פולימר

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
(הופנה מהדף פולימרים)
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
פולימר מורכב משרשראות ענק מולקולריות הבנויות ממולקולות קטנות - מונומרים.

פּוֹלִימֶראנגלית: Polymer) הוא חומר העשוי ממולקולות ענק שרשרתיות המורכבות מיחידות חוזרות הקשורות ביניהן בקשרים קוולנטיים, או באמצעות קשרים תוך-מולקולריים חזקים אחרים. מקור השם "פולימר" הוא ביוונית: "פולי" משמעו הרבה, ו"מר" משמעו יחידה. יחידה בפולימר נקראת בשם "מונומר"; ביוונית: "מונו" משמעו אחד, ו"מר" משמעו יחידה.

תהליך החיבור של המונומרים ליצירת פולימר נקרא פִּילְמוּר.

פולימרים שמקורם מהטבע מכונים פולימרים טבעיים. בנוסף להם קיימת קבוצה גדולה נוספת של פולימרים מלאכותיים או חצי מלאכותיים שנקראים פולימרים סינתטיים וחצי-סינתטיים, בהתאמה.

תחומי המדע העיקריים שעוסקים במחקר של פולימרים הם: כימיה וביולוגיה, ובפרט, כימיה אורגנית, כימיה פולימרית, ביוכימיה, ביופיזיקה, ביולוגיה מבנית, וביוטכנולוגיה.

פיתוח תהליכי הייצור והעיבוד ההנדסיים של פולימרים הוא אחד מתחומי העיסוק של ההנדסה הכימית.

פולימרים הם המרכיב העיקרי של כל מוצרי הפלסטיק, והם הקובעים, כמעט, את כל תכונותיו.

מינוח (נוֹמֶנְקְלָטוּרָה)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בדרך כלל שמו של פולימר נקבע לפי המונומר המרכיב אותו יחד עם התחילית "פולי". אם מספר המונומרים גדול אפשר לכתוב את הנוסחה הכימית של הפולימר בצורה מקוצרת ולציין את מספר היחידות החוזרות. השם השיטתי יהיה:  פולי(שם מונומר).

דוגמאות:

  • פולי(וניל בנזין), או בשמו המסחרי פוליסטירן, הוא פולימר המורכב מיחידות חוזרות של המונומר וניל בנזין (סטירן).
  • פולי(אתֶן), או בשמו המסחרי פוליאתילן, הוא פולימר המורכב מיחידות חוזרות של המונומר אתן (אתילן).
  • פולי(פרופֶן), או בשמו המסחרי פוליפרופילן, הוא פולימר המורכב מיחידות חוזרות של המונומר פרופן (פרופילן).

לעיון מורחב: עקרונות המינוח של פולימרים - גרסה מקוצרת, גרסה ארוכה

סימונים מקובלים[עריכת קוד מקור | עריכה]

שרטוט של מבני לואיס למולקולות פולימר הוא דבר שאינו מקובל, וגם על סף הבלתי אפשרי, וזאת בשל גודלן העצום של מולקולות הפולימר. כתחליף, משרטטים את היחידה החוזרת בפולימר, תוך תחימה שלה בסוגרים מרובעים. מחוץ לסוגרים יש לציין את מספר הפעמים בו היחידה חזרה (ניתן גם להשאיר כנעלם n).

כדי לבדוק אם כתבנו את יחידת המבנה של הפולימר בצורה נכונה, יש לשכפל את יחידת המבנה אל שני הצדדים, ולבדוק שאכן התקבל הפולימר שאותו ביקשנו לצייר.

דוגמאות ליחידות חוזרות של פולימור
Polypropylene.svg

היחידה החוזרת בפוליפרופילן

Polystyrene.svg

היחידה החוזרת בפוליסטירן

Lexan.svg

היחידה החוזרת בפוליקרבונט

מיון של פולימרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

מקובל למיין פולימרים על סמך אחת או יותר מהאפשרויות הבאות:

מקור[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – רשימה של פולימרים סינתטיים

סדר המונומרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • הומופולימרים - פולימרים הבנויים מסוג אחד של מונומר.
  • קופולימרים - פולימרים הבנויים מסוגים שונים של מונומרים.

טקטיות - פריסת המתמירים במרחב[עריכת קוד מקור | עריכה]

בחלק מהפולימרים תיתכן אפשרות לקיומם של מרכזים כיראלים (נובע מאסימטריה על האטום המרכזי כתוצאה מנוכחותם של ארבעה מתמירים שונים). במצב זה ניתן למנות שלוש אפשרויות לסידור של המתמירים על השרשרת הפחמנית העיקרית:

  • איזוטקטיות - כול המתמירים שעל השלד המרכזי של הפולימר פונים לאותו הכיוון. עשוי להתקבל עבור פולימרים המסונתזים עם זרז (כגון, זרז זיגלר-נאטא).
  • סינדיוטקטיות - המתמירים בעלי כיווניות מסורגת.
  • אטקטיות - המתמירים בעלי כיווניות אקראית. עשוי להתקבל עבור פולימרים המסונתזים בפילמור רדיקלי ללא זרז.

התנהגות בחום[עריכת קוד מקור | עריכה]

השוואה בין Tg ל- Tm
Tg - טמפרטורת המעבר הזכוכיתית Tm - טמפרטורת ההיתוך
מתייחס לשינויים באזורים האמורפים שבפולימר. מתייחס לשינויים באזורים הגבישים של הפולימר.
ב Tg לא חל שינוי במצב צבירה, החומר הופך מזגוגי לרך ונמתח. ב Tm חל שינוי במצב צבירה, פולימר מוצק הופך לנוזל.
Tg תלויה בחופש הפיתול של קטעי שרשרת, בגורמים מגבילי פיתול. תלוי בחוזק הקשרים הבין שרשרתים, ובשינוי אנטרופיית ההיתוך.
במעבר ממצב זגוגי למצב פלסטי נקלטת אנרגיה והטמפרטורה עולה בצורה רציפה, אך חל שינוי בשיפוע העלייה. במעבר ממוצק לנוזל נקלטת אנרגיה אך הטמפרטורה נשארת קבועה.
מעל Tg חל שינוי בתכונות מקרוסקופיות: הנפח הסגולי עולה, הקשיחות יורדת, הצפיפות יורדת. מעל Tm חל שינוי חד בתכונות המקרוסקופיות: הנפח הסגולי עולה, הקשיחות יורדת, הצפיפות יורדת.

קבוצות כימיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

המיון מתבצע על בסיס הקבוצה הכימית המרכזית בפולימר. לדוגמה: עבור פוליאתילן טרפתאלט, הקבוצה המרכזית היא אסטר, ולכן מדובר בפוליאסטר.

דוגמה נוספת: בניילון, הקבוצה המרכזית היא אמיד, ולכן מדובר בפוליאמיד.

מנגנון הפילמור[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • דחיסה - פולימרים אלה התקבלו מחיבור של מונומרים תוך שחרור של מולקולה קטנה אל מערכת הפילמור.
  • סיפוח - פולימרים אלה התקבלו מחיבור של מונומרים ללא שינוי במאזן האטומים.

מבנה שלד השרשרת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • פולימר קווי - בו שלד השרשרת הפולימרית אינו מכיל קבוצות צד גדולות (לדוגמה: PVC).
  • פולימר מסועף - בו שלד השרשרת הפולימרית מכיל קבוצות צד גדולות (לדוגמה: LDPE).
  • פולימר מצולב - בו יש חיבור חלקי או מלא בין שרשראות הפולימר (לדוגמה: גומי סינתטי).


רמת הגבישיות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • פולימר גבישי או גבישי למחצה (גבישיות בין 10% ל-80%) - בו שרשראות הפולימר ערוכות ברמת סידור גבוהה ובכיווניות אחידה יחסית. לדוגמה: פוליאתילן, פוליאתילן טרפתאלט.
  • פולימר אמורפי (גבישיות פחות מ-10%) - בו שרשראות הפולימר נמצאות במצב כאוטי, חסר סדר, וארגון.


גורמים המשפיעים על רמת הגבישיות:

  1. סדירות מרחבית של יחידות חוזרות בעלות סימטריה מעלה את רמת הגבישיות.
  2. נוכחות קבוצות קשיחות בעמוד השדרה בשרשרת, כמו טבעות בנזן.
  3. מסה מולרית גבוהה, והתפלגות מסה קטנה יעלו את רמות הגבישיות.
  4. חוזק קשרים בין שרשרתים (מגביל את חופש התנועה ומקבע את המולקולות למבנה גבישי).
  5. קצב קירור - קירור אטי יעלה את דרגת הגבישיות.
  6. שיטות עיבוד ניתן להגדיל את רמת הגבישיות על ידי מתיחה, ניפוח ועוד.

התנהגות מכנית[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • פלסטיק (מתייחס לתכונה המכנית ולא למונח שבשימוש) - פולימר מוצק וקשיח.
  • סיב - פולימר גמיש בעל אורך גדול בהרבה משטח החתך שלו.
  • אלסטומר - פולימר צמיגי עם דרגת אלסטיות גבוהה.

אורך הפולימר ומסתו[עריכת קוד מקור | עריכה]

מדדים לקביעת אורך הפולימר ומסתו:

  • מסה מולרית ממוצעת (M) - היא המסה של שרשרת פולימר ממוצעת ביחידות של גרם למול. המסה המולרית הממוצעת היא המכפלה של דרגת הפילמור במסה המולרית של היחידה החוזרת.
  • דרגת הפלמור (DP) - היא כמות היחידות החוזרות הממוצעת, הקיימת בחומר פולימרי מסוים. דרגת הפלמור מחושבת על ידי חלוקת המסה הממוצעת במסה המולרית של היחידה החוזרת.
  • אורך ממוצע בפריסה (r) - הוא המרחק בין קצוות של שרשרת פולימר פרוסה. הנוסחה היא: כש-n הוא כמות הקשרים בשרשרת, ו-l הוא ההיטל של המרחק בין שני אטומים סמוכים המחוברים ביניהם בקשר.
  • אורך ממוצע על פי מודל הסליל האקראי (ידוע גם כ"מודל השיכור") - זהה לאורך הממוצע בפריסה, אך במקום להכפיל במספר הקשרים, יש להכפיל בשורש מספר הקשרים.
אורך קשר.png

פילמור[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – פילמור

הפולימרים נוצרים בתהליך הנקרא פילמור (polymerization) בו מולקולות המונומרמגיבים) נקשרות זו לזו תוך יצירת שרשראות ארוכות, המהוות את הפולימר. שני סוגים עיקריים של פילמור קיימים:

לטכניקת הפילמור שנבחרה יש חשיבות מכרעת על תכונותיו הכימיות והפיזיקליות של הפולימר שהתקבל. שיטת הפילמור עשויה להכתיב את אורך השרשרת שתתקבל, את המסה המולקולרית הממוצעת לפולימר ואת חלוקת הגדלים היחסית של הפולימר. אלו ישפיעו על רמת הגבישיות, ומכאן גם על תכונותיו הפיזיקליות והמכניות של הפולימר, כגון: טמפרטורת היתוך, קשיות, אלסטיות ועוד.

יש מונומרים שניתן לפלמר בשתי השיטות, ולקבל בכל אחת מהן, פולימר בעל תכונות ומאפיינים שונים. על כן, נודעת חשיבות רבה לבחירת תהליך הפילמור.

מנגנוני הפילמור העיקריים
Vinylchloride polymerization.png

פילמור סיפוח

(בדוגמה: קבלת פוליוויניל כלוריד בפילמור סיפוח של המונומר ויניל כלוריד).

Polykondensation Nylon Übersicht.svgפילמור דחיסה

(בדוגמה: קבלת ניילון בפילמור דחיסה של דו-חומצה קרבוקסילית ודיאמין, תוך שחרור מולקולת מים).

תכונות מכניות[עריכת קוד מקור | עריכה]

בדיקת חוזק מתיחה בדגימה של פולימר

הגורמים המשפיעים על התכונות המכניות של פולימרים[עריכת קוד מקור | עריכה]

התנהגות של פולימרים תחת מאמצי שבירה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – מאמץ (הנדסה)

פולימרים עם רמת גבישיות גבוהה, סיעוף נמוך, וקשרים בין מולקולרים חזקים, יתעוותו פחות כתוצאה מאמצי כפיפה, מתיחה, גזירה ופיתול המופעלים עליהם. לעומת זאת, חוזק הנגיפה שלהם (שבירה כתוצאה ממכה פתאומית) נמוך יותר. עבור פולימרים שבירים האנרגיה המועברת במכה, לא מתפזרת היטב בשל חוסר גמישות של השרשרות.

מאמץ מתיחה - הפעלת כוח מתיחה על הפולימר משפיע בעיקר על ההערכות המרחבית של השרשרות, ועל המרחק ביניהם. במאמץ מתיחה פולימרים עשויים להגיב באחד משני האופנים הבאים:

  • התארכות אלסטית - אחרי מתיחה יש חזרה למצב הקודם. נגרמת בעיקר על ידי שינוי במרחק בין אטומים סמוכים, הנמצאים בשרשרות שונות או בחלקי שרשרת שונים של אותה שרשרת. בהתארכות זו עשויים להישבר קשרי ואן דר ואלס ו/או קשרי מימן. לכן הקשיחות תושפע מחוזק הקשרים בין השרשרות ומצפיפות האריזה, וכן ממבנה השרשרות ומנוכחות קבוצות קשיחות. ככל שהשרשרות קשיחות יותר וכוחות האחיזה בינן חזקים יותר, יש להשקיע מאמץ רב יותר כדי לשנות מיקום קטע אחד יחסית לשני ומודול האלסטיות עולה (המודול מתייחס רק לתחום ההתארכות האלסטי).
  • התארכות פלסטית - אחרי מתיחה אין חזרה למצב קודם. השרשרות מחליקות, אחוז גבישיות עולה. נגרמת על ידי שינויים מבניים, הכוללים זחילה והזחה של קטעי שרשרות זו ביחס לזו. במהלך ההתארכות ניתקים ונוצרים מחדש קשרים בין שרשרתיים הן באזורים האמורפיים והן באזורים הגבישיים.
תכונות מכניות של פולימרים נבחרים[1]
פולימר חוזק מתיחה MPa % ההתארכות ברקיעה חוזק נגיפה (ft-lb/inch)
פוליאתילן נמוך צפיפות 14 700 13.0
פוליפרופילן 30 400 1.5
טפלון 20 250 3.0
פוליסטירן 46 1-2 0.5
פולימתיל מתאקרליט 58 5 0.5
פוליוויניל כלוריד 60 10 0.8
פוליקרבונט 62 90 15.0

פולימרים מוליכים חשמל[עריכת קוד מקור | עריכה]

החל משנות ה-50 של המאה העשרים, עם התבססותה של התעשייה הפולימרית והעמקת המחקר בה, נמצא כי פולימרים מסוימים מציגים תכונות הולכה חשמלית החורגות בצורה משמעותית מהערכים המקובלים למבודדים.

תופעת המוליכות החשמלית הזו עוררה התלהבות עצומה בקרב הקהילה המדעית בשל הפוטנציאל העצום הטמון בפולימרים אלה, להשתלב ביישומים שונים כתחליף למתכות - "מתכות סינתטיות".[2]

התחום נמצא, מאז, בחזיתו של המחקר המדעי, שאת פירותיו אנו יכולים למצוא במגוון רחב של יישומיים, כגון: סוללות חשמליות, התקנים פולטי אור, טרנזיסטורים אורגנים, ציפוים לסרטי צילום ולמסכים, "חלונות חכמים", ואף עור מלאכותי להענקת יכולת חישה לרובוטים.[3]

אחד ההסברים למוליכות החשמלית של קבוצת הפולימרים הללו היא קיומן של מערכות מצומדות מלאות על כול אורכם של שרשרות הפולימר.[3]

דוגמאות ליחידות החוזרות של פולימרים מוליכים חשובים:

פולימרים מוליכים.png

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • Malcolm P. Stevens, Polymer Chemistry: An Introduction, Oxford University Press, 1999
  • Robert O. Ebewele, Polymer Science and Technology, CRC Press, 2000
  • לוי שגיב, פולימרים וחומרים פלסטיים, קרוננברג ספרות מקצועית, תל אביב
  • אילן ללוב, מקרומולקולות, המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן למדע

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ א. זליכה, מבוא לכימיה של פולימרים, אקדמון, 2003
  2. ^ שרה גנט, בחזית המחקר - פולימרים מוליכים, ידיעון כימיה טכנולוגיה וחברה, חוברת מס' 49, ‏תמוז התשנ"א, 1991
  3. ^ 3.0 3.1 ח'אלד מסאלחה ויעל שוורץ, פולימרים מוליכים, על כימיה, גיליון 20, ‏ינואר 2012