1
POLİMER MALZEMELER 2008-2009 BAHAR YARIYILI
Giriş, Tarihsel Gelişim,
Tanımlar, Genel Özellikler,
Organik Kimyanın Esasları
Kaynaklar :
z “Ana Hatları ile Plastikler ve Plastik Teknolojisi”
Ö.Tunç Savaşçı, Nurseli Uyanık, Güneri Akovalı PAGEV Yayınları, İstanbul 2002
z “Polimer Teknolojisine Giriş”
Erhan Pişkin
İnkilap Kitapevi, İstanbul 1987
z “Plastik Malzeme Bilgisi”
Selma Akkurt
Birsen Yayınevi, İstanbul 1991
Giriş :
z
Doğadaki 3 farklı malzeme grubu :
z Metaller
z Seramikler
z Polimerler
z
Elementlerin Periyodik Tablosu :
z Sol tarafta metalik elementler
z Sağ tarafta ametalik elementler
Elementlerin Periyodik Tablosu :
z
Metalik elementler (kolaylıkla elektron veren) ;
► METALLERİ oluşturur
z
Ametalik elementler (kolaylıkla elektron alan) ;
► POLİMERLERİ oluşturan yapı taşlarıdır
z
Metalik ve Ametalik elementlerin karışımı ;
► SERAMİKLERİ verir
z Tarihsel gelişimi içinde polimer malzemeler hep metalik malzemelere rakip olarak düşünülmüş ve polimer malzemelerin kullanımı devamlı olarak artmıştır.
z 1980 yılında dünyada, hacımca, toplam polimer malzeme üretimi, metalik malzeme üretim miktarını geçmiştir (Plastik Yılı).
z Günümüzde geliştirilmiş polimer malzemeler, pek çok metal malzeme yerine tercihen kullanılır hale gelmiştir ve bu durumun gelecekte daha büyük hızla devam
edeceği söylenebilir.
z Bu iki malzeme grubunun temel farklı özellikleri:
METALLER POLİMERLER Elektrik ve ısıyı iyi
iletirler
Elektrik ve ısıyı iyi iletemezler
Parlaktır Saydam veya donuk
görünürler Yoğunlukları
1 g/cm3 ‘den fazladır
Yoğunlukları düşüktür (1 g/cm3 civarında)
Elektron vererek Korozyona dirençlidirler
Polimerlerin Kullanım Alanları :
z
Polimer malzemeler, değişik özelliklerde ,
z katı plastikler
z çeşitli lifler (elyaf)
z köpük malzemeler
z filmler
z kaplamalar
z yapıştırıcılar
gibi çeşitli değişik kullanım alanlarına yönelik
olarak üretilebilmektedirler.
Polimerlerin Kullanım Alanları (devamı):
z
Polimer malzemeler,
z sert veya yumuşak
z rijit veya esnek
z kauçuğumsu veya camsı
yapıda olabilmektedirler.
Polimerlerin Kullanım Alanları (devamı):
z
Polimer maddelere ayrıca değişik fiziksel yapılar kazandırılarak,
z gözenekli veya gözeneksiz
z ısı ile sertleşip şekillenen veya ısı ile tekrar eriyebilen
z ısıtıldığında bozunmayan ve yanmayan
türlerde üretilebilmektedir.
Polimerlerin Kullanım Alanları (devamı):
z Günümüzde tüketilen farklı polimer türlerinin sayısı fazla olmakla birlikte, içlerinden bazıları büyük tonajlarda
üretilmekte ve bunlar “genel amaçlı polimerler” olarak tanımlanmaktadır :
z AYPE (LDPE) – Alçak Yoğunluklu Polietilene
z YYPE (HDPE) – Yüksek Yoğunluklu Polietilene
z PP – Polipropilen
z PS – Polistiren
z PVC - Polivinilklorür
Bunlara kısaca “5 kardeşler” denilmektedir.
Polimerlerin Kullanım Alanları (devamı):
z Bu listeye zaman zaman aşağıdaki polimerlerde dahil edilir :
z ABS – Akrilonitril Bütadien Stiren (terpolimer)
z SAN – Stiren Akrilonitril (kopolimer)
z Polimer uygulama alanları çok çeşitlidir :
z Günlük hayattaki uygulamalar
(kalem, silgi, kumaş, sünger, tabak, spor malzemeleri vb.)
z Otomotiv, deniz taşıtları, havacılık, uzay sanayii
z Ambalaj sanayii
z İnşaat sektörü
Tarihsel Gelişim :
z Çok eski tarihlerde kullanılan polimerik malzemelerin başında,
doğal kauçuk selüloz
nişasta
gibi doğal polimerler gelir.
z Doğal polimerik maddelerin kullanımı çok eski tarihlere kadar uzanır. “Pre-Columbian” zamanlarında dahi Güney ve Orta Amerika yerlilerinin doğal kauçuğu kullandıkları bilinmektedir.
Tarihsel Gelişim (devamı) :
z 1770’de İngiliz kimyager Joseph Priestly’nin kağıt üzerindeki işaretleri sildiği için “silgi (rubber)” dediği doğal kauçuk, ancak 1839 yılında Amerika’da Charles Goodyear ve İngiltere’de kimyager Charles Macintosh ve Thomas Hancock tarafından kükürtle vulkanize
edilerek kullanışlı hale getirilmiştir.
Priestly Goodyear Macintosh Hancock
Tarihsel Gelişim (devamı) :
z 1868’de Amerika’da John Wesley Hyatt tarafından
nitroselüloz ilk kez ticari olarak üretilmiş ve bilardo topu, fotoğraf filmi vb. malzemelerin yapımında kullanılmıştır.
Aslında bu tarih “Plastik Sanayiinin Başlangıcı” olarak kabul edilir.
Tarihsel Gelişim (devamı) :
z 1907’de Amerikalı bilim adamı Leo Hendrik Baekeland tamamen sentetik ilk polimer olan fenol formaldehit reçinelerin üretimini başarmıştır. Bakalit adıyla anılan bu polimer ilk yıllarda telefon ahizesi vb. birçok plastik
parçanın üretiminde kullanılmıştır.
Tarihsel Gelişim (devamı) :
z 1924’de Alman bilim adamı Hermann Staudinger
“Makromolekül Hipotezi” ni ileri sürmüş ve polimer teknolojisinin önemli bir ufuk kazanmasını sağlamış ve birçok polimerin üretimine ışık tutmuştur. Bu çalışmaları ile Kimya Nobel (1933) ödülünü almıştır.
Tarihsel Gelişim (devamı) :
z Günümüzde, polimerlerin üretimine ve özelliklerinin
değiştirilmesine yönelik çalışmalarla, aşağıdaki konular hız kazanmıştır:
z mevcutların fiziksel/kimyasal yöntemlerle iyileştirilmesi
z üretim maliyetlerinin düşürülmesi
z işleme tekniklerinin geliştirilmesi
Bazı Tanımlar :
z
Polimer malzemeler;
z yüksek molekül ağırlıklı (10,000 – 1,000,000 g/mol)
z uzun, zincirimsi bir yapı
gösteren polimer moleküllerinden oluşur.
z
Bir polimer molekülünde, birbirine kuvvetli kovalent bağlarla bağlı binlerce küçük
molekül bireyleri bulunur.
z
Her bir polimer molekül zincirinde binlerce kez
tekrarlanan bu birimlere “mer” diyoruz.
Bazı Tanımlar (devamı) :
z
Polimer molekülleri, merlerden (tekrarlanan
birimlerden) oluşur.
Bazı Tanımlar (devamı) :
z
Molekül içindeki atomlar birbirine kuvvetli
kovalent bağlarla bağlı olduğu halde, moleküller yani zincirler arası bağlar zayıftır (Van der
Waals).
Polimer zincirleri
Zincirler arasında zayıf Van der Waals bağları
Bazı Tanımlar (devamı) :
z
Zincirde bir polar grup varsa daha kuvvetli etkileşmeler (iyonik, hidrojen bağı vb.)
mevcuttur.
z
Polimerler, “mer”lere benzeyen özel bazı küçük moleküllerden elde edilirler. Bunlara
“monomer” denir.
z
İki “mer”den meydana gelen en küçük polimer
molekülüne “dimer” denir.
Bazı Tanımlar (devamı) :
z
“Mer” sayısı çok küçük olduğunda polimerin özel bir adı vardır ; “oligomer” (molekül ağırlığı 500- 600 g/mol). Ancak bir polimerin yeterli fiziksel özelliklere sahip olabilmesi için, molekül
ağırlığının 10,000 g/mol’den fazla olması gerekir.
z
“Mer” sayısı çok büyük olduğunda polimerin yine
özel bir adı vardır ; “makromolekül”.
Bazı Tanımlar (devamı) :
z
“Mer” sayısı arttıkça, polimerin fiziksel özellikleri de değişir. Örneğin,
z mer sayısı küçük iken sıvı halinde bulunabilen polimer,
z bu sayı arttıkça yoğunluğu ve vizkozitesi artarak bal kıvamında bir sıvı,
z çok yüksek mer sayıları için ise katı bir polimer oluşturabilecektir.
Gösterim :
z Örnek : Etilen (monomer) → Polietilen (polimer)
Monomer Mer Polimer
Etilen Polietilen (PE)
C2H4 mer sayısı
Gösterim (devamı) :
z Organik maddeler karbon temeli üzerine kurulmuş maddelerdir.
6
C ► 1s
22s
22p
2► 4 valens e
-z 4 bağı da tamamen dolu moleküllere, “doymuş”
molekül denir. Tersine, “doymamış” bir bileşende karbon atomları arasında birden fazla bağ bulunur.
z Formüllerde, atomlar arası bir çizgi (-) bir kovalent bağı, yani paylaşılan bir çift elektronu gösterir
(LEWIS gösterimi).
Gösterim (devamı) :
z
Etilen (C
2H
4) doymamış bir moleküldür.
z
Metan (CH
4) doymuş bir moleküldür.
Gösterim (devamı) :
Metan molekülünde kovalent bağların şematik gösterimi :
Karbonun paylaşılan elektronu Hidrojenin
paylaşılan elektronu
Gösterim (devamı) :
z Valens elektronları (bağları) karbon çekirdeği etrafında tetrahedral olarak dağılmış durumdadır. Dolayısıyla, örneğin polietilen molekülü düzlemsel olarak gösterilse bile, gerçekte tetrahedral biçimden dolayı bir helisel yaya benzer.
Polietilenin düzlemsel gösterimi
Gösterim (devamı) :
Elektron çifti sayısı 4 olduğunda tetrahedral geometri (bağ açıları 109.5o) :
Gösterim (devamı) :
Polietilenin helisel yapısı (3 boyutlu) :
Yay şeklinde böyle bir molekül, gerilim altında açılıp
Gösterim (devamı) :
Polietilenin helisel yapısı (2 boyutlu) :
Kovalent bağlar
Van der Waals bağları
Gösterim (devamı) :
z Bir polimer zincirinin pratik gösterimi :
z Polimerleri malzeme olarak kullanabilmek için işlemek gereklidir ve polimerler genellikle tek başlarına (saf
olarak) işlenemezler.
z Polimerlerin içlerine çeşitli katkı ve dolgu maddeleri örneğin :
z boyar maddeler
z güneş ışığına karşı koruyucu katkılar
z işleme kolaylığı sağlayan katkılar vb.
karıştırılarak bir karışım hazırlanır. Bu karışıma “plastik işleme karışımı (compound)” denir.
z Bu karışımlara uygun yöntemlerle son şekil verilir ve ürün malzeme elde edilir. Elde edilmiş şekillendirilmiş ürün “plastik” olarak tanımlanır.
Ametallerin Genel Özellikleri :
z
Ametallerin özellikleri metallerden farklıdır.
z
Ametallerin çoğu elementel halde gazdır. Brom sıvı halde bulunur. Diğerlerinin tamamı oda
sıcaklığında katı haldedir.
z
Yarı-metal (metaloid) olarak adlandırılan az sayıdaki element hem ametallerin hem de metallerin özelliklerini taşır :
B, Si, Ge, As, Sb, Te, At
z
Metaller iletken, ametaller yalıtkandır.
Ametallerin Genel Özellikleri- 1) HİDROJEN :
z En basit elementtir, 1 proton ve 1 elektrondan oluşur.
z Hidrojen molekülü, 2 hidrojen atomunun ekzotermik reaksiyonu sonucu oluşan diatomik bir moleküldür.
H (g) + H (g) → H2 (g) Δ Ho = -436.4 J
z Hidrojen molekülü,
renksiz
kokusuz
zehirli olmayan bir gazdır.
Ametallerin Genel Özellikleri- 1) HİDROJEN (devamı) :
z Evrende en bol bulunan element hidrojendir.
z Yerkabuğunda, diğer elementlerle yaptığı bileşiklerle görülür ve onuncu en bol bulunan elementtir.
z Hidrojenin temel hal elektron dağılımı 1s1’dir
z Yükseltgendiği zaman H+ iyonu şekline dönüşür.
z Negatif hidrür iyonunda, H-, asal gaza benzeyen bir elektron dağılımına sahip olur ; 1s2.
z Kovalent bileşikler yapar.
z Hidrojen bağları oluşturabilen tek elementtir.
Ametallerin Genel Özellikleri- 1) HİDROJEN (devamı) :
z Kovalent hidrürlerde, hidrojen başka bir elementle kovalent bağ oluşturur.
Örnek : Metan (CH4)
z Hidrojenin 3 tane izotopu vardır ; H : Hidrojen (1p+, 1e-)
H : Döteryum (1p+, 1e-, 1n) H : Trityum (1p+, 1e-, 2n)
1 1 2 1 3 1
Ametallerin Genel Özellikleri- 1) HİDROJEN (devamı) :
z Hidrojenlenme ;
Çoklu bağlar içeren bileşiklere, özellikle C=C ve C C bağlarına, hidrojen katılması reaksiyonudur.
Örnek : Etilenin etana dönüştürülmesi
H2 + C=C → H-C-C-H H
H
H
H
H
H H
H
Etilen Etan
Ametallerin Genel Özellikleri- 2) KARBON :
z Karbon yerkabuğunda kütlece yaklaşık %0.09 oranında bulunmasına karşın, yaşamsal bir elementtir.
z Elmas ve grafitte serbest halde bulunur. Kararlı yapısı 1 atm ve 25oC’de grafittir.
z Karbon 5-6 üyeli kararlı halka bileşikler ve 50’den fazla karbon atomu içeren uzun zincirler oluşturma yeteneğine sahiptir. Karbonun bu özelliği yeryüzünde bulunan
milyonlarca organik bileşiğin (C, H, O, N, halojenler gibi elementlerden oluşan) varlığını açıklar.
z Karbür, karbonun metallerle oluşturduğu iyonik bileşiklere denir. Örnek : CaC , Fe C (sementit)
Ametallerin Genel Özellikleri- 3) AZOT :
z Atmosferin hacımca %78’ini oluşturur. Yaşamsal bir elementtir.
z Azot molekülünde (N2) atomlar birbirine üçlü bağ ile bağlanır.
7
N ► 1s
22s
22p
3► 5 valens e
-N N ► N N
z Azot bileşiklerinin çoğu kovalent bileşiklerdir.
z Amid iyonu ; NH2- iyonudur.
h hh h hhh
h h
h hh hh
Ametallerin Genel Özellikleri- 4) FOSFOR :
z Azot ile periyodik cetvelde 5. gruptadır. Bazı kimyasal özellikleri azota benzer.
z Azot gibi yaşamsal bir elementtir. İnsan vücudunun sadece %1’ini oluşturmasına rağmen bu oran çok
önemlidir. İnsan iskeletinde, dişlerde, genetik birimlerde (DNA, RNA) bulunur.
Ametallerin Genel Özellikleri- 5) OKSİJEN :
z Oksijen en bol bulunan elementtir. Yerkabuğunun
kütlece %46’sını, atmosferin hacımca %21’ini oluşturur.
z Azot gibi oksijen de diatomik (O2) bir moleküldür.
z Canlı sistemlerin yaklaşık ¼’ini oluşturur.
Biyomoleküllerin yapı taşlarındandır.Oksijen olmadan insan vücudu birkaç dakikadan fazla varlığını
sürdüremez.
z Oksijenin iki allotropu bulunur ; O2 ve O3 (ozon). Ozon daha kararsızdır.
z Elektron konfigürasyonu ;
8
O ► 1s
22s
22p
4► 6 valens e
-Ametallerin Genel Özellikleri- 6) KÜKÜRT :
z Doğada elementel halde bulunduğundan kolaylıkla elde edilir.
z Kükürtün çeşitli allotropları vardır, bunların en
önemlileri rombik ve monoklinik formlardır. Rombik kükürt termodinamik açıdan en kararlı yapı olup, S8 halka yapısına sahiptir.
Ametallerin Genel Özellikleri- 6) KÜKÜRT (devamı) :
z Kükürt sarı renkte, tatsız, kokusuz bir maddedir.
z Isıtıldığında (e.n. 119oC) monoklinik kükürte
dönüşür. Monoklinik kükürt de S8 halkalarından oluşur.
z Sıvı kükürt 150oC’nin üstüne ısıtıldığında S8 halkaları kırılmaya başlar.
Ametallerin Genel Özellikleri- 7) HALOJENLER (F, Cl, Br, I) :
z Reaktif ametallerdir.
z Valens elektron dağılımı (herbirinin 7 valens e- vardır) ve elektronegativiteleri:
z En reaktif halojen flordur. Flor endüstride,
politetrafloroetilen (teflon) üretiminde kullanılır.
-CF
2-CF
2-
F Cl Br I
2s22p5 (4.0)
3s23p5 (3.0)
4s24p5 (2.8)
5s25p5 (2.5)
Organik Kimya :
z Organik kimya karbon bileşikleri kimyasıdır.
z Karbon atomları ;
z birbirleri ile tekli, ikili, üçlü bağlar oluşturabilir,
z birbirleri ile zincir yapısı oluşturabilir,
z birbirleri ile halka yapısı oluşturabilir,
Bu nedenle diğer elementlerden daha fazla sayıda bileşikleri mevcuttur.
z Organik bileşikler içerdikleri fonksiyonel gruplara göre sınıflandırılırlar. Fonksiyonel grup, temel molekülün
kimyasal davranışını belirleyen atomlar grubudur. Bunlar;
alkoller, eterler, aldehitler, ketonlar, karboksilik asitler,aminler vb.’dır.
Organik Kimya (devamı):
z Bütün organik bileşikler hidrokarbonlar olarak bilinen bileşik gruplarından türemiştir. Hidrokarbonlar, sadece C ve H içeren bileşiklerdir.
z Hidrokarbonlar, yapılarına göre 2 ana sınıfa ayrılır : 1) Alifatik (benzen halkası içermeyen)
2) Aromatik (bir veya daha fazla benzen halkası içeren)
z Alifatik hidrokarbonlar ise, 1) Alkanlar
2) Alkenler 3) Alkinler
olarak sınıflandırılır.
Organik Kimya (devamı):
HİDROKARBONLAR
Aromatik Alifatik
Alkanlar Alkenler Alkinler
Alkanlar (Parafinler) :
z Genel Formül ;
C
nH
2n+2 n=1,2,3….z Tekli kovalent bağ içerirler.
z Sahip oldukları karbon atomları ile bağ yapabilecek en fazla sayıda hidrojen atomu içerdikleri için, doymuş hidrokarbonlardır.
z En basit alkan (n=1), metandır ; CH4
Metan ilk olarak bataklıklarda görüldüğü için, “bataklık gazı” olarak bilinir.
z Bütün alkanlarda karbon atomları sp3 hibridleşmiş olarak kabul edilir.
Alkanlar, C
nH
2n+2(devamı) :
z Düz zincirli alkanların ilk on üyesi aşağıdaki tabloda verilmiştir.
C Atomu Sayısı, n
Hidrokarbonun Adı
Molekül Formülü
Molekül Formülü (açık)
1 Metan CH4 CH4
2 Etan C2H6 CH3-CH3
3 Propan C3H8 CH3-CH2-CH3 4 Butan C4H10 CH3-(CH2)2-CH3 5 Pentan C5H12 CH3-(CH2)3-CH3 6 Hekzan C6H14 CH3-(CH2)4-CH3 7 Heptan C7H16 CH3-(CH2)5-CH3 8 Oktan C8H18 CH3-(CH2)6-CH3 9 Nonan C9H20 CH3-(CH2)7-CH3 10 Dekan C10H22 CH3-(CH2)8-CH3
Alkanlar (devamı) :
Molekül Ağırlığı, M
Metan Etan Propan Butan
Oto/jet yakıtı Bebe yağı → mum
Gaz
Sıvı Yarı katı
Katı 0
Alkanlar (devamı) :
z İlk üç alkanın yapısı : C Atomu
Sayısı, n
Hidrokarbonun Adı
Molekül Formülü
Yapısı
1 Metan CH4
2 Etan C2H6
3 Propan C3H8
Alkanlar (devamı) :
z İlk 3 alkanın yapısı açık olarak bellidir, bu moleküllerde karbon atomları sadece bir şekilde birbirine bağlanabilir.
Fakat butan için (n=4) yapısal izomerler (aynı molekül formülüne ancak farklı yapılara sahip moleküller) olarak bilinen n-butan ve izo-butan olmak üzere 2 bağlanma mümkündür.
n-butan (C H ) izo-butan (C H )
Alkanlar (devamı) :
z Alkan serilerinde karbon atomu sayısı arttıkça, yapısal izomer sayısı da artar.
Butan, C4H10 ► 2 izomer Dekan, C10H22 ► 75 izomer
C30H62 ► 400 milyondan fazla olası izomer
z Bu izomerlerin çoğunun doğada bulunmadığı veya
sentezlenemediği açıktır. Fakat bu olası sayılar, karbon atomunun neden diğer elementlerden daha fazla sayıda bileşikte bulunduğunu açıklamaktadır.
Alkanlar (devamı) :
z Bir eksik sayıda hidrojen atomuna sahip olan alkan, alkil grubudur. Örneğin, metandan bir hidrojen atomu uzaklaştırılırsa geriye kalan CH3 kısmı metil grubudur.
Alkanlar, (devamı) :
z Örnekler : Hidrokarbon
Adı
Alkil Grubu Adı
Formül Formül (açık)
Metan Metil CH3
C2H5 C3H7 C3H7
C4H9 C4H9
-CH3
Etan Etil -CH2-CH3
Propan n-propil -CH2-CH2-CH3
Propan İzo-propil CH3
-C-H CH3
Butan n-butil -CH2-CH2-CH2-CH3
Butan t-butil CH3
-C-CH3 CH3
Alkanlar, (devamı) :
z Molekülde bir veya daha fazla hidrojen atomu diğer gruplarla yer değiştirdiğinde, bileşik adlandırılırken bu değişimlerin yapıldığı karbon atomlarının yerleri numara ile belirtilmelidir.
Örnek :
CH3-CH-CH2-CH2-CH3 ► 2-metil pentan CH3
1 2 3 4 5
Alkanlar, (devamı) :
z Hidrokarbon zinciri üzerinde birden fazla aynı alkil grubu varsa, bunların sayıları di-, tri-, tetra-, gibi ön ekler alkil gruplarının başına getirilerek belirtilir.
Örnek :
CH3-CH-CH-CH2-CH2-CH3 ► 2,3-dimetil hekzan CH3 CH3
CH3
CH3-CH2-C-CH2-CH2-CH3 ► 3,3-dimetil hekzan CH
1 2 3 4 5 6
1 2 3 4 5 6
Alkanlar, (devamı) :
z İki veya daha fazla farklı alkil zinciri ana hidrokarbona bağlı ise, her alkil grubunun adı ve yer numarası ana hidrokarbonun adına ön ek olarak gelir.
Örnek :
CH3-CH2-CH-CH-CH2-CH2-CH3 ► 3-metil-4-etil heptan CH3 C2H5
1 2 3 4 5 6 7
Alkanlar, (devamı) :
z Alkanlar, alkil grupları
dışında farklı sübstitüentler de taşıyabilirler, bunlardan bazılarının isimleri tabloda verilmiştir.
Örnek :
CH3-CH-CH-CH3 Br NO2
2-bromo-3-nitro butan
1 2 3 4
Sübstitüent Grup
İsim
-NH2 amino
-F floro
-Cl kloro
-Br bromo
-I iyodo
-NO2 nitro
-CH=CH2 vinil
Sikloalkanlar :
z Karbon atomları halka halinde birbirine bağlanmış olan alkanlardır.
z Genel Formül ;
C
nH
2n n=3,4….z En basit sikloalkan, siklopropandır (C3H6).
H2C-CH2 CH2 Basit gösterimler,