polymerisasjon

Polymerisasjon er kjemiske reaksjoner og prosesser der relativt små molekyler (monomerer) reagerer ved å binde seg sammen til mye større molekyler. De høymolekylære stoffene som dannes, kalles polymerer.

Faktaboks

Uttale
polymerisasjˈon
Også kjent som

polymerisering

Polymerisasjon er den sentrale prosessen i kjemisk industri som produserer råstoffer til plast og syntetiske gummi-, lim-, lakk- og malingsprodukter fra petrokjemiske primærprodukter.

Reaksjonsveier

Hvis bare én enkelt monomer (A) inngår i reaksjonen, kalles den en homopolymerisasjon, og polymeren har formen AAA... Dersom to eller flere forskjellige monomerer (for eksempel A og B) polymeriserer sammen, kalles det en kopolymerisasjon, og polymeren får for eksempel formen ABABAB... eller en annen gruppering, som for eksempel AAABBB...

Det finnes en rekke forskjellige reaksjonsveier for dannelse av polymerer.

Addisjonspolymerisasjon

Dette er en ren addisjonsreaksjon, som for eksempel ved polymerisasjonen av etylen til polyetylen:

n CH2=CH2 → (–CH2–CH2–)n

Denne formelen for polymeren skal indikere at molekylene består av kjeder av mange, n, etylengrupper –CH2–CH2– som er knyttet sammen. Antallet n kalles polymerisasjonsgraden.

Oftest ønskes polymerer som har egenskap av materialer (plast, gummi, fiberstoffer), og da må n ha meget store verdier. For plasten polyetylen kan n være fra ca. 500 og opp til hundre tusen. Slike høypolymerer er alltid en blanding av molekyler med forskjellige polymerisasjonsgrader, og n må betraktes som en middelverdi.

I formelen angis vanligvis ikke endegruppene på kjeden, fordi disse spiller en underordnet rolle når molekylene er så store. Ofte stammer en av disse gruppene fra den initiatoren som må brukes for å starte (initiere) polymerisasjonen.

Friradikal-polymerisasjon

Figur 1: Friradikal-polymerisasjon av polyetylen.
Friradikal-polymerisasjon
Lisens: CC BY SA 3.0

Det meste av lavdensitetspolyetylenet og all polyvinylklorid, polystyren med mer fremstilles industrielt ved bruk av en initiator som danner frie radikaler R˙, se figur 1.

Dette er en kjedereaksjon, og veksten avsluttes ved at to voksende polymerradikaler møtes og reagerer med hverandre (avbrudd, terminering), eller ved at radikalet tilriver seg et atom fra et annet molekyl som derved blir et radikal som kan gi opphav til vekst av et nytt polymermolekyl (kjedeoverføring).

Visse lettere angripelige stoffer (kjedeoverførere) kan tilsettes for å fremme kjedeoverføring og på denne måten å hindre at polymerisasjonsgraden blir altfor høy. Polymerisasjonen kan stoppes helt ved tilsetning av en inhibitor.

Ionisk polymerisasjon

Figur 2: Kationisk polymerisasjon av polyisobutylen.
Kationisk polymerisasjon
Lisens: CC BY SA 3.0
Figur 3: Anionisk polymerisasjon av polyformaldehyd
Anionisk polymerisasjon
Lisens: CC BY SA 3.0

Ionisk polymerisasjon er også en kjedereaksjon og brukes for eksempel ved fremstilling av polyisobutylen (kationisk), se figur 2. Figur 3 viser anionisk polymerisasjon av polyformaldehyd.

I disse ioniske polymerisasjonene er R+ et positivt ion (kation), for eksempel et proton (H+) fra en sterk syre, og R er et negativt ion (anion), for eksempel et alkoksyion (CH3O) fra et alkoholat eller et alkylion, C4H7, fra butyllitium. De voksende anioniske polymermolekylene kan vanskelig terminere. Når monomeren er oppbrukt, kan de derfor bevare sin negative ladning som ledende polymerer som fortsetter å vokse straks ny monomer settes til.

Koordinasjonspolymerisasjon

Her brukes industrielt en katalysator i form av partikler (heterogen katalyse) som holder den voksende enden av polymerkjeden bundet til tungmetallatomer i overflaten. Monomermolekylet bindes koordinativt til samme metallatom som polymerkjeden og bygges så inn i denne. Kjeden vokser derfor ut som et hår fra katalysatoroverflaten.

Høydensitetspolyetylen fremstilles slik.

Stereospesifikk polymerisasjon

Katalysatorer kan også ha en dirigerende virkning og favorisere én av flere mulige strukturer hos polymeren. Polypropylen, polybuten og til dels polybutadien og polyisopren fremstilles med slike stereospesifikke katalysatorer (se Ziegler-Natta-katalysatorer).

Ringåpningspolymerisasjon

Sykliske kjemiske forbindelser kan ofte polymeriseres ved at ringen i molekylet åpnes, som for eksempel ved polymerisasjon av etylenoksid (til polyetylenoksid) og laktamer (til polyamider).

Polyaddisjon

Andre polymerisasjoner kan også være rene addisjonsreaksjoner, som for eksempel dannelsen av polyuretaner, men dette er ikke kjedereaksjoner; de kan stoppes, og polymeren isoleres, på ethvert trinn i veksten.

Polykondensasjon eller kondensasjonspolymerisasjon

Dette er reaksjoner hvor kjedeveksten også kan stoppes på ethvert trinn og reaksjonen er en kondensasjon, det vil si at den skjer under samtidig avspalting av et laveremolekylært stoff, ofte vann.

Urea-, melamin- og fenolharpikser, polyestere, polyamider (fra aminosyrer) og silikoner fremstilles ved polykondensasjon.

Tekniske prosesser

I industrien benyttes forskjellige tekniske systemer til den praktiske gjennomføringen av de ovennevnte reaksjonene. Noen eksempler er massepolymerisasjon (ufortynnet monomer), emulsjonspolymerisasjon, suspensjonspolymerisasjon, løsningspolymerisasjon og grenseflatepolymerisasjon.

Den motsatte reaksjon av en polymerisasjon kalles depolymerisasjon.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg