ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Πολυμερισμός είναι η συνένωση δύο ή περισσότερων μορίων μιας ένωσης για να σχηματίσουν άλλη ένωση με την ίδια ποσοτική και ποιοτική σύσταση, αλλά πολλαπλάσιο μοριακό βάρος.

Το μοριακό βάρος λαμβάνεται συνήθως σαν μέτρο του μεγέθους του μορίου. Το μέγεθος του μορίου είναι από τα κυριότερα χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τις ιδιότητες των πολυμερών.

Τα πολυμερή έχουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες από τις αρχικές ενώσεις, που λέγονται μονομερή. Τα μονομερή είναι ενώσεις από άνθρακα και υδρογόνο στο μεγαλύτερο ποσοστό, πού ενώνονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν μια ατελείωτη ποικιλία σε σχηματισμούς με μορφή αλυσίδας.

 

ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ

Οι πολυμερείς ενώσεις εμφανίζονται στη φύση (π.χ. κυτταρίνη, ένζυμα, φυσικό καουτσούκ, πυριτικό οξύ),  αλλά μπορούν να παρασκευαστούν και συνθετικά (π.χ. νάυλον, σιλικόνη, εποξείδια, πολυουρεθάνη).

Βάσει του μηχανισμού της αντιδράσεως, ο πολυμερισμός διακρίνεται σε:

  • Αλυσωτό πολυμερισμό, όπου πρακτικά ενώνονται οι ίδιες μονομερείς ενώσεις
  • Σταδιακό πολυμερισμό, όπου μπορούν να ενωθούν οποιαδήποτε μονομερή βρίσκονται παρόντα στο μίγμα της αντίδρασης. Ο σταδιακός πολυμερισμός περιλαμβάνει τις αντιδράσεις:
    • πολυπροσθήκης και
    • πολυσυμπύκνωσης

Πολυμερή μπορούν να παρασκευαστούν και με τη χημική τροποποίηση άλλων πολυμερών ενώσεων.

Η φυσική συμπεριφορά των πολυμερών, επιβάλλει μια συσχέτιση με τη μοριακή τους δομή, με αποτέλεσμα να κατατάσσονται σε:

  • Θερμοπλαστικά, που αποκτούν πλαστικότητα και μορφοποιούνται με την επίδραση της θερμοκρασίας και της πιέσεως. Το φαινόμενο αυτό είναι αντιστρεπτό και το πολυμερές μπορεί να θερμανθεί και να μεταβεί στην πλαστική κατάσταση, χωρίς καμία χημική μεταβολή.
  • Θερμοσκληρυνόμενα, που στην τελική φάση επεξεργασίας με την επίδραση της θερμότητας αποκτούν διασταυρούμενες ενώσεις προς σχηματισμό πλέγματος. Το δημιουργούμενο πλέγμα είναι πολύ συνεκτικό με αποτέλεσμα το φαινόμενο να είναι μη αντιστρεπτό, δηλ. το πολυμερές δεν μπορεί να μεταβεί στην πλαστική κατάσταση με τη θέρμανση.
  • Ελαστομερή, που αποκτούν και αυτά διασταυρούμενες ενώσεις, χωρίς όμως να σχηματίζουν πλέγμα. Έτσι, διατηρούν μεγάλη ελαστικότητα και κατά τον εφελκυσμό παρουσιάζουν μεγάλη επιμήκυνση, με ταχεία και πλήρη επαναφορά.

 

Τα πολυμερή ανάλογα με τη μορφή στην οποία διατίθενται προς επεξεργασία, διακρίνονται σε:

  1. Συνθετικές ρητίνες, που μπορεί να είναι σε υγρή ή τηκόμενη στερεή μορφή και
  2. Μάζα μορφώσεως, που συνήθως έχει στερεή μορφή (π.χ. κόκκοι, ίνες) που μορφοποιείται υπό θέρμανση και πίεση σε μηχανές επεξεργασίας.

Τα πολυμερή σε στερεή μορφή, μπορεί να είναι άμορφα ή ημικρυσταλλικά.

Η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η μεταβολή από την υγρή στη στερεή κατάσταση, ονομάζεται σημείο μετάπτωσης.

Ειδικότερα για τα άμορφα πολυμερή , η θερμοκρασία στην οποία παρατηρείται μια απότομη μεταβολή του ειδικού όγκου , ονομάζεται σημείο υαλώδους μεταπτώσεως (Tg).

Η εμφάνιση των θερμικών μεταπτώσεων ασκεί μια έντονη επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες των πολυμερών.

Έτσι σε θερμοκρασίες μικρότερες από το σημείο μετάπτωσης το υλικό  είναι σκληρό, δεν παραμορφώνεται εύκολα και ακολουθεί την ελαστική συμπεριφορά κατά Hooke. Σε θερμοκρασίες  μεγαλύτερες από το σημείο μετάπτωσης, το πολυμερές συμπεριφέρεται σαν ένα μαλακό ιξωδοελαστικό υλικό.

Η ανάπτυξη κρυσταλλικής φάσεως σε ένα άμορφο πολυμερές, επηρεάζει πολλές ιδιότητές του.  Οι εντονότερες επιδράσεις παρατηρούνται στο σημείο τήξεως, την οπτική διαύγεια, τη διαλυτότητα σε διαλύτες, τη διαπερατότητα από αέρια και τις μηχανικές ιδιότητες.

 

ΧΡΗΣΕΙΣ

Η βιομηχανία πολυμερών διαχωρίζεται στη βιομηχανία παραγωγής και στη βιομηχανία μορφοποίησης.

Η βιομηχανία παραγωγής πολυμερών στηρίζεται σε πρώτες ύλες, που προέρχονται από το πετρέλαιο,  το φυσικό αέριο ή τον ορυκτό άνθρακα. Με τη διεξαγωγή της παραγωγικής αυτής διαδικασίας προκύπτει το πολυμερές, το οποίο  μπορεί να θεωρηθεί ως «ενδιάμεσο προϊόν», που προορίζεται να χρησιμοποιηθεί στην επόμενη φάση.

Η βιομηχανία μορφοποιήσεως πολυμερών χρησιμοποιεί ως πρώτη ύλη το προηγούμενο πολυμερές. Με κατάλληλες μεθόδους και μηχανές επεξεργασίας μορφοποιείται το τελικό προϊόν στην επιθυμητή μορφή.

Λόγω των ποικίλων και αξιόλογων ιδιοτήτων τους, αλλά και των μεγάλων δυνατοτήτων επεξεργασίας τους, τα πολυμερή βρίσκουν πολύ μεγάλη εφαρμογή σε διάφορους τομείς.

Ενδεικτικά αναφέρονται οι ακόλουθοι τομείς των πολυμερών σε μορφή συνθετικών ρητινών:

Χρώματα και επικαλυπτικά

Η ευρύτερη εφαρμογή των ρητινών γίνεται στον τομέα των επικαλυπτικών με καλές ηλεκτρικές ιδιότητες και αντοχή σε χημικά μέσα. Χρησιμοποιούνται ευρέως για αντιδιαβρωτική προστασία χαλύβδινων σωλήνων και εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία ελαίων και αερίων, σε σωληνώσεις για τη μεταφορά πόσιμου νερού, σε ράβδους οπλισμού σκυροδέματος κλπ.

 

Ρητινούχα επικαλυπτικά χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στην αυτοκινητοβιομηχανία.

Οι εποξειδικές ρητίνες χρησιμοποιούνται επίσης σε μεγάλο ποσοστό για δάπεδα υψηλών απαιτήσεων και για διακοσμητικά δάπεδα.

 

Συγκολλητικά

Τα ρητινούχα συγκολλητικά ανήκουν στα συγκολλητικά εκείνα που ονομάζονται «δομικά συγκολλητικά». Τα υψηλών απαιτήσεων υλικά χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αεροσκαφών, αυτοκινήτων, ποδηλάτων κλπ όπου απαιτούνται υψηλές αντοχές πρόσφυσης.

Μπορούν και συγκολλούν ξύλο, μέταλλο, γυαλί, πέτρα και κάποια πλαστικά.

Μπορεί να είναι εύκαμπτα ή δύσκαμπτα, διαφανή ή αδιαφανή/έγχρωμα, σκληρυνόμενα γρήγορα ή πολύ αργά και είναι γενικώς ασυγκρίτως καλύτερα από τα κοινά συγκολλητικά όσον αφορά την αντίστασή τους στη θερμότητα και στα χημικά.

 

Βιομηχανικά εργαλεία παραγωγής και σύνθετα υλικά

Οι ρητίνες χρησιμοποιούνται για την παραγωγή καλουπιών, μοντέλων, αντικολλητών φύλλων, στη χύτευση και στη βιομηχανική παραγωγή βοηθημάτων.

Χρησιμοποιούνται επίσης στην παραγωγή στοιχείων ενισχυμένων με ίνες ή από σύνθετα υλικά.

Ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα

Οι εποξειδικές ρητίνες εφαρμόζονται στη βιομηχανία των ηλεκτρονικών, σε κινητήρες, γεννήτριες, μετασχηματιστές, στον εξοπλισμό διανομής μεγάλων ηλεκτρικών φορτίων, στους μονωτήρες μετασχηματιστών και στους μονωτήρες.  Οι εποξειδικές ρητίνες είναι εξαιρετικοί ηλεκτρικοί μονωτές και προστατεύουν τα ηλεκτρικά στοιχεία από μικρά κυκλώματα, σκόνη και υγρασία.

 

Ναυτιλιακές εφαρμογές

Τα ρητινούχα υλικά χρησιμοποιούνται ως εξωτερική στρώση των σκαφών.  Επίσης, χρησιμοποιούνται κατά την επισκευή και συναρμολόγησή τους.

 

Αεροδιαστημικές εφαρμογές

Στην αεροδιαστημική βιομηχανία, οι εποξειδικές ρητίνες εφαρμόζονται ως το υλικό της δομικής μήτρας, το οποίο μετά ενισχύεται με ίνες, όπως υάλου, άνθρακος, Kevlar και βορίου. Επίσης χρησιμοποιούνται ως δομική κόλλα.

 

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Στον τομέα των κατασκευών έχουν ευρεία χρήση τα εποξειδικά υλικά.

Τα εποξειδικά υλικά είναι υλικά δύο συστατικών Α και Β.

Το συστατικό Α περιέχει την εποξειδική ρητίνη μαζί με κάποια πρόσθετα, τα οποία καθορίζονται ανάλογα με τις ιδιότητες που θέλουμε να προσδώσουμε στο τελικό προϊόν.

Το συστατικό Β περιέχει τον σκληρυντή και πιθανόν και κάποια άλλα πρόσθετα.

Η ανάμιξη των δύο συστατικών Α και Β ολοκληρώνει τη διαδικασία του πολυμερισμού, δημιουργώντας ένα πλέγμα και επομένως η σύνθεση αυτή κατατάσσεται στην κατηγορία των θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών.

Τα εποξείδια είναι κυκλικοί αιθέρες, το αιθερικό οξυγόνο των οποίων συμμετέχει στον σχηματισμό ετεροκυκλικού δακτυλίου.

Untitled-1

Το απλούστερο οξείδιο είναι το αιθυλενοξείδιο, το οποίο παρασκευάζεται είτε με απ’ευθείας οξείδωση του αιθυλενίου είτε με αλκαλική υδρόλυση της αντίστοιχης χλωρυδρίνης.

Untitled-2

Μια ενδεικτική διεργασία δημιουργίας γραμμικών μορίων εποξειδικής ρητίνης είναι η ακόλουθη:

Untitled-4
Untitled-5

Όπως, προκύπτει από τα ανωτέρω οι εποξειδικές ρητίνες παρασκευάζονται με τη διαδικασία του σταδιακού πολυμερισμού και ειδικότερα με την μέθοδο της πολυπροσθήκης.
Η τελική φάση του πολυμερισμού με την προσθήκη του αντίστοιχου σκληρυντή (που μπορεί να είναι κάποια πολυαμίνη ή πολυαμίδιο ή αμινοαμίδιο), αποδίδεται ως εξής:

Untitled-7

Σε πολλά πολυμερή χρησιμοποιούνται διαλύτες. Σε όλες τις περιπτώσεις, η παρουσία του διαλύτη έχει σαν σκοπό την πρόσκαιρη μείωση του ιξώδους, προκειμένου να καταστεί ευχερέστερη η εφαρμογή του υλικού. Στη συνέχεια ο διαλύτης εξατμίζεται, οπότε το πολυμερές επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση.
Γενικά, τα άμορφα πολυμερή διαλύονται σε μεγάλο αριθμό διαλυτών, ενώ τα ημισκρυσταλλικά μόνο σε θερμοκρασίες κοντά στο σημείο τήξεως.
Τα πολυμερή με δομή πλέγματος δεν διαλύονται σε όλες τις θερμοκρασίες, αλλά διογκώνονται. Η διόγκωση μπορεί να είναι μεγάλη, εάν η δομή του πλέγματος δεν είναι πολύ πυκνή και ο διαλύτης που εξετάζεται διαλύει το γραμμικό ανάλογο του πλέγματος.

ΑΝΑΦΟΡΕΣ
1) BILLMEYER F.: “Textbook of Polymer Science”, Wiley-Interscience.
2) BRYDSON A.J.: “Polymer Science”, Vol. 1, North Holland, Amsterdam.
3) Εγκυκλοπαίδεια ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
4) ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ – Γ. Χρ. Σημιτζής, Δρ. Χημικός Μηχανικός
5) ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ – Μ. Καμπούρη – Κ. Παπασπυρίδη
6) ΕΠΟΞΕΙΔΙΚΕΣ ΡΗΤΙΝΕΣ – ΝΟΤΑ ΜΟΙΡΑ Χημ. Μηχ
7) MILLER M.: “The Structure of Polymers”, Reinhold, New York.
8) MILLER R.: “Encyclopedia of Polymer Science and Technology”, Vol. 4, Interscience.
9) SWEETING O.J.: “The Science and Technology of Polymer Films”, Vol. 1, Interscience.
10) WILLIAMS D.: “Polymer Science and Engineering”, Prentice-Hall.
11) Schildknecht C.E., “Polymer Processes”, in High Polymers”, Vol X, Interscience Pablishers Inc. New York-London.
12) Tadmor Z., Gogos C.G., “Principles of Polymer Processing”, SPE Monographs. A Wiley-Interscience Publications, New York-Brisbane-Chichester-Toronto.
13) Miles D.C., Briston J.H., “Polymer Technology”, Chemical Publishing Co., Inc., New York, N.Y.