Overview
Fonte: Vy M. Dong e Jan Riedel, Dipartimento di Chimica, Università della California, Irvine, CA
I polimeri sono costituiti da macromolecole, che sono composte da unità ripetitive (le cosiddette unità monomeriche). Nel nostro mondo moderno, i polimeri svolgono un ruolo importante. Uno dei primi polimeri importanti è stato il nylon, che è una poliammide. Ha trovato un'applicazione diffusa negli spazzolini da denti e nelle calze.
Principles
Esistono due tipi principali di polimerizzazione. Uno è la reazione di crescita a catena, che può essere differenziata in polimerizzazione radicale, cationica, anionica e coordinativa. La polimerizzazione a crescita graduale è l'altro metodo principale per produrre polimeri. I monomeri bifunzionali o multifunzionali reagiscono alla fine formando polimeri. La polimerizzazione a crescita graduale può essere ulteriormente differenziata in polimerizzazione a condensazione e polimerizzazione ad addizione.
In una polimerizzazione aggiuntiva, i monomeri si aggiungeranno l'un l'altro per formare il polimero. Mentre in una polimerizzazione a condensazione, due monomeri si aggiungeranno in una reazione di condensazione sotto il rilascio di acqua o di un'altra piccola molecola come l'acido cloridrico.
Nella seguente sintesi di una poliammide, un cloruro di acido dicarbossilico si condensa con una diammina per formare una poliammide, sotto il rilascio di acido cloridrico. La notazione 6,10 nel nome della poliammide-6,10 riflette il numero di carboni nel monomero diamminico (sei in questo caso) e il numero di carboni nel monomero cloruro di acido dicarbossilico (dieci in questo caso).
Una caratteristica di una polimerizzazione a crescita graduale è la dipendenza della lunghezza della catena e la conversione della polimerizzazione. All'inizio della reazione la maggior parte dei monomeri si condenserà per formare principalmente dimeri e trimeri. Con ulteriori progressi, i dimeri e i trimeri si combineranno in oligomeri e solo dopo alti tassi di conversione, quando la maggior parte dei monomeri avrà reagito, gli oligomeri si condenseranno per formare polimeri con un elevato numero di unità monomeriche. Questo fenomeno è illustrato nella Figura 1.
Figura 1. Polimerizzazione a condensazione.
In questo esperimento, la poliammide si forma attraverso una cosiddetta polimerizzazione superficiale. In una soluzione disomogenea, costituita da una soluzione acquosa e organica, la polimerizzazione avverrà all'interfaccia dei due strati. Il monomero diammina viene sciolto in acqua, mentre l'acido dicarbossilico viene sciolto in un solvente organico.
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Procedure
1. Preparazione
- A un becher da 250 mL, aggiungere 3 mL (14 mmol) di cloruro di sebacoile in 100 mL di n-esano.
- A un becher da 150 mL aggiungere 4,4 g (38 mmol) di 1,6-diaminoesano in 50 ml di acqua distillata.
- Aggiungere circa 5 gocce di una soluzione di fenolftaleina alla soluzione di 1,6-diaminoesano.
2. Polimerizzazione superficiale
- Sovrapporre accuratamente la soluzione acquosa con la soluzione di cloruro di sebacoile.
- Si noti che uno strato sottile si formerà all'interfaccia tra la soluzione acquosa e la soluzione organica.
- Si noti che la fenolftaleina aggiunta renderà visibile l'interfaccia.
3. Raccolta del polimero
- Estrarre il film di poliammide formato dall'interfaccia con una pinzetta e avvolgerlo attorno a un'asta di vetro.
- Avvolgere la poliammide sull'asta di vetro.
- Lavare il polimero con acetone e poi con abbondanti quantità di acqua.
- Asciugare il polimero a 50 °C a pressione ridotta.
I polimeri sintetici non sono solo onnipresenti nella vita di tutti i giorni, ma hanno numerose applicazioni nelle scienze applicate e di base.
La polimerizzazione è un processo utilizzato per creare composti macromolecolari noti come polimeri.
Queste macromolecole sono costituite da un gran numero di unità ripetitive note come monomeri. I materiali costituiti da queste grandi molecole hanno proprietà chimiche, meccaniche e termiche uniche.
Questo video illustrerà i principi della polimerizzazione, la sintesi della poliammide-6,10 e coprirà alcune applicazioni della polimerizzazione.
Esistono diversi modi per classificare la polimerizzazione. Un modo comune è per le sue caratteristiche di crescita, sia la crescita a catena che la polimerizzazione a crescita graduale. Nella crescita a catena, i monomeri vengono aggiunti alla fine di una catena di molecole sempre più lunga. Questo continua fino a quando il monomero è esaurito o la crescita è inibita.
Nella polimerizzazione a crescita graduale, i monomeri bifunzionali o multifunzionali reagiscono inizialmente per formare dimeri e trimeri. Man mano che la reazione procede, questi composti si combinano per formare oligomeri più grandi. La reazione continua fino a quando non si formano lunghe molecole polimeriche.
Un altro modo per classificare la polimerizzazione si basa sul meccanismo di reazione. Una categoria è la polimerizzazione per addizione, in cui i monomeri si sommano senza la formazione di un sottoprodotto. Ad esempio, quando un monomero di cloruro di vinile forma un radicale libero, attacca altre molecole monomeriche propagando successivamente una molecola a catena lunga, nota come polivinilcloruro o PVC.
Nell'altro meccanismo, la polimerizzazione a condensazione, le molecole con unità terminali funzionali complementari reagiscono, rilasciando un sottoprodotto sotto forma di acqua o una piccola molecola. I reagenti possono essere monomeri o intermedi di peso molecolare superiore.
Un importante polimero ricavato da questo processo è una poliammide, meglio conosciuta come nylon. In questa sintesi, un cloruro di acido dicarbossilico si condensa con una diammina per formare una poliammide e rilascia acido cloridrico. Man mano che la reazione procede, il monomero viene consumato per formare dimeri e trimeri, che reagiscono per formare oligomeri più grandi. Gli oligomeri si condenseranno quindi per formare polimeri di grande peso molecolare.
Ora che le basi della polimerizzazione sono state trattate, diamo un'occhiata alla reazione di condensazione a crescita graduale della poliammide usando la polimerizzazione superficiale; un processo in cui la polimerizzazione avviene all'interfaccia di una miscela eterogenea, costituita da una fase acquosa e una organica.
In primo luogo, preparare le soluzioni di reazione per la polimerizzazione. In un becher, mescolare 3 mL di cloruro di sebacoile a 100 ml di esano. In un becher separato, aggiungere 4,4 g di 1,6-diaminoesano a 50 ml di acqua distillata.
Aggiungere circa 5 gocce di una soluzione di fenolftaleina alla soluzione acquosa di diaminoesano.
Quindi, sovrapporre con attenzione la soluzione di cloruro di sebacoile sulla soluzione acquosa contenente il diaminoesano. Uno strato sottile si formerà all'interfaccia delle due fasi. La visibilità dello strato è migliorata dalla fenolftaleina.
Infine, il polimero deve essere raccolto. Usando un paio di pinzette, tirare il film di poliammide formato e avvolgerlo attorno a un'asta di vetro. Avvolgere la poliammide sull'asta di vetro.
Quindi lavare il polimero con acetone, seguito da abbondanti quantità di acqua. Una volta completato, asciugare a 50 °C a pressione ridotta.
Da questo processo si ottiene un filo cavo e lungo di poliammide.
La polimerizzazione è utilizzata in molte applicazioni scientifiche e ingegneristiche. Qui, copriamo alcune di queste applicazioni.
La fotopolimerizzazione utilizza la luce per avviare la reazione. Utilizzando maschere, le strutture polimeriche tridimensionali possono essere fabbricate in modo strato per strato. Questo sistema, che utilizza un proiettore digitale standard e resine fotosensibili, può produrre oggetti 3D con risoluzione al di sotto dei 100 μm, consentendo studi fondamentali in meccanica e scienza dei materiali e campi emergenti come i metamateriali sintonizzabili.
Nonostante i progressi nella sintesi delle nanoparticelle, l'assemblaggio ordinato di nanoparticelle rimane una sfida. In questa applicazione, le nanoparticelle metalliche rivestite in polistirene-blocco-poli (acido acrilico) vengono polimerizzate in strutture a catena. Le tecniche di sintesi dei polimeri consentono il controllo della lunghezza e della larghezza delle catene di nanoparticelle.
I polimeri biocompatibili sono diventati uno strumento indispensabile nelle scienze biologiche. Ad esempio, la polimerizzazione multistrato a gradiente di densità consente la creazione di matrici a strati biocompatibili che hanno proprietà chimiche e meccaniche distinte. Questa tecnica consente la ricerca biomedica e di base sulla risposta cellulare in ambienti 2D e 3D complessi.
Hai appena visto il video di JoVE sulla polimerizzazione. Questo video ha coperto i concetti di base della polimerizzazione, una procedura per la sintesi della poliammide e gli usi della polimerizzazione in laboratorio. Grazie per l'attenzione!
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Results
Si ottiene un filo cavo e lungo di poliammide.
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Applications and Summary
Questo esperimento mostra in modo vivido la sintesi di un polimero in modo semplice. La polimerizzazione a condensazione di 1,6-diaminoesano e cloruro di sebacoile dà una poliammide-6,10, che polimerizza all'interfaccia di due strati liquidi. Questa polimerizzazione superficiale formerà un filo cavo di poliammide, dopo aver tirato il polimero dall'interfaccia e averlo avvolto attorno a un'asta di vetro per avvolgerlo.
Polimeri e poliammide trovano una varietà di usi diversi nella nostra vita quotidiana. Inizialmente utilizzato per spazzolini da denti e calze. Oggi, la poliammide viene utilizzata nella produzione di tessuti, come cappotti antipioggia, vestiti da esterno, cappotti da laboratorio e giacche da volo. Grazie alla sua forza e tenacità, le poliammidi sono utilizzate anche in paracadute, corde da arrampicata e vele. Queste applicazioni rendono le poliammidi uno dei polimeri più importanti in uso oggi.
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