Polimerler Nedir

Makalenin yazılma amacı polimerler olarak bilinen makromoleküllerin hakkında daha bilimsel bir bilgi aktarımı ve bilinen kısmi tanımları daha detaylı olarak anlatmaktır. Polimerler, monomerlerin kovalent bağlarla birleşip oluşturduğu yüksek molekül ağırlıklı ve yoğunluklu makromoleküllerdir. Konunun seçilme sebebi polimerin ilgi alanımda bulunması ve polimer teknolojisi dersi alıyor olmamdır.

Purpose of the article is sharing scientific knowledge and enlightening some definitions about polymers more detailed which is known as macromolecules. Polymers are monomers bounded with covalent (nonpolar) bonding macromolecules which has high moleculer weight and density. Reason of chosing the subject is interest of my own and the polymer technology course that i am taking.

Polimer Nedir?

“Poli”, Latince bir sözcüktür ve çok sayıda anlamında kullanılmaktadır. Sentetik polimerler genellikle ‘mer’ ya da ‘monomer’ adı verilen tekli birimlerden oluşmaktadırlar. İki sözcüğün birleşimi olarak kullanılan polimer sözcüğü çok sayıda birim anlamı taşımaktadır.

Polimerler, kimyasal olarak basit ve anlaşılır biçimde tanımlanırsa, çok sayıdaki aynı veya farklı birimlerin birbirine kovalent bağ sayesinde bağlanıp az veya çok düzenli şekilde oluşturduğu uzun ve yüksek molekül ağırlıklı birimlerdir.

-(-CH₂-CH₂-)-_n

Yukarıda gösterilen örnek en basit polimer olarak da adlandırabileceğimiz polietilen (PE)’dir. Örnek üzerinde ‘n’ olarak belirtilmiş kısımda zincirin uzunluğunu belirtilir ve polimerler zincir uzunluklarına göre farklı adlar alabilir.

Bir maddenin makromolekül kabul edilebilmesi için viskozite, ışık saçılması, ultrasedimentasyon, kollagatif özellikler ve gibi özellikleri sağlaması gerekir.

Monomerlerin birleşerek yüksek yoğunluklu ve molekül ağırlıklı makromolekül haline gelmesi ve polimer oluşturması işlemine polimerizasyon adı verilir. Polimezirasyon, katılma ve polikondenzasyon polimerleşmesi olarak ikiye ayrılır.

• Katılma Polimerleşmesi: monomerlerin üzerinde bulunan çift bağlarının (Pi bağları) katalizör yardımıyla açılmasıyla gerçekleşen polimerleşme işlemi. Katalizöler iyonik veya serbest radikal yapıda olabilirler.

n(CH₂=CH₂) → -(-CH₂-CH₂-)-_n

• Polikondenzasyon Polimerleşmesi: İki işlevsel grup içeren farklı iki polimerin bir molekül ayrışması ile birleşme reaksiyonudur.

Polimerlerin Tarihçesi

Polimerin ilk kullanımları doğal polimerik madde olarak başlamıştır. Doğal polimerler mekanik ve fiziksel özelliklerinin yetersizliği dolayasıyla işlenmeye ve endüstriyel üretime çok elverişli olmadığı için genel üretim ve kullanımdaki yerlerini yarı sentetik polimerlere bırakmışlardır ancak bu değişim çok hızlı gerçekleşmemiştir. 1770’li yıllarda Priestly’in isimlendirdiği “Rubber” adını verdiği doğal kauçuk ancak 1939 yılında kükürt ile vulkanize edilmiş, işlenebilir bir hale getirilmiştir. Böylece ilk otomobil lastikleri, yağmurluklar ve suya dayanıklı lastik botların üretimi başlamıştır. 1868 yılında John Wesley Hyatt polimerlerin ikinci büyük grubu olarak bilinen plastiklerin ilk ürünü selüloidi üretmiştir. İlk tamamen sentetik polimer (fenol-formaldehit reçineleri) 1907 yılında Leo Hendrick Baekland tarafından başarıyla üretilmiştir. Fenol-formaldehit reçineleri “Bakelit” olarak adlandırılmıştır.

Polimerlerin ilk gerçek tanımı ‘Makromoleküller Hipotezi’ olarak 1924’de polimer biliminin kurucusu olarak anabileceğimiz Hermann Staudinger tarafından yapılmıştır. Bu bulgu polimer biliminin gelişmesinde büyük bir öncü niteliğindedir. Hermann Staudinger 1953 yılında plastiklerle ilgili bu çalışmaları nedeniyle nobel kimya ödülüne layık görülmüştür.

Polimer bilimi makromolekül hipotezinin ardından hızlı bir biçimde gelişmiştir. 1927 yılında selüloz asetat ve polivinil klorür, 1928 yılında polimetilmetakrilat, 1929 yılında üre-formaldehit reçineleri ve aynı yıllarda polisülfit (Thiokol) üretilmiştir.

1930 yılında ilk defa üretilen polistiren ve ilerleyen yıllarda üretilen stiren-butadien kopolimeri (SBR) polimer teknolojisinde önemli buluşlar olmuşlardır. 1931’de Neopren (Dupren) üretilmiştir. Fiber teknolojisinde kullanılan ilk sentetik finer Naylon’dur. Wallace Carothers doğrusal kondenzasyon polimerizasyonu yöntemiyle poliester ve poliamid üretimini başlatmıştır. 1935’de Naylon 6,6 bulunmuş ve DuPont firması tarafından 1938’de üretime geçilmiştir. Aynı yıllarda Almanya’da P. Schlack kaprolaktamdan halka açılmasıyla Naylon 6’yı sentez edilmiştir ve 1939 yılında Perlon adıyla üretilmeye başlanmıştır.

1936’da poliakrilonitril, stiren-akrilonitril kopolimeri ve polivinilasetat, 1937’de poliüretan, 1938’de Teflon (tetrafloroetilen), 1939’da melamin-formaldehit (Formika) reçineleri, 1940’da silanlar ve butil kauçuğu, 1941’de polietilen ve polietilentereftalat, 1942’de doymamış poliester ve poliakrilonitril fiber üretimleri gerçekleşmiştir.

Ⅱ. Dünya savaşında ülkeler arasındaki teknolojik yarış ve polimer biliminin çok olağanüstü bir hızla gelişmesine yol açmıştır. Bu duruma örnek verilmesi gerekirse stiren-butadien kauçuğu üretimi 0 dan 700.000 tona çıkmıştır.

Günümüzdeki Kullanım Alanları

Günümüzde sürekli gelişen ve hala gelişimlere açık olan polimer sektörü hemen hemen akla gelecek her sektörde kullanılmaktadır. Alternatiflerinden daha ekonomik olmaları, istenilen formlarda ve çok sayıda üretilebilmeleri, istenilen çalışma tipine göre kullanım alanlarına sahip olmaları polimerlerin başlıca tercih edilme sebepleridir.

Polimerler inşaat malzemeleri, tekstil ürünleri, suni deri ürünleri, gözlük camları, lensler, kaplamalar, pet şişeler, boyalar, hava yastıkları, ayakkabılar, yağmurluklar, cam pervazları ve bu gibi sıralamakla bitmeyecek kadar fazla kullanım alanına sahiptirler. Biyopolimerler çeşitli tıbbı alanlarda insan vucüduna uyum sağladığı ve vucüt tarafından yabancı madde olarak algılanmadığı için impilant olarak kullanılabilirler. Günlük hayatta kullandığımız çoğu ürün çeşitli polimerlerden üretilmektedir. Üretilen bu polimerler istenilen forma getirilebilmek için bazı durumlarda içlerine plastikleştirici veya bu gibi kimyasalların eklenmesiyle çeşitlendirilebilirler.

Günlük yaşamda kullanılan bazı polimer örnekleri;

• Polivinilklorür (PVC): İç tesisat boruları, cam pervazları, streç filmler
• Polimetilmetakrilat (PMMA): Gözlük camları
• Stiren-butadien kauçuğu (SBR): Otomobil lastikleri
• Politetrafloroetilen (TEFLON): Tencere ve tavaların iç yüzey kaplamaları

Polimerler Nasıl Sınıflandırılırlar?

Polimerler bulundurdukları gruba, oluştukları maddelere, diziliş biçimlerine göre ve bu gibi bir çok farklı sebeplerden dolayı farklı biçimlerde sınıflandırılabilirler.

Şemada belirtilen polimerlerin sınıflandırma şeması polimerin sınıflandırılmasının ana başlıklarını içermektedir. Polimerler bu başlıkların altında ayrı alt başlıklara ayrılmaktadır.

a) Kimyasal bileşimlerine göre polimerler homozincir ve heterozincir olarak ikiye ayrılırlar. Homozincir, bir polimerin anazincirinin aynı cins atomdan oluşmasıdır. Heterozincir ise homozincire kıyasla polimerlerin tek cins atomdan ziyade anacinzirin iki veya daha fazla atomdan oluşmasıyla gerçekleşir.

b) Yapılarındaki alt gruplara göre sınıflandırılırken polimerler içerdikleri alt gruplara göre bir çok gruba ayrılırlar. Bu grupların isimlendirmesi;

Poli + Grup ismi → Poliester, Polieter, Poliamid….

şeklindedir. Grup adları eklenen grup ismine göre belirlenir ve çok uzun bir liste oluşturulabilir.

c) Yapılarına göre sınıflandırılan polimerler incelenirken, Eğer bir polimer tek bir monomerden oluşuyorsa ‘homopolimer’, iki veya daha fazla monomerden oluşuyor ise ‘kopolimer’ olarak adlandırılır. Kopolimerler zincir üzerinde dağılma şekillerine göre kendi içinde farklı olarak 3 gruba ayrılırlar;

A: A monomeri
B: B monomeri

• Ardaşık Şekilde Dizilmiş

-A-B-A-B-A-

Stiren-maleikanhidrat kopolimeri bu dizilişe örnek olarak verilebilir.

• Blok Şeklinde Dizilmiş

-A-B-B-B-A-

Stiren-izopren kopolimeri bu dizileşe örnektir.

• Gelişigüzel Şekilde Dizilmiş

-A-A-B-A-B-B-B-A-

Monomerlerin tamamen rastgele ve düzensiz şekilde sıralandığı durumlarda oluşan bu dizilişe stiren-metilmetakrilat örneği verilebilir. Homopolimer veya kopolimer farketmeksizin, polimerler doğrusal, dallanmış veya çapraz bağlı durumda bulunabilirler.

• Doğrusal -A-A-A-A-A-

• Dallanmış

• Çapraz bağlı

d) Sentez yöntemlerine göre sınıflandırılan polimerler. ‘Polimerler Nedir?’ bölümünde de bahsedildiği üzere polimerler iki farklı yöntemle oluşur. Bunlar katılma ve polikondenzasyon polimerleşmeleridir. Üretilirken kullanılan yönteme göre ayrılırlar.

e) Isıya gösterdiği dayanıma göre polimerler termoset ve termoplastik olarak ikiye ayrılırlar. Termosetler yapılarında zincirler arası bulundurdukları çapraz bağlar sayesinde sert, ısıya dayanıklı bir yapıya sahipken termoplastikler termosetlerdeki gibi çapraz bağlara sahip olmadıkları için düşük erime noktalarına sahiptirler, yumuşaktırlar. Termosetler ısıyla yeniden şekillendirilemezken termoplastikler ise şekillendirilebilirlerdir.

f) Kullanım alanlarına göre polimerler plastikler, kauçuklar, fiberler, kaplamalar, yapıştırıcılar olarak ayrılırlar.

g) Fiziksel durumlarına göre polimerler amorf, kristalin ve yarı kristalin olarak ayrılır. Amorf yapıdaki polimerler şekil itibariyle yumağa benzetilebilirler. Yumak içerisindeki segmentler sürekli olarak hareket halindedir ve bu hareketler esneklik olarak da bildiğimiz özelliği sağlamaktadır. Kristalin daha ufak moleküllerde olduğu gibi birimlerin düzenli bir biçimde birleşmesiyle oluşur. Kristalin maddeler amorf maddelere göre daha sert ve yüksek mekanik dayanıma sahiptirler. Hiçbir polimer %100 kristalin bir formda bulunamaz. Yarı kristalin yapıda ise isminden de anlaşılacağı üzere kristalin formu ve amorf formu bir arada bulunduran yumaklar arası kristalin yapılara sahip moleküller gözlenir.

Amorf yapıdaki polimerler camsı geçiş sıcaklığına (Tg) sahiptirler. Eğer bir amorf polimer yavaşca sıcaklık artırılarak ısıtılmaya başlanırsa camsı geçiş sıcaklığına kadar camsı özellikler gözlenir. Sıcaklığın artması segmentler hareketleri artıracaktır. Camsı geçiş sıcaklığı geçildiği takdirde ise molekül artık kauçuğumsu esnek bir yapıda özellikler göstermeye başlayacaktır. Bu özelliklerin gözlenme sebebi sıcaklık nedeniyle hareket halinde olan segmentlerdir.

Kristalin yapıdaki polimerler erime sıcaklığı (Tm) olarak adlandırılır. Erime sıcaklığı aynı zamanda termodinamik bir hal değişimidir. Kristalin bir madde ısı yardımıyla segmentel olarak harekete geçirilemez. Kurulmuş kristal yapıyı kırmak için gerekli ısının verilmesi bağları kırar ve kristalin yapının bozulmasını sağlar.

Yarı amorf yarı kristalin polimerler ise hem amorf hem kristalin bir polimer gibi davranarak hem camsı geçiş sıcaklığı hem erime sıcaklığı noktasını gösterirler.

h) Fiziksel geçişlere göre polimerler ikiye ayrılır; camsı ve kauçuğumsu polimerler olarak isimlendirilirler.