Χημεία πολυμερών

Ιστορία

Η χημεία των πολυμερών ξεκίνησε μελετώντας τις μακριές ίνες των φυτών. Το έργο του Henri Braconnot το 1777 και το έργο του Christian Schönbein το 1846 οδήγησαν στην ανακάλυψη της νιτροκυτταρίνης. Η νιτροκυτταρίνη επεξεργασμένη με καμφορά δημιουργεί κυτταροειδές. Οι χημικοί διαλύουν την κυτταρινοειδή σε αιθέρα ή ακετόνη για να φτιάξουν κολλόδιο. Οι γιατροί χρησιμοποιούσαν το κολλόδιο ως επίδεσμο πληγών από τον εμφύλιο πόλεμο των ΗΠΑ. Η οξική κυτταρίνη παρασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1865. Το 1834, ο Friedrich Ludersdorf και ο Nathaniel Hayward ανακάλυψαν ανεξάρτητα ότι η προσθήκη θείου στο ακατέργαστο φυσικό καουτσούκ (πολυισοπρένιο) βοηθούσε στην αποφυγή του να γίνει το υλικό κολλώδες. Το 1844 ο Charles Goodyear έλαβε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των ΗΠΑ για τον βουλκανισμό του καουτσούκ με θείο και θερμότητα. Ο Thomas Hancock είχε λάβει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την ίδια διαδικασία στο Ηνωμένο Βασίλειο ένα χρόνο νωρίτερα.

Το 1884, ο Hilaire de Chardonnet ξεκίνησε το πρώτο εργοστάσιο τεχνητών ινών με βάση την αναγεννημένη κυτταρίνη ή βισκόζη, ως υποκατάστατο του μεταξιού, αλλά ήταν πολύ εύφλεκτο. Το 1907 ο Leo Baekeland εφηύρε το πρώτο συνθετικό πολυμερές, μια θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη φαινόλης-φορμαλδεΰδης που ονομάζεται βακελίτης. Περίπου την ίδια εποχή, ο Hermann Leuchs ανέφερε τη σύνθεση Ν-καρβοξυανυδριτών και των προϊόντων υψηλού μοριακού βάρους τους κατά την αντίδραση με πυρηνόφιλα. Όμως ο Leuchs δεν τα ονόμασε πολυμερή, ενδεχομένως λόγω των ισχυρών απόψεων του Emil Fischer, του άμεσου προϊσταμένου του, που αρνιόταν τη δυνατότητα οποιουδήποτε ομοιοπολικού μορίου που ξεπερνούσε τα 6.000 δαλτόνια. Το σελοφάν εφευρέθηκε το 1908 από τον Jocques Brandenberger, ο οποίος έριξε φύλλα βισκόζης σε όξινο λουτρό.

Το 1922, ο Hermann Staudinger (Γερμανός χημικός) πρότεινε ότι τα πολυμερή είναι μεγάλες αλυσίδες ατόμων που συγκρατούνται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς. Πρότεινε επίσης να ονομάσει αυτές τις ενώσεις "μακρομόρια". Πριν από αυτό, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα πολυμερή ήταν συστάδες μικρών μορίων (που ονομάζονταν κολλοειδή), χωρίς καθορισμένο μοριακό βάρος, που συγκρατούνταν μεταξύ τους από μια άγνωστη δύναμη. Ο Staudinger έλαβε το βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1953.

Ο Wallace Carothers εφηύρε το πρώτο συνθετικό καουτσούκ που ονομάστηκε νεοπρένιο το 1931. Το νεοπρένιο ήταν ο πρώτος πολυεστέρας. Ο Carothers συνέχισε να εφευρίσκει το νάιλον, ένα πραγματικό υποκατάστατο του μεταξιού, το 1935. Στον Paul Flory απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1974 για την εργασία του σχετικά με τις τυχαίες διαμορφώσεις πολυμερών σπειρών σε διάλυμα τη δεκαετία του 1950. Η Stephanie Kwolek ανέπτυξε ένα αραμίδιο, ή αρωματικό νάιλον με την ονομασία Kevlar, που κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1966.

Υπάρχει πλέον μεγάλος αριθμός εμπορικών πολυμερών. Περιλαμβάνουν σύνθετα υλικά όπως ανθρακονήματα-εποξειδικά, πολυστυρένιο-πολυβουταδιένιο (HIPS), ακρυλονιτρίλιο-βουταδιένιο-στυρένιο (ABS). Οι χημικοί σχεδιάζουν τα εμπορικά πολυμερή ώστε να συνδυάζουν τις καλύτερες ιδιότητες των διαφόρων συστατικών τους. Για παράδειγμα, τα ειδικά πολυμερή που χρησιμοποιούνται στους κινητήρες των αυτοκινήτων έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες.

Χρειάστηκε να περάσει πολύς καιρός μέχρι τα πανεπιστήμια να εισαγάγουν προγράμματα διδασκαλίας και έρευνας στην πολυμερική χημεία. Ένα "Institut fur Makromolekulare Chemie" ιδρύθηκε το 1940 στο Φράιμπουργκ της Γερμανίας υπό τη διεύθυνση του Hermann Staudinger. Στην Αμερική ιδρύθηκε το 1941 από τον Herman Mark στο Πολυτεχνικό Ινστιτούτο του Μπρούκλιν (σήμερα Πολυτεχνικό Ινστιτούτο του NYU) ένα "Polymer Research Institute" (PRI). Αρκετές εκατοντάδες απόφοιτοι του PRI διαδραμάτισαν σημαντικό ρόλο στην αμερικανική βιομηχανία πολυμερών και στον ακαδημαϊκό χώρο. Άλλα PRI ιδρύθηκαν το 1961 από τον Richard S. Stein στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, Amherst, το 1967 από τον Eric Baer στο Πανεπιστήμιο Case Western Reserve και το 1988 στο Πανεπιστήμιο του Akron.