פולימר

פולימר מורכב משרשראות ענק מולקולריות הבנויות ממולקולות קטנות – מונומרים

פּוֹלִימֶר (באנגלית: 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

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

סימונים מקובלים

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 זאת כמספר טבעי כלשהו 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 פולימר

היחידה החוזרת בפוליפרופילן

היחידה החוזרת בפוליסטירן

היחידה החוזרת בפוליקרבונט

מיון של פולימרים

מקובל למיין פולימרים על סמך אחת או יותר מהאפשרויות הבאות:

מקור

• פולימרים טבעיים (ביופולימרים) – לקבוצה זו שייכים כל הפולימרים שמקורם מיצורים חיים. מבין קבוצות הפולימרים החשובות ניתן למנות את הרב-סוכרים (כדוגמת עמילן ותאית) ואת החלבונים. ה-DNA הוא אולי הפולימר הטבעי החשוב ביותר עבור כל היצורים החיים. פולימר זה, המורכב מארבעה מונומרים שונים שנקראים חומצות גרעין, נושאים את המידע הגנטי המתורגם ליצירת חלבונים האחראים על הנעתם של תהליכי החיים. דוגמאות לפולימרים טבעיים חשובים: משי, צמר, וגומי טבעי.

• דוגמאות לפולימרים טבעיים
• 
  צלולוז – פולימר של סוכר (גלוקוז – בטא)
• 
  עמילוז – פולימר של סוכר (גלוקוז – אלפא)
• 
  חלבון – פולימר שהמונומרים שלו הם חומצות אמינו
• 
  DNA – פולימר שהמונומרים שלו הם חומצות גרעין

• פולימרים חצי-סינתטיים – שיוצרו במעבדה על בסיס חומרי גלם ממקורות טבעיים. לדוגמה: צלולואיד, שהוא פולימר שנוצר מתאית (צלולוזה).
• פולימרים סינתטיים – שיוצרו במעבדה על בסיס חומרי גלם שאינם טבעיים, כגון דלקים מאובנים (אומנם, חומרים אלה מקורם מיצורים חיים, אך הם עברו שינויים כימיים כתוצאה מתהליכים גאולוגים בכדור הארץ). במשפחת הפולימרים הסינתטיים נמצאים כמעט כל הפולימרים החשובים ביותר בעידן המודרני, כגון: פוליאתילן, פוליפרופילן, פוליסטירן, פוליוויניל כלוריד ועוד.

ערך מורחב – רשימה של פולימרים סינתטיים

סדר המונומרים

• הומופולימרים – פולימרים הבנויים מסוג אחד של מונומר.
• קופולימרים – פולימרים הבנויים מסוגים שונים של מונומרים (למשל ABS).

• סוגי קופולימרים
• 
  קופולימר אקראי (Randomm)
• 
  קופולימר שתול (Graft)
• 
  קופולימר מסורג (Alternating)
• 
  קופולימר גושי (Blockk)

טקטיות – פריסת המתמירים במרחב

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.

• מיון על פי הסידור הסטריוכימי של המתמירים
• 
  איזוטקטי – כול המתמירים פונים לאותו הכיוון
• 
  סינדיוטקטי – המתמירים בעלי כיווניות מסורגת
• 
  אטקטי – המתמירים בעלי כיווניות אקראית

התנהגות בחום

• פולימרים תרמוסטים – אינם ניתכים בחום. המשך חימום יביא להרס הפולימר. לדוגמה: בקליט, פוליאוריתן, גומי סינתטי, פוליאפוקסיד.
• פולימרים תרמופלסטים – ניתכים בחום ומסוגלים לחזור ולהתמצק בקירור ללא פגיעה בתכונות הפולימר. לדוגמה: פוליאתילן, פוליפרופילן, פוליוויניל כלוריד, פולימתיל מתאקרילט, ABS, ניילון, פוליקרבונט, טפלון. עבור החומרים הפולימרים התרמופלסטים ניתן להצביע על שלוש טמפרטורות שבמהלכן מתרחשים שינויי מורפולוגיה (שינויי מבנה וצורה) חשובים:
  1. טמפרטורת המעבר הזכוכיתית (Tg) – היא טמפרטורה בה הפולימר עובר ממצב מוצק למצב רך בו הוא ניתן לעיבוד: מתיחה אלסטית או פלסטית ללא שבר. מתחת לטמפרטורה זו החומר נוקשה (דמוי זכוכית), ואילו מעל לטמפרטורה זו החומר רך. טמפרטורת המעבר מתייחסת לכושר התנועה והפיתול של האזורים האמורפיים בפולימר.
  2. טמפרטורת ההיתוך (Tm) – היא הטמפרטורה בה הפולימר כולו ניתך (לרבות האזורים הגבישיים בו).
  3. טמפרטורת הפירוק (Td) – היא הטמפרטורה בה מתרחשים תהליכי הרס כימי של הפולימר (שבירה ופירוק של קשרים קוולנטים). רלוונטי גם עבור הפולימרים התרמוסטים.

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

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

• 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

• 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).

• סוגי מבנים המתייחסים לשרשראות הפולימר
• 
  פולימר קווי
• 
  פולימר מצולב חלקי (אלסטומר)
• 
  פולימר מצולב מלא (יהיה בהכרח פולימר תרמוסטי)

רמת הגבישיות

• 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.

• רמת הגבישיות
• 
  פולימר גבישי או גבישי למחצה
• 
  פולימר אמורפי

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

• 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

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: ${r}={n}\cdot l$ 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. ${\bar {r}}={\sqrt {n}}\cdot l$

פילמור

ערך מורחב – פילמור

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

• פילמור דחיסה (גידול בשלבים) – טכניקה זו משמשת לחיבור של מונומרים המכילים שתי קבוצות פונקציונליות. במהלך פילמור דחיסה, המונומרים מתחברים ביניהם תוך פליטה של מולקולה קטנה אל מערכת הפילמור (כגון: מים, כוהל, HCl ועוד – תלוי בסוג המונומר). בפילמור דחיסה, הרכב האטומים ביחידה החוזרת אינו זהה להרכב במונומר.
• פילמור סיפוח (גידול בשרשרת) – טכניקה זו שימושית בעיקר עבור חיבור מונומרים המכילים קשר כפול (כמו c=c). בתהליך זה, הקשר הכפול נפתח אגב סיפוח ובמקומו נוצרים קשרים קוולנטים בין המונומרים. תהליך זה הוא אקסותרמי תמיד. בתהליך זה, סיפוחם של המונומרים נעשה בזה אחר זה עד גמר המונומרים, על כן התהליך נקרא – פילמור שרשרת. בפילמור סיפוח, מאזן האטומים נשאר כשהיה, כלומר הרכב האטומים ביחידה החוזרת זהה להרכב במונומר.

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

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

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

תכונות מכניות

בדיקת חוזק מתיחה בדגימה של פולימר

הגורמים המשפיעים על התכונות המכניות של פולימרים

• מבנה השרשראות וקבוצות הצד
• רמת הגבישיות
• אורך השרשרות בדגש על התפלגות המסה המולרית ועל המסה המולרית הממוצעת
• הקבוצה הפונקציונלית, וחוזק הקשרים הבין שרשרתיים
• רמת הסיעוף ונוכחותם של קשרי צילוב
• טמפרטורה

התנהגות של פולימרים תחת מאמצי שבירה

ערך מורחב – מאמץ (הנדסה)

פולימרים עם רמת גבישיות גבוהה, סיעוף נמוך, וקשרים בין מולקולריים 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
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

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".

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

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

דוגמאות ליחידות החוזרות של פולימרים מוליכים חשובים:

ראו גם

• מיחזור פלסטיק
• רשימה של פולימרים סינתטיים
• שרשרת פולימר אידיאלית
• שרשרת פולימרית גאוסיאנית

לקריאה נוספת

• 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

• רן טבעוני, פולימרים – החומר ששינה את פני העולם, באתר מכון דוידסון, דצמבר 2013
• פולימר, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• פולימרים, דף שער בספרייה הלאומית