Polymer

Polymerer (från grekiskans πολύ - poly som betyder flera och μέρος - meros som betyder delar)^[1] är kemiska föreningar som består av mycket långa kedjor byggda av upprepade mindre enheter, monomerer. Polymerkedjor skiljer sig från andra kedjemolekyler inom den organiska kemin därför att de är mycket längre än exempelvis kedjorna i alkoholer eller organiska syror. Reaktionen som sker när monomererna blir en polymer kallas polymerisation.

Polymerer i form av konstruktionsmaterial kallas i dagligt tal för plaster. Med plaster menas emellertid konstruktionsmaterial som baseras på polymerer, i allmänhet med olika tillsatser för att ge materialet önskade egenskaper. Det kan till exempel vara färger eller mjukgörare. Polymera material brukar delas in i följande.

Inom den naturvetenskapliga forskningen har man andra indelningar med fler undergrupper såsom hyperförgrenade polymerer, dendrimerer, geler och supramolekylära polymerer.

Ett exempel är polypropen (PP) även kallad "polypropylen" som byggs upp av monomeren propen. Polymerer är nästan alltid organiska men kan i vissa fall vara oorganiska. Ett exempel på en oorganisk polymer är silikonplast som består av polysiloxaner, där kedjan byggs upp av kisel- och syreatomer.^[2]

Egenskaper

Polymera material har i allmänhet låg densitet i förhållande till deras mekaniska styrka.

Molekylär uppbyggnad

Polymerers egenskaper påverkas av vilka monomerer polymeren innehåller samt monomerernas sammansättning. Det är därför viktigt att kunna beskriva polymerkedjan. För att göra detta talar man om kedjans konfiguration, konformation och konstitution. Konfiguration beskriver atomgruppens ordning i rymden, det vill s�ga om kedjan eventuellt best�r av asymmetriska monomerer. Konstitution beskriver kedjans kemiska uppbyggnad, det vill s�ga hur monomererna �r f�sta p� kedjan och hur kedjan �r f�rgrenad. Konformation beskriver kedjans form, det vill s�ga hur den kan vrida sig.

Om en polymer enbart best�r av en sorts monomer kallas polymeren f�r en homopolymer. Best�r den ist�llet av fler �n en sort monomer, kallas den f�r sampolymer.

Polymerens struktur

Polymerer kan inte existera i gasfas. Vid h�ga temperaturer s�nderdelas helt enkelt polymerkedjorna. Alla polymerer har en s.k. glasomvandlingstemperatur, T_g, d�r en �verg�ng sker fr�n ett h�rt och spr�tt tillst�nd under T_g till en mjukare form n�r temperaturen �verstiger denna temperatur. Polymerer som �r delvis kristallina har �ven en sm�ltpunkt, T_m, vid en h�gre temperatur �n T_g. En s�dan saknas dock hos helt amorfa polymerer, som i st�llet har en gradvis �verg�ng till ett alltmer flytande tillst�nd n�r temperaturen h�js. Tv�rbundna polymerer saknar sm�ltpunkt, eftersom tv�rbindningarna hindrar �verg�ng till flytande tillst�nd.

Historia

Naturgummi �r ett exempel p� en polymer som anv�nts mycket l�nge (tusentals �r). Andra naturliga polymerer �r cellulosa, kautschuk (ej vulkaniserat r�gummi), nukleinsyror och proteiner.

1909 uppfann den belgisk-amerikanske kemisten Leo Baekeland polymeren fenolformaldehyd som bildar fenolplast, �ven kallad bakelit. Detta genom att f�rst kondensera fenol och formaldehyd som sedan under v�rme sammanpressas med tr�mj�l. 1839 uppfann amerikanen Charles Goodyear vulkaniseringsprocessen, en tv�rbindningsprocess d�r kautschuk behandlas, under v�rme och tryck, med svavel. Under 1920-talet b�rjade man f�rst� sig p� att molekylerna i dessa material bygger p� upprepade monomerer. PVC uppfanns 1927, polymetylmetakrylat (PMMA, plexiglas) uppfanns 1936, polystyren (PS) och polyamid (PA, nylon) uppfanns b�gge 1938.

Polymerisation

Huvudartikel: Polymerisation

Processen d� man sammanbinder sm� molekyler, kallade monomerer, till kovalent bundna kedjor kallas polymerisation. Under polymerisationen kan vissa kemiska grupper f�rsvinna fr�n varje monomer. Den delen av varje monomer som bildar en polymer kallas f�r en repeterande enhet.

Laboratorium

Metoderna f�r laboratoriesyntetisering delas oftast in i tv� kategorier: kondensationspolymerisation och additionspolymerisation. Det finns �ven nyare metoder, som plasmapolymerisation, som inte passar in i n�gon av kategorierna. Syntetisk polymerisation kan startas med hj�lp av en katalysator. Mycket forskning ligger p� att skapa en rationell syntes av biopolymerer, till exempel peptider, i laboratorium.

Biologisk

Det finns fyra grupper av biopolymerer: polysackarider, polypeptider, lipider och polynukleotider. I levande celler kan dessa syntetiseras av en enzymprocess, till exempel bildningen av DNA som katalyseras av DNA-polymeras.

Modifiering av naturliga polymerer

M�nga kommersiella polymerer syntetiseras genom kemisk modifikation av naturliga polymerer. Viktiga exempel �r reaktionen mellan salpetersyra och cellulosa som bildar bomullskrut och bildningen av vulkaniserat gummi genom att v�rma upp naturligt gummi i en svavelrik milj�.

Anv�ndning som material

Polymerer indelas efter graden av syntes i helsyntetiska (exempelvis eten-, styren- och fenoplaster som Bakelit), samt syntetgummi (bland annat Neoprene) och halvsyntetiska material (till exempel celluloid, ebonit och naturgummi).

Helt naturliga polymera material f�rekommer ocks�, bland annat b�rnsten, l�der och cellulosa.

Ben�mningen "polymer" och dess underformer avser i den n�rmast f�ljande texten endast hel- och halvsyntetiska polymermaterial.

Polymera material indelas efter sina tekniska egenskaper i plaster som efter tillverkning blir styva med liten elastisk t�jbarhet, och elaster (gummi) som efter tillverkning blir mjuka med stor elastisk t�jbarhet.

Plaster indelas efter sin molekyl�ra uppbyggnad och d�rav f�ljande tekniska egenskaper i termoplaster och h�rdplaster (duroplaster)

Det �r molekylkedjan, inte plasten, som p� grund av sitt utseende ben�mns med prefixet poly- t.ex. polyeten. Etenplast �r exempelvis en polyeten-polymer.

Den f�rsta ben�mningen p� plaster var "konsthartser".

Materialets historia

F�ljande framst�llning ger en mycket �versiktlig redovisning av huvuddragen i historien kring plast och gummi. F�r ytterligare information se litteraturen.

Redan p� 1530-talet framst�lldes i Tyskland ett slags kaseinplast som anv�ndes i intarsiainl�ggningar. Det �r os�kert om denna produkt f�rekom i Sverige.

P� 1840-talet tillverkades ebonit, ett halvsyntetiskt h�rdgummi med h�g svavelhalt, f�r tillverkning av bland annat pianotangenter. P� 1860- eller 1870-talet utvecklades det halvsyntetiska cellulosanitratet celluloid som anv�ndes till biljardbollar, bordtennisbollar och leksaker.

�r 1907 utvecklar "plastindustrins fader", professor Baekeland i USA, ett recept fr�n 1872 p� syntetisk harts som blir den f�rsta helsyntetiska plasten: fenolplast (PF) eller Bakelit, baserad p� formaldehyd och fenol eller kresol. I detta skede introduceras �ven syntetiska mjukgummiprodukter av metylgummi, i f�rsta hand till bild�ck.

Lite senare, 1912, fick dr Klatte i Tyskland patent p� framst�llning av vinylf�reningar (se Plastics). PVC b�rjade tillverkas kommersiellt i USA och Tyskland i mitten av 1930-talet och produktionen i Sverige startade f�rst 1945.

S�kerhetsglas, som bestod av tv� glasrutor sammanlimmade med en akrylsyraester, uppfanns i Tyskland 1927. Omkring 1930 kom akrylplast (PMMA), till exempel Plexiglas och Perspex, samt elasten Buna-S. Elasten Neopren (CR) lanserades 1931.

I mitten och slutet av 1930-talet uppfanns polyvinylacetat (PVAC), amidplast (nylon, PA), styrenplast (PS), uretanplast (PUR) och melaminplast (MF).

Omkring 1940 kom esterplast (UP), d�refter den f�rsta etenplasten (PE) samt 1948 slagt�lig PS och epoxiplast (EP). F�rst 1953 kunde man med hj�lp av katalysator framst�lla etenplast vid rumstemperatur.

Under 1950- och 1960-talen uppfanns akrylnitril-butadienstyrenplast (ABS-plast), propen- (PP) och karbonatplast (PC), samt den starka fiberplasten Kevlar.

Plastinredningar till kylsk�p i svensk produktion p� 1950-talet utf�rdes i PS. Under 1960- till 1980-talen ersattes den av ABS medan man p� 1990-talet �vergick till HIPS.

Den forskning och utveckling av polymermaterial som p�g�r sedan 1970-talet �r inriktad p� att f� fram starkare material och elektriskt ledande plaster genom utveckling av befintliga material och framst�llning av nya materialtyper.

Under 1990-talet har �ven ett ekologiskt t�nkande vunnit terr�ng i form av resurssn�lhet och �tervinning vid hantering. �ven utvecklingen av "den sj�lvl�kande plasten" �r p� g�ng.

Se �ven

Referenser

Noter

^ McCrum, Buckley och Bucknal (1997). Principles of Polymer Engineering. Oxford Unviersity Press. sid. 19. ISBN 978-0-19-856526-0
^ Klason och Kubát (1978). Plaster - materialval och materialdata. Industrilitteratur AB. sid. 10. ISBN 91-7548-618-0

Källor

Becker & Bertilsson (2000) Polymera material - kompendium, Institutionen för polymera material, Chalmers tekniska högskola: Göteborg
Borén, Moll, Hellström, Lillieborg, Lif och Lindh (1984) Kemi2 för gymnasieskolan Esselte Studium AB:Stockholm
Callister (1997) Materials Science and Engineering - An Introduction, John Wiley & Sons, Inc: USA
Nationalencyklopedin 15. Bra Böcker. 1989. sid. 204. ISBN 91-7024-621-1
Sherwood, Martin (1990). Kemin, Grundämnen & föreningar. Bonniers. sid. 100. ISBN 91-34-50893-7
Additiv i PVC Märkning av PVC, rapport 6/96, Kemikalieinspektionen, 1996
Berge, Bjørn, Byggematerialernes økologi, Universitetsforlaget AS, 1992
Handboken Bygg band 2 Material, olika upplagor, AB Byggmästarens förlag/ Liber förlag, 1948, 1961, 1968 och 1984
Karlebo Materiallära, utgåva 13, Liber AB, 1997
Krughoff, Olof, Plastordlista, Plastbranschens informationsråd, 1997
Materiallära, Maskinaktiebolaget Karlebo 1948
Miljön, hälsan och tillsatser i PVC-plast, Kemikalieinspektionen och Naturvårdsverket, 1996
Nationalencyklopedin, Bra böckers förlag, 1989-96
Perstorpsboken -plastteknisk handbok, Maskinaktiebolaget Karlebo, 1975
Plastadditivprojektet - Metaller i plast, PM nr 11/94, Kemikalieinspektionen, 1994
Plaster, Materialflöden i samhället Redovisning till regeringen del 2,rapport 4505, Naturvårdsverket, 1996
Plastics, katalog från utställningen Plastics på Kulturhuset i Stockholm, 1993
Plast- och gummiteknisk ordlista, TNC 84, SIS Standardiseringskommissionen i Sverige och TNC tekniska nomenklaturcentralen, 1986
Plastskolan, Plastbranschens informationsråd, 1997
Tekniska rapporter, olika ämnesområden, Svensk Byggtjänst, olika utgivningsår
Tepfers R., Kompendium i byggnadsmaterial, allmän kurs, del 2, Chalmers tekniska högskola, 1975
Tidens tand, Riksantikvarieämbetet, 1999
Tillsatser i plast Slutrapport från plastadditivprojektet, rapport 15/95, Kemikalieinspektionen, 1995
Vad ska vi göra med PVC-avfallet Redovisning av ett regeringsuppdrag, rapport4594, Naturvårdsverket 1996
Viktiga materialflöden, Naturvårdsverket, 1994
Yarahmadi, Nazdaneh och Jakubowicz, Ignacy, Återvinning av polymera material från gamla byggnader, forskningsrapport från Sveriges Byggindustrier, 2003

Externa länkar

”Materialguiden” ( PDF (CC-BY-2.5)). Riksantikvarieämbetet. 2013. sid. 373. http://kulturarvsdata.se/raa/dokumentation/d58730a0-6e11-40ec-874e-d5711b593e36.

[1] McCrum, Buckley och Bucknal (1997). Principles of Polymer Engineering. Oxford Unviersity Press. sid. 19. ISBN 978-0-19-856526-0

[2] Klason och Kubát (1978). Plaster - materialval och materialdata. Industrilitteratur AB. sid. 10. ISBN 91-7548-618-0

[1]

[2]