Polimerizazio-erreakzio asko exotermikoak izaten dira, hau da, erreakzioa gertatu ahala, sistema berotzen doa, eta erreakzioaren trukaera edo aurrerapena handia denean, likatasuna ere handia izango denez, arazoak egon ohi dira beroa ongi xahutu eta sistemaren tenperatura kontrolatzeko. Horregatik, masan gertatutako polimerizazioak ez dira gehiegi erabiltzen industrian, eta gehiago dira laborategietan egindako esperimentuak.

Erreakzioa disoluzioan gerta daiteke. Horretarako, erabilitako disolbatzaileak eratzen doan polimeroarekin nahaskorra izan behar du eta, horregatik, disolbatzaile organikoak erabiltzea izaten da ohikoena. Disolbatzailea erabiltzeak tenperatura kontrolatzeko aukera ematen du; sistemaren likatasuna txikiagoa izango denez, sistema maneiagarriagoa izango da, eta erreakzioari amaiera emateko modu desberdinak izango ditu, transferentziazko erreakzioak gerta daitezkeelako hazten ari diren kateen eta disolbatzailearen artean.

Polimerizazio-prozesuen artean talde garrantzitsua sistema heterogeneoek osatzen dutena da. Kasu hauetan sistemaren tenperatura ongi kontrolatu eta likatasuna ere handiegia ez izateko, disolbatzaile merke bat erabili ohi da, ura, hain zuzen ere. Horrelakoetan, erreakzio-sistema ez da homogeneoa izaten, normalean polimeroak ez baitira uretan disolbagarriak. Bi adibide daude, esekidurazko polimerizazioa (PVC lortzeko erabilia) eta emultsiotan gertatutakoa. Bietan erabiliena emultsiozko polimerizazioa da. Erreakzio-ontzian monomeroa, hasarazlea, substantzia tentsoaktiboak eta ura jartzen dira nagusiki. Agente tentsoaktiboari esker, mizelak eratzen dira, eta polimerizazio-erreakzioa nagusiki mizeletan gertatzen da. Emultsiotan lortutako polimeroak, normalean, oso pisu molekular handikoak izaten dira.

Polimero industrialak, oro har, eroale elektriko txarrak izaten dira eta, beraz, masiboki erabiltzen dira industria elektrikoan eta elektronikoan material isolatzaile gisa. Termoplastikoak, hala nola PVCa eta PEak, kable elektrikoak fabrikatzeko erabiltzen dira, eta ekipo elektronikoen karkasa ia guztiak ezaugarri mekaniko eta elektriko bikaineko termoplastikoez eraikitzen dira, iraupen eta ingurumenarekiko erresistentzia handikoak baitira, esaterako, ABS erretxinak.

Material plastikoen desabantaila nagusia da, jakina, tenperatura-aldaketen ondorioz pairatzen duten ezaugarri mekaniko eta geometrikoen galera. Hala ere, badaude tenperatura nahiko altuak (200 °C-tik gorakoak) jasateko gai diren materialak. Polimero eroaleak 1974an garatu ziren, eta oraindik aztertzen ari dira haien aplikazioak.

Polietileno komertzialaren laginen X izpien difrakzioaren bidezko azterketek erakusten dutenez, material hori 1.000 eta 150.000 CH2 - CH2 talde bitartean izan ditzaketen molekulez osatuta dago, eta antolamendu kristalino jakin bat duten eskualdeak ditu; beste batzuek, berriz, izaera amorfoa dute, eta kristalaren akastzat hartzen dira. Kasu honetan, antolamendu kuasikristalinoaren eragileak Van der Waals indarrak dira. Beste kasu batzuetan (nailon 66), ordenamenduaren eragileak H-ko loturena dira.

Tenperaturak garrantzi handia du polimeroen portaeran. Tenperatura baxuagoetan, polimeroak gogorrago bihurtu dira eta beira-ezaugarri jakin batzuk hartzen dituzte, materiala osatzen duten kateen arteko mugimendu erlatiboa galtzearen ondorioz. Kristal-eremuak urtzen diren tenperaturari fusio-tenperatura (Tf) esaten zaio. Beste tenperatura garrantzitsu bat deskonposiziokoa da, eta komenigarria da Tf baino nabariki handiagoa izatea.

Konposizioaren eta egitura molekularraren ondorio zuzena dira. Gaur egun, material polimeroen propietate mekaniko interesgarriak dira, eta propietate horiek hobetu egin behar dira konposizioa edo morfologia aldatuz, adibidez, polimeroak bigundu eta solido elastikoaren egoera berreskuratzen duen tenperatura aldatuz.

Denbora luzez, material plastikoen portaera mekanikoa ulertzeko saiakuntzak egin dira, polimero erretikulatuen eta kate molekular korapilatuen sarearen deformazioaren bidez.

• Polimero naturalak. Naturan polimero asko daude, eta izaki bizidunek eratzen dituzten biomolekulak makromolekula polimerikoak dira. Adibidez, proteinak, azido nukleikoak, polisakaridoak (zelulosa eta kitina), hulea edo kautxu naturala.

• Polimero erdisintetikoak. Polimero naturalak eraldatuz lortzen dira. Adibidez, nitrozelulosa eta  kautxu bulkanizatua.

• Polimero sintetikoak. Polimero asko industrialki lortzen dira monomeroen bidez. Adibidez, nailona, poliestirenoa, binil polikloruroa (PVC) eta polietilenoa.

• Polimero organikoak. Kate nagusian karbono-atomoak dituzte.

• Polimero organiko binilikoak. Molekulen kate nagusia karbono atomoz osatuta dago soilik. Horien artean, poliolefinak, polimero estirenikoak, polimero biniliko halogenatuak eta polimero akrilikoak bereiz daitezke.

• Polimero organiko ez-binilikoak. Karbonoaz gain, oxigeno edo nitrogeno atomoak dituzte kate nagusian. Zenbait azpikategoria garrantzitsu dira: poliesterrak, poliamidak eta poliuretanoak.

• Polimero ez-organikoak. Besteak beste: sufrean oinarritutakoak aipa daitezke, adibidez, polisulfuroak. Silizioan oinarritutakoak, adibidez, silikona.

Propietate eta erabileren arabera, polimeroak honela sailka daitezke:

• Elastomeroak. Elastikotasun- eta hedagarritasun-modulu oso txikiko materialak dira, hau da, asko deformatzen dira esfortzu bat aplikatzen zaienean, baina hasierako forma berreskuratzen dute esfortzua desagertzen denean. Luzatze- eta uzkurtze-ziklo bakoitzean, elastomeroek energia xurgatzen dute, erresilientzia izeneko propietate bat.

• Itsasgarriak. Atxikidura handia eta kohesio handia konbinatzen dituzten substantziak dira eta, horri esker, bi gorputz edo gehiago elkartu ditzakete gainazal-kontaktu bidez.

• Zuntzak. Elastikotasun-modulu handia eta hedakortasun txikia dute eta, horri esker, neurri egonkorreko ehunak egin daitezke.

• Plastikoak. Esfortzu nahiko handia egin ondoren, deformazio itzulezina duten polimeroak dira, eta ezin dira jatorrizko formara itzuli. Azpimarratu behar da plastiko terminoa batzuetan oker aplikatzen dela polimero guztiak izendatzeko.

• Estaldurak. Normalean likidoak diren substantziak dira, eta beste material batzuen gainazalean itsatsi, eta propietateren bat ematen diete, adibidez, urradurarekiko erresistentzia.

Polimeroak sailkatzeko forma enpiriko sinpleenetako bat da tenperatura jakin batetik gora berotzea. Materialak urtu eta jariatzearen arabera, hiru polimero mota bereizten dira:

• Elastomeroak: portaera elastikoa duten plastikoak, erraz deformatzen direnak loturak hautsi edo egitura aldatu gabe

• Termoegonkorrak: jariatzen ez diren polimeroak, eta berotuz gero lortzen den gauza bakarra da kimikoki deskonposatzea, ez isurtzea. Portaera hori molekulen desplazamendu erlatiboak eragozten dituzten gurutzatze askoko egituraren ondorio da.

• Termoplastikoak: berotzean jariatzen diren polimeroak (egoera likidora pasatzen dira) eta hoztean berriro gogortzen direnak (egoera solidora itzultzen direnak). Egitura molekularrak gurutzatze gutxi (edo batere ez) ditu. Adibide aipagarriak dira polietilenoa (PE), polipropilenoa (PP) eta polibinil kloruroa PVC.