11. Allmänt om polymerer

Transkript

1 11. Allmänt om polymerer När man hör ordet polymer, tänker man ofta på plasterna. De är viktiga men lim och målarfärger är också viktiga polymerer som gärna kan få komma med i en gymnasiekurs. I Finland görs mycket papper och därför behövs bestrykningsmedel och lim. Den kemiska industrin i Finland sysslar mycket med sådana produkter. KWH Mirka som gör slipmaterial är en stor konsument av våta polymerer. Yt- och kolloidkemin är viktig och ur pedagogisk synvinkel är de vita limmen ett bra forskningsobjekt. Polymerisationsmetoder Polymerisation är vanligtvis en additions- eller en kondensationsreaktion. Additionen kräver en initiator, som startar reaktionen genom att sönderfalla i fria radikaler. En vanlig initiator är bens(o)ylperoxid : Syre-syre-bindningen i mitten spjälks så att vardera molekyldelen får en oparad elektron. En del spjälks vidare till fenyl-radikaler. Bensylperoxiden kan vara explosiv, speciellt i kontakt med vatten. Man bör inte använda metallsked eller spatel och själva polymerisationen bör ske i dragskåp. Initiatorn startar därefter en polyaddition av monomererna. Ett antal problem kan uppstå vid polymerisationen. Syremolekylerna bildar lätt fria radikaler och förstör därmed

2 polymerisationen. Helst borde man polymerisera i syrefri miljö. (Syre medverkar även till att lim och målfärger torkar genom att en plastfilm bildas på ytan. Detta är en polymerisation med syreradikaler som initiator.) Viskositeten ökar vanligtvis enormt vid polymerisationen och det kan vara svårt att få bort biprodukter och lösningsmedel ur polymermassan. Reaktionen är exoterm och förorsakar hög temperatur. Det krävs alltså kylning. Man kan särskilja fyra olika polymerisationsmetoder: 1 Bulkpolymerisation Bulk- eller massapolymerisation innebär att endast monomeren och eventuell initiator införs i reaktorn och därefter sker polymerisationen. I slutskedet tappas den färdiga polymeren i flytande form ur reaktorn till en extruder, som påminner om en köttkvarn, där man lägger till fyllmedel, konsistensgivare och andra tillsatsämnen. Produkten kommer ut som hackade korn (granulat). I vissa fall sker polymerisationen direkt i en form, där en färdig produkt bildas. Man bör kunna leda bort reaktionsvärmet, annars finns det risk för explosion, eftersom värmet ökar reaktionshastigheten. Experiment 1 Bulkpolymerisation av styren Bensylperoxiden är instabil och något explosiv. Man bör undvika att hantera den med metallföremål. Använd plastsked. Häll 5 ml. styren i ett litet dekanterglas och lös 0,12 g bensylperoxid i styrenet. Överför lösningen i ett provrör och placera det därefter i dragskåp, antingen i ett hett vattenbad eller i en ugn vid C. När lösningen blivit mycket trögflytande kan man försöka baka in ett föremål i den. Därefter får polymeriseringen fortsätta några timmar tills polymeren blivit helt stel. Man kan krossa provröret i en duk, om man vill få ut polymerbiten.

3 2 Lösningspolymerisation Monomererna löses i ett lämpligt lösningsmedel, varefter eventuell initiator tillsätts. Vid vissa polymerisationer, t.ex. nylon-framställning, sker polymerisationen i gränsskiktet mellan två lösningar. I detta fall talar man om interfas-polymerisation. Vi brukar göra nylon som ett exempel på lösningspolymerisation. Nylon-syntesen är en kondensationsreaktion i motsats till övriga exempel i detta avsnitt. Värmetransporten går lättare än vad fallet är vid bulkpolymerisationen. Däremot är lösningsmedlet ett problem i slutskedet av processen, när det skall avlägsnas. Dessutom utgör organiska lösningsmedel ett miljöproblem. 3 Suspensionspolymerisation Initiatorn löses i monomeren, vilken är olöslig i vatten. Monomeren suspenderas (= finfördelas) genom omrörning i vatten, så att dropparns storlek blir ca.1 mm. För att detta skall bli möjligt, måste man lägga till stabiliserande ämnen. En vanlig suspensionsstabilsator är polyvinylalkohol, som är känd från slime -tillverkningen. Dropparna kan växa genom att de slår ihop sig till en viss grad. Det finns en risk att de klumpar ihop sig och det försöker man undvika genom att sätta till fosfater och genom att hela tiden ha en effektiv omrörning. Dropparna utgör minireaktorer och bildar småningom små pärlor av polymeren. Därför kallas processen ibland pärlpolymerisation. Man kan säga, att denna metod består av många bulkpolymerisationer i ett reaktorkärl. En klar fördel är vattnets kylande effekt. En nackdel är att rester av tillsatsämnena måste avlägsnas via tvättning och torkning av den färdiga produkten. Pärlorna smälts och används på ungefär samma sätt som bulk-produkten. Vi brukar använda en trehalskolv som reaktor, när vi gör polystyren-pärlor. Initiator är bensylperoxid och polymerisationen sker vid ca C. Polymerisationen tar en hel dag. Den bör ske i dragskåp och som en demonstration under lärarens uppsikt. Bilden är av vår slutprodukt. Man ser att många pärlor förblir små medan en del växer bra. Pärlan på bilden är ca. 2 mm i diameter. De många små outvecklade pärlorna visar att vi är rätt dåliga tillverkare.

4 SB2BB8PB P 4 Emulsionspolymerisation I detta fall löser man initiatorn i vattenfasen. Initiatorn är ett salt och därför polär. Som stabilisator använder man vanligen tensider, t.ex. natriumdodecylsulfat, som är polär i ena ändan och opolär i den andra och därför bildar s.k. miceller i lösningen. Monomeren placerar sig i micellerna samt i små monomerdroppar. En liten del av monomeren löser sig i vattnet. Eftersom initiatorn är löst i vattenfasen, startar polymerisationen där. Medan polymermolekylerna ännu har låg molekylvikt, liknar de tensider och går därför in i micellerna, där det finns gott om monomerer. Detta ökar reaktionshastigheten. Småningom sväller micellerna och blir till små polymerpartiklar, som fortsättningsvis stabiliseras av tensid-molekylerna. Ibland kan man använda polymer-molekyler, såsom polyvinyl-alkohol ( se nedan) som stabilisator. Ett system av små polymer-partiklar (storlek 0,1-10 µm) som är suspenderade (uppslammade) och stabiliserade i vatten kallas en latex. Ursprungligen kallades kautschuken, som sipprar ur gummiträden, för latex. Polymer-partiklarna i latexen är mindre än en tusendel av suspensions-pärlorna, som behandlades i föregående avsnitt. De har en stor benägenhet att bilda en film, när vattnet avgår. Denna filmbildning gör latexen användbar i bestrykningar, lim och målarfärger. En viktig tillämpning är de vita trälimmen (se avsnittet om lim). Elektronmikroskopbilder av latex utstruken på kartong. Bild: Egen Latex Bild: Kommersiell Latex Experiment 2 UPolymerisation av vinylacetat Vid denna typ av reaktion använder man en vattenlöslig initiator. Polymerisationen inleds alltså i vattenfasen och fortgår sedan i micellerna. Istället för en tensid använder vi en polymer (polyvinylalkohol) som stabilisator. Denna polymer bildar en s.k. skyddskolloid runt de växande polymermolekylerna och stabiliserar den blivande dispersionen. Monomeren är alltså emulgerad (vätska i vätska) medan polymeren blir dispergerad (fast i vätska) Som initiator använder vi natriumpersulfat ( NaB2BSB2BB8B). Persulfat-jonen sönderfaller i två radikaljoner (stjärnan betyder att det är radikaler). Jonen är alltså både jon och fri radikal. 2-2 SB4PB - P*

5 Polymerisationen sker därefter enligt radikal-mekanism, ungefär som då styren polymeriseras. Reaktionen bör ske vid ett någorlunda stabilt ph. Därför tillsätts natriumacetat som buffert. Monomeren vinylacetat är inte särskilt allergiframkallande eller giftig. Polymeriseringen bör dock ske i dragskåp. Vi använder följande viktdelar: Vatten Polyvinyl-alkohol (10%-ig lösn.) Natriumpersulfat Natriumacetat Vinylacetat (i vätskeform) 30,0 g 20,0 g 0,1 g 0,1 g 20,0 g Gör en 10 % -ig polyvinylalkohol-lösning genom att värma upp vatten till 80 C och blanda in alkoholen i portioner. Rör om hela tiden med elvisp eller motsvarande, tills lösningen är klar och viskös. Det brukar räcka ca. 15 min. Kyl därefter lösningen till 30 C. (Samma stamlösning används vid limtillverkningen.) Kyl lösningen till 30 C. Tag nu 20 g av denna och späd med 30 g vatten i ett dekanterglas. Lös Na-salten och blanda därefter in en tredjedel av vinylacetaten. Värm försiktigt i vattenbad och rör om med glasstav hela tiden. Vid ca. 67 C börjar en våldsam skumning. Man kan behöva lyfta kärlet ur vattenbadet för ett ögonblick. Småningom slutar skumningen och lösningen vitnar med en blå nyans (Tyndall-effekten). Försök hålla temperaturen C eftersom vinylacetaten kokar vid temp lite över 70 C. Tillför nu under ca en halv till en timme resten av vinylacetatet i små portioner under ständig omrörning. Det finns risk att polymeren klumpar ihop sig. Därför gör vi en tunnare dispersion än vad som görs industriellt, där man gör dispersioner med torrhalt över 50 %. Man får ingen fullständig polymerisation med denna primitiva metod Därför känner man en tydlig monomer-lukt. m man har en kraftig magnetomrörare med uppvärmning, kan polymeriseringen lyckas. Vi brukar använda glasstav. Elektronmikroskopbilderna är tagna av bestrykningar på kraftpapper. Man ser att vår latex är tunnare och täcker pappret sämre. Den kommersiella latexen har en hopklumpad del till höger men är i övrigt homogen.