Polimery – czyli wszystko, co nas otacza… prof. dr hab. Barbara Gawdzik

Polimery – czyli wszystko, co nas otacza… prof. dr hab. Barbara Gawdzik

Uniwersytet Marii Curie
-Skłodowskiej
Curie-Skłodowskiej
pl. Marii Curie-Skł
Curie
Skłodowskiej 5
Curie-Skłodowskiej
20-031 Lublin
20
20-031
Wydzia
Wydziałł Chemii
pl. Marii Curie-Skł
Curie
Skłodowskiej 2
Curie-Skłodowskiej
20-031 Lublin
20
20-031
Polimery – czyli wszystko,
co nas otacza…
prof. dr hab. Barbara Gawdzik
Zakład Chemii Polimerów
ul. Gliniana 33, 20-614 Lublin
Tel:
Tel: 081
081 537
537 37
37 41
41
081
081 537
537 56
56 73
73
Fax:
Fax: 081
081 524
524 22
22 51
51
www.polimery.umcs.lublin.pl
Tradycyjne Zastosowania tworzyw sztucznych (1)
Materiały budowlane
poliuretany
silikony
polichlorek winylu,
poliakrylany,
polioctan winylu
Pojemniki,
opakowania, folie
politereftalan glikolu etylenowego
polietylen, polipropylen,
polistyren
Buty, sznurówki
polichlorek winylu,
poliuretany,
guma SBS,
bawełna,
skóra
Ubiory i tkaniny
poliestry, poliakrylonitryl, bawełna, jedwab
Tradycyjne Zastosowania tworzyw sztucznych (2)
Obudowa - bakelit
BieŜnik - kauczuki wulkanizowane
Wzmocnienia - kevlar
Błona filmowa octan celulozy
Rączka - polietylen,
Włos - nylon
Zderzak - terpolimer ABS
Soczewki - poliwęglany
Izolatory - Ŝywice epoksydowe
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łów
w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Polimery
wpolimerowych
KUCHNI ?
szyby,
szklanki,
talerze,
słoiki,
filiŜanki i spodki,
pojemniki na
przyprawy,
moździerz.
Typowa
Typowa kuchnia...
kuchnia...
...bez
...bez metalu
metalu
urządzenia AGD
(lodówka,
kuchenka, itp.),
kable i przewody
elektryczne,
zlew, sztućce,
garnki, czajnik,
uchwyty.
...i
...i bez
bez ceramiki
ceramiki
Czy usunięto wszystkie polimery ?
podłoga (płytki, panele),
zasłony i firanki,
stojak na przyprawy,
wieszaki „plastikowe”,
deska do krojenia,
filtr do wody, uszczelki,
gąbka i ociekacz,
klosze i abaŜury,
dekoracje i wykończenia,
uchwyty i pokrętła,
mikser, toster, minutnik,
pojemniki i butelki,
woreczki śniadaniowe,
gniazdka elektryczne,
obrusy, ceraty, ścierki,
sitka, tace.
?
...i bez
bez polimer
polimerów
...i
ów
Przyk
łady zastosowa
ń materia
w polimerowych
Przykłady
zastosowań
materiałów
Polimery
włóprzyrodzie
? w medycynie (I)
chemicals
30%
70%
water
0,7
2%
- polisacharydy
O
OH
C
O
H CH
15%
- białka
1%
- DNA
6%
- RNA
Naturalne
polimery
2%
- fosfolipidy
4%
- jony, małe cząsteczki
OH
C
O
OH
C
CH
CH
OH
OH
O
C
CH
CH
C
O
C
CH
CH
C
O
O
CH
O
O
OH
C
OH
C
HC
OH
OH
CH2OH
H
OH
CH 2OH
O
H
O
H H
O
H
H
H
H OH
OH
H
OH
H
O
H
H
O
HO
H
H
OH
CH
OH
2
H
OH
O
CH
C
O
C
OH
HC
OH
CH
Farba akrylowa
O
C
OH
H
OH
O
H
H OH
H
O
CH2 OH
H
Celuloza
Celuloza
Polimer = Tworzywo sztuczne ?
Tworzywo sztuczne
?
Polimer
Polimer
Tworzywo sztuczne
Polimer
Makromolekuła
Cl
CH2 CH
n
Mer
Tworzywo sztuczne = („plastik”; gr. plastikos – „formowalny”) polimer + dodatki:
wypełniacze ciągłe i proszkowe, barwniki i pigmenty, plastyfikatory, antystatyki,
stabilizatory termiczne, przeciwutleniacze, biocydy, antypireny
Polimer = substancja zbudowana z makromolekuł róŜniących się cięŜarem
cząsteczkowym. To zbiór makrocząsteczek podobnej budowie i bardzo zbliŜonych
właściwościach, ale róŜnym cięŜarze cząsteczkowym (zjawisko polidyspersyjności)
Polimer = tworzywo
tworzywo sztuczne
sztuczne !
Izolacje,
osłony
Karty płatnicze
Rynny, rury
Sprzęt
sportowy
Artykuły
biurowe
Poli(chlorek winylu)
Opakowania i
pojemniki
Wykończenia i
dekoracje
Wyroby
skóropodobne
Blistry
PODSTAWOWE DEFINICJE
Polimer
gr.
poly meros
„„wiele”
wiele”
wiele
„„części”
części”
ci
Makromolekuła
[ ]n
Mer
Stopień
polimeryzacji
Makromolekuła = pojedyncza cząsteczka związku chemicznego (polimeru) zbudowana
z powtarzającego się wielokrotnie ugrupowania atomów (jednostki konstytucyjnej) i
względnie duŜym cięŜarze cząsteczkowym i zdefiniowanym wzorze sumarycznym
Mer = największa jednostka konstytucyjna powstająca z pojedynczej cząsteczki
monomeru
Jednostka konstytucyjna = najmniejsza grupa atomów,
powtórzenie prowadzi do otrzymania makromolekuły
którego
wielokrotne
Stopień polimeryzacji = (n) liczba monomerycznych jednostek wchodząca w skład
danej makromolekuły
Otrzymywanie Polimeró
Polimerów
Monomer = substancja, której cząsteczki łączą się ze sobą w reakcji polimeryzacji
tworząc makromolekuły polimeru
Polimer
Mono
mer
Monomer
H2C
CH
Cl
... CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 ...
Cl
Cl
Cl
Cl
makromolekuła polimeru
monomer
CH2 CH
Cl
n
mer
Polimeryzacja rodnikowa
Monomer
H2C
CH
„Polimer”
CH2 CH
Cl
chlorek winylu
Cl
poli(chlorek winylu)
Cl
... CH2 CH
H2C
CH2
etylen
CH CH2 CH CH2
H2C
CH2 CH2
polietylen
Cl
Cl
Cl
Cl CH
CH CH2 CH CH2 CH
H2C
Cl
Cl
F
F
F
C
C
C
C
CH CH CH2 CH
F
F
F
F
Cl
tetrafluoroetylen
poli(tetrafluoroetylen)
Cl
H2C
... CH2 CH2
H2C
Cl
F
CH
styren
CH2 CH
polistyren
Cl
CH2
Cl
CH2 CH
H2C
CH CH2 CH2 CH
Cl
Topologia polimeró
polimerów
Polimer liniowy
Polimer rozgałęziony
Monomer
dwufunkcyjny
H2C
Polietylen niskociśnieniowy (HDPE),
Polipropylen (PP), Polistyren (PS),
Poli(tetrafluoroetylen) (PTFE)
CH
Monomer
czterofunkcyjny
H2C
CH
Polietylen wysokociśnieniowy
(LDPE)
HC
Polimer usieciowany
CH2 CH
CH2
CH2 CH
CH CH2
Kopolimery styrenu i
diwinylobenzenu (PS-DVB)
W strukturze polimerów usieciowanych nie moŜna
wyróŜnić pojedynczych cząsteczek. Cała sieć
stanowi jedną makromolekułę!
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łów polimerowych
w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Polimery
– skala
stosowania
Światowa produkcja tworzyw sztucznych w minionym
dziesięcioleciu wzrosła o 62% (produkcja stali w tym
samym czasie zmalała o 21%
Roczna światowa produkcja tworzyw sztucznych w roku
2005 wyniosła wynosi 130 mln ton.
Budownictwo
19 %
Elektronika
9%
Motoryzacja
8%
AGD
20 %
Przemysł
6%
Opakowania
36 %
Rolnictwo
2%
tyś. ton
3500
3000
ZuŜycie TS w Europie w 2005 r.
2500
2000
PMMA
ABS+SAN
PS + EPS
ETP
PET
1500
1000
500
0
LDPE
HDPE
PP
PET
PS
PVC
Odpady opakowań TS (2005 r.)
EPS
1
2
4
4
7
PVC
14
PUR + Duroplasty
17
PP
19
PE
29
ZuŜycie poszczególnych typów
TS w Europie w 2005 r. [%]
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łówmedycynie
polimerowych w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Polimery
w
Protezy stomatologiczne
PMMA
Protezy naczyń
krwionośnych
poliestry
www.hhmi.org
Cewniki, pojemniki do
pobierania i
przetaczania krwi,
rękawiczki zabiegowe
PVC
Sztuczne serce, zastawki
usieciowany kauczuk
silikonowy, PC, PET
science.howstuffworks.com
Nici chirurgiczne nierozpuszczalne PA
i rozpuszczalne – kopolimery pochodnych
kwasu mlekowego PLA i glikolowego PGA
Strzykawki, pojemniki,
rozgałęźniki i łączniki do
łączenia drenów
PP, PE, PS
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łkontaktowe
ów polimerowych w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Soczewki
CH3
CH2
CH3
C
CH2
C O
C O
O CH2CH2OH
H2C
O
CH3
C
O
CH2
O C
C CH2
C CH2
O C
CH3
O CH2CH2OH
CH3
śele ze słabo usieciowanego
poli(metakrylanu hydroksyetylu)
Miękkie soczewki kontaktowe
stosowane przez 85 % osób
noszących szkła kontaktowe.
Zawierają od 36 do 70 % wody
(w stanie suchym: twarde szkło
organiczne, po uwodnieniu –
miękkie i elastyczne).
Gazoprzepuszczalne.
CH2
C
CH3
CH2
C
C O
C O
O
O
CH3
CH2
Sztywne soczewki kontaktowe
otrzymywano z poli(metakrylanu
metylu). Mała przepuszczalność
tlenu pozwala na noszenie takich
soczewek zaledwie dwie-trzy
godziny w czasie dnia.
CH2
H3 C
H3 C Si
H3 C
CH2
O Si
O
H3 C
CH3
O Si CH3
CH3
Si CH
3
CH3
Kopolimer metakrylanu metylu i metakrylanu tris(trimetylosiloksy)sisilopropylu (TRIS) - Soczewki
kontaktowe o dobrej przepuszczalności tlenu
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łó
w polimerowych
Przykłady
zastosowań
materiałów
Polimery
w
Farmacji w medycynie (I)
Oprócz „klasycznego” opakowania (PS, PP),
polimery mogą być wykorzystywane w
kontrolowanym
uwalnianiu
substancji
aktywnej:
Kapsułka z chitosanu zapewnia
ochronę leku (i/lub Ŝołądka)
przed agresywnie działającym
środowiskiem. Substancja
aktywna jest uwalniana dopiero
w jelicie.
Podobną rolę spełnia powlekanie
tabletek aspiryny np.: kwaśnym
ftalanem winylu lub octanem
winylu.
www.aicello.co.jp
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łów polimerowych
Przykłady
zastosowań
materiałów
" Inteligentne
" leki w medycynie (I)
Wykorzystanie
polimerowych
nośników
leków
umoŜliwia
transport
i uwolnienie leku w miejscu jego poŜądanego działania farmakologicznego
CH3
Koncepcja „magicznego pocisku” Helmuta Ringsdorfa
oraz jego praktyczna realizacja umoŜliwiająca selektywny
transport leku do wątroby:
Polimerowy
nośnik
CH2
CH3
C
CH2
CH3
C
CH2
C O
C O
C O
NH
NH
NH
CH2
CH2
CH2
CH OH
C O
C O
CH3
NH
NH
CH CH2
CH CH2
C O
C O
NH
CH3
CH CH2 CH
CH3
C O
NH
NH
NH
CH2
CH2
C O
NH OH
C O
CH3
CH CH2 CH
CH3
C O
NH
CH3
Grupy
Grupy wiąŜące
wiąŜące Cząsteczki leku
się
się zz komórkami
komórkami związane przez
hydrolizowalne
określonych
określonych
wiązania
narządów
narządów
C
OH
O
CH3
O
OH O
HO
O C
OH O
O
HO
OH
CH2OH
J. Kopecek
R. Duncan
CH2OH
Kopolimer NN-(2(2-hydroksypropylo)metakrylamidu z NN-podstawionymi pochodnymi metakrylamidu zawierającymi
związek (galaktozaminę
(galaktozaminę)) wiąŜący polimer z hepatocytami i lek (adriamycynę
(adriamycynę)) oddzielone łącznikami
(tetrapeptydy)
)
rozcinanymi
w
lizosomach
hepatocytów.
.
tetrapeptydy
hepatocytów
Przyk
łady zastosowa
ńSupersorbenty
materia
łów polimerowych w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Ta zadziwiająca zdolność pochłaniająca to
cecha polimerów hydrofilowych poliakrylanów.
Najprostszy z nich to poliakrylan sodu, który
moŜe wchłonąć wodę destylowaną o masie
800 razy większej od swojej masy.
Niestety, zawarte w moczu sole i jony
zmniejszają zdolność pochłaniania tylko do
ok. 80 razy. Po wchłonięciu 1 kg – nadal
pozostają suche
Inne zastosowania:
- Usuwanie ciekłych
odpadów medycznych
- Ochrona światłowodów i
przewodów energetycznych
- Usuwanie wody z paliwa
Przyk
łady zastosowa
ńPolimery
materia
łów "polimerowych
w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Naj...
Naj..."
..."
F
...
F
F
F
F
H
... C
C N
N C
O
H
O
...
F
C C C C
F
O
...
F
Teflon wykazuje najniŜszy ze wszystkich
znanych ciał stałych współczynnik tarcia,
dzięki temu Teflon® został wpisany do
Księgi
Rekordów
Guinessa
jako
"najbardziej śliska substancja na świecie"
Temperaturowy zakres pracy: od -200 oC do
+260 oC). Posiada odporność na działanie
niemal wszystkich znanych pierwiastków,
związków
chemicznych
oraz
rozpuszczalników. Doskonała izolacyjność
elektryczna i najniŜszy współczynnik
dielektryczny spośród wszystkich tworzyw
sztucznych
Dzięki „plastikowym”
pancerzom w ciągu
minionych 20 lat ponad
2000 policjantów otrzymało
postrzały i przeŜyło
-19-
Przyk
łady zastosowa
ń materia
ów
polimerowych w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
e-papier,
, łe
-atrament
papier
Zastosowanie selektywnie barwionych mikrosfer
polimerowych (f = 0,1 mm) w roli elektronicznego
atramentu jest pomysłem o bardzo wielu
potencjalnie waŜnych zastosowaniach
www.creativematch.co.uk
www.solomon-systech.com
Elastyczne wyświetlacze wykonane tą technologią
łączą w sobie zalety kartki papieru i klasycznych
paneli ciekłokrystalicznych
www.elektro.be
pcweb.mycom.co.jp
www.solomon-systech.com
Elastyczność
Wysoki kontrast
Energooszczędność
Minimalna grubość i niewielka masa
www.eink.com
Przyk
łady zastosowa
ń materia
łów polimerowych w medycynie (I)
Przykłady
zastosowań
materiałów
Polimery
Biodegradowalne
skrobia
www.biodegrade-pack.com
www.biodegrade-pack.com
www.sigcorpoplast.com
polilaktyd
(PLA)
www.revolutiontea.com
www.opakowania.com.pl
www.ekoinfo.pl
www.search-labs.com
http://optics.org