Polümeerid on kõrgmolekulaarsed ühendid, mille makromolekulid koosnevad kovalentsete sidemetega seotud korduvatest struktuuriühikutest – monomeersetest lülidest. Igal polümeeri makromolekulil on kindel keemiline struktuur, mille määravad monomeersete lülide ja neis paiknevate aatomite järjestus ja omavahelised valentssidemed. Polümeeri makromolekuli korduvate elementaarlülide arv varieerub enamasti vahemikus mõnest tuhandest kuni miljonini.
Sõna "polümeer" on tuletatud kreeka keelest (πολυ (poly) 'palju' + μέρος (meros) 'osa').
Polümeeride seas on nii looduslikke (näiteks merevaik, tselluloos, tärklis) kui ka sünteetilisi (peamiselt plastid) materjale. Polümeeride hulka kuuluvad ka polükondensaadid (näiteks DNA, proteiinid), kuid nende elementaarlülid ei ole ühesugused.
Polümeere leidub kõikjal meie ümber. Ehitised, mööbel, enamik tarbeesemetest ja kogu elusloodus koosneb suuremal või väiksemal määral looduslikest või sünteetilistest polümeeridest. Ka inimese eksisteerimine on võimalik tänu polümeeridele, kuna valgud, DNA, RNA ja tärklis on polümeerid, nendeta elu poleks võimalik. Teadmiste edenedes muutuvad ka sünteetilised polümeerid n-ö intelligentsemaks, seega luuakse materjale, mis on mõeldud kitsamaks otstarbeks. Näiteks võivad materjalid sõltuvalt temperatuurist või rõhust muuta läbipaistvust, värvust, elektrijuhtivust või teisi omadusi.
Võrestikpolümeerid on ruumilise võrkstruktuuriga polümeerid, kus kõik ahelalõigud on seotud vähemalt kahe teise ahelalõiguga, nii et polümeeris ei esine ühtegi vaba ahelat. Enamasti on võrestikpolümeerid saadud ahelpolümeeridest, mis on omavahel ühendatud põiksidemetega.
Liigitus monomeerlülide järjestuse põhjal
Monomeerlülide järjestus
On olemas homopolümeerid, mis koosnevad makromolekulidest, kus on ainult üht tüüpi monomeerlülisid, ja kopolümeerid, mis koosnevad makromolekulidest, mille koostises on erinevad monomeerlülid. Kopolümeere on väga palju liike:
Plokk-kopolümeer – ahelad on moodustunud üksteisega järjestikku seotud pikematest ahelalõikudest ehk plokkidest, mis erinevad naaberplokkidest.
Pook-kopolümeer – makromolekulide peaahelatega on seotud üht või mitut tüüpi külgahelad.
Looduslikud polümeerid
Looduslikke polümeere on kasutatud juba inimkonna algusaegadest alates, kuna paljud meid ümbritsevad polümeersed ained on looduslikku päritolu. Looduslikud polümeerid ehk biopolümeerid koosnevad kas ühte liiki monomeerlülidest, näiteks glükoosijääkidest, või erinevatest monomeeridest (aminohapped, nukleotiidid), mis näitab nende struktuuride tohutut mitmekesisust. Tähtsaimad looduslikud polümeeerid on nukleiinhapped, valgud, polüsahhariidid ja polüpreenid. Elusmaailma jaoks on nendest asendamatuteks valgud ja nukleiinhapped. Paljud biopolümeerid tekivad eluorganismides, olles nende rakkude ehitusmaterjaliks ja tagades nende toimimise.
Modifitseeritud looduslikud polümeerid ehk tehispolümeerid
Tehispolümeerid saadakse looduslikest polümeeridest keemilise töötlemise teel. Tehispolümeerid olid uudsed enne sünteetiliste polümeeride kasutuselevõttu. Looduslike polümeeride modifitseerimise eesmärk on nende lahustuvuse parandamine, töötlemise lihtsustamine ja materjali tugevamaks või sitkemaks muutmine. Tänu sellele on võimalik saada väga erinevate omadustega materjale. Tehispolümeerid on jäänud sünteetiliste polümeeride varju, kuid nende osakaal võib hakata suurenema, sest nad lagunevad looduses suhteliselt kiirelt.
20. sajandi keskpaigas lisandusid looduslikele polümeeridele sünteetilised polümeerid, mida loodusest ei leia. Nende osa igapäevaelus on plahvatuslikult suurenenud ning muutunud valdavaks tarbeesemete, pakendite ja pinnakatete valmistamisel. Sünteetilised orgaanilised polümeerid võivad asendada mõningaid materjale, mille töötlemiseks kulub palju aega ja energiat, näiteks klaasi, puitu ja metalli. Sünteetiliste polümeeride tootmine on üha enam kasvanud ja kogu keemiatööstuse toodangust moodustavad nad umbes 17%. Kuna sünteetiliste polümeeride püsivus keskkonnas on väga suur ja nende tootmine kogu aeg kasvab, siis kaasnevad nendega jäätmeprobleemid. Polümeeride keemia tegelebki muuhulgas sünteetiliste polümeeride tootmise ja kasutamise loodussõbralikumate meetodite väljatöötamisega.
Plastid
Plastid ehk plastmassid moodustavad kogu sünteetiliste polümeeride toodangust umbes kaks kolmandikku. Plastid võib jagada kolme suurde rühma.
Tarbeplastid – odavad, kergesti töödeldavad termoplastid.
Eriti kvaliteetsed plastid – väga heade omadustega, kuid raskesti töödeldavad kuumakindlad polümeermaterjalid, näiteks teflon, polüamiidid ja aramiidid.
Kautšukid ja kummid
Sünteetiline polüisopreen ehk isopreenkumm sarnaneb väga loodusliku kummiga ja seda kasutatakse vulkaniseeritult üldotstarbelise kummina.
Polükloropreen on esimene laialdaselt turustatud sünteetiline kumm. See on kulumiskindel, kuumakindel, gaasipidav ning väga õli- ja lahustikindel. Seda kasutatakse tihendite, pinnakatete, veorihmade, voolikute, kingataldade jm valmistamiseks.
Polümeeride utiliseerimine ja taaskasutamine on üha olulisemaks muutuv probleem, eriti arenenud riikides, kus aastas tarbitakse umbes 120 kg sünteetilisi polümeere inimese kohta. Looduslike polümeeride utiliseerimise ja taaskasutamisega pole suuri probleeme, sest need lagunevad suhteliselt kiiresti ega tekita toksilisi laguprodukte. Puitu ja paberit saab põletada ja kasutada küttena, samuti saab vanapaberit ja puuvillase riide jääke viia taaskasutusse. Keerulisem on olukord sünteetiliste polümeeridega, mida on lihtne ja suhteliselt odav naftast toota, kuid mille lagunemine looduses võib kesta mitusada aastat.
Põhilised kolm võimalust polümeermaterjalide taaskasutamiseks:
ümbertöötamine – sulatamine, mehaaniline purustamine ja ümbervormimine kas puhtal kujul või segatuna uue polümeeriga
lagundamine monomeerideks, mida saab kasutada kütusena või toorainena keemiatööstuses
Kõige parem oleks, kui materjale saaks ümber töötada ja taaskasutada, kuid polümeeride puhul tekib siin olulisi takistusi, mis on seotud nende vananemisega. Polümeersete materjalide korduval töötlemisel muutuvad nende omadused järjest halvemaks. See tähendab, et ümbertöötamisel ei ole võimalik saada kvaliteetset toodangut. Sageli on kõige mõistlikumaks polümeerjääkide kasutamise viisiks nende põletamine kütusena, vähendades fossiilkütuste kulu, kuid tuleb kindlaks teha, kas nende põlemisel tekib mürgiseid ühendeid, ja vajaduse korral kasutada puhastusseadmeid, mis ohtlikud ühendid kahjutuks teevad.[1]
