พอลิเมอร์อุตสาหกรรมที่สำคัญสารประกอบทางเคมีที่ใช้ในการผลิตวัสดุอุตสาหกรรมสังเคราะห์
ในการผลิตเชิงพาณิชย์ของพลาสติกอีลาสโตเมอร์เส้นใยที่มนุษย์สร้างขึ้นกาวและสารเคลือบพื้นผิวมีการใช้โพลีเมอร์หลากหลายชนิด มีหลายวิธีในการจำแนกสารประกอบเหล่านี้ ในบทความพอลิเมอร์อุตสาหกรรมเคมีของโพลีเมอร์ถูกแบ่งประเภทตามว่าเกิดจากปฏิกิริยาการเติบโตแบบโซ่หรือแบบขั้นตอน ในพลาสติก (เรซินเทอร์โมพลาสติกและเทอร์โมเซตติง) โพลีเมอร์ถูกแบ่งระหว่างชนิดที่ละลายได้ในตัวทำละลายที่เลือกและสามารถทำให้อ่อนตัวลงได้ด้วยความร้อน (เทอร์โมพลาสติก) และที่ก่อตัวเป็นเครือข่ายสามมิติซึ่งไม่ละลายน้ำและไม่สามารถทำให้นิ่มได้ด้วยความร้อนโดยไม่สลายตัว (เทอร์โมเซต). ในบทความเส้นใยที่มนุษย์สร้างขึ้นเส้นใยถูกจัดประเภทว่าทำจากโพลีเมอร์ธรรมชาติดัดแปลงหรือทำจากโพลีเมอร์สังเคราะห์ทั้งหมด
ในบทความนี้โพลีเมอร์ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จะถูกแบ่งตามองค์ประกอบของ "กระดูกสันหลัง" ซึ่งเป็นโซ่ของหน่วยการทำซ้ำที่เชื่อมโยงซึ่งประกอบเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ พอลิเมอร์อุตสาหกรรมจำแนกตามองค์ประกอบคือโพลีเมอร์สายโซ่คาร์บอน (เรียกอีกอย่างว่าไวนิล) หรือโพลีเมอร์เฮเทอโรเชน (เรียกอีกอย่างว่า noncarbon-chain หรือ nonvinyls) ในโพลีเมอร์สายโซ่คาร์บอนดังที่ชื่อหมายถึงกระดูกสันหลังประกอบด้วยการเชื่อมโยงระหว่างอะตอมของคาร์บอน ในโพลีเมอร์เฮเทอโรไคน์มีองค์ประกอบอื่น ๆ จำนวนมากเชื่อมโยงเข้าด้วยกันในกระดูกหลัง ได้แก่ ออกซิเจนไนโตรเจนกำมะถันและซิลิกอน
โพลีเมอร์โซ่คาร์บอน
โพลีโอเลฟินส์และโพลีเมอร์ที่เกี่ยวข้อง
พอลิเมอร์อุตสาหกรรมที่สำคัญที่สุด (ตัวอย่างเช่นพลาสติกสำหรับสินค้าโภคภัณฑ์เกือบทั้งหมด) คือโอเลฟินส์โพลีเมอร์ โอเลฟินส์คือไฮโดรคาร์บอน (สารประกอบที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน [H] และคาร์บอน [C]) ซึ่งโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนคู่หนึ่งซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยพันธะคู่ ส่วนใหญ่มักได้มาจากก๊าซธรรมชาติหรือจากองค์ประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำของปิโตรเลียม ได้แก่ เอทิลีนโพรพิลีนและบิวทีน (บิวทิลีน)
โมเลกุลของโอเลฟินมักแสดงด้วยสูตรเคมี CH 2 = CHR โดย R แสดงถึงกลุ่มโมเลกุลของอะตอมหรือจี้ที่มีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ในฐานะที่เป็นหน่วยการทำซ้ำของโมเลกุลพอลิเมอร์โครงสร้างทางเคมีของพวกมันสามารถแสดงเป็น:
องค์ประกอบและโครงสร้างของ R เป็นตัวกำหนดว่าโพลีเมอร์จะแสดงคุณสมบัติใดในอาร์เรย์ขนาดใหญ่
โพลีเอทิลีน (PE)
เอทิลีนที่ผลิตโดยทั่วไปโดยการแตกของก๊าซอีเทนเป็นพื้นฐานสำหรับพลาสติกชั้นเดียวที่ใหญ่ที่สุดคือพอลิเอทิลีน เอทิลีนโมโนเมอร์มีองค์ประกอบทางเคมี CH 2 = CH 2 ; ในฐานะหน่วยการทำซ้ำของโพลีเอทิลีนมีโครงสร้างทางเคมีดังต่อไปนี้:
โครงสร้างที่เรียบง่ายนี้สามารถสร้างได้ในรูปแบบเชิงเส้นหรือแบบแยกส่วนเช่นที่แสดงในรูปที่ 1 และ 2 รุ่นที่แตกกิ่งก้านเรียกว่าโพลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (LDPE) หรือโพลิเอทิลีนความหนาแน่นต่ำเชิงเส้น (LLDPE) รุ่นเชิงเส้นเรียกว่าโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) และโพลิเอทิลีนน้ำหนักโมเลกุลสูงพิเศษ (UHMWPE)
ในปีพ. ศ. 2442 ฮันส์ฟอนเพชแมนน์นักเคมีชาวเยอรมันได้สังเกตเห็นการก่อตัวของตะกอนสีขาวระหว่างการสลายตัวของไดอะโซมีเทนในอีเทอร์โดยอัตโนมัติ ในปี 1900 สารประกอบนี้ถูกระบุโดยนักเคมีชาวเยอรมัน Eugen Bamberger และ Friedrich Tschirner ว่าเป็น polymethylene ([CH 2 ] n ) ซึ่งเป็นโพลีเมอร์ที่แทบจะเหมือนกับโพลีเอทิลีน ในปีพ. ศ. 2478 นักเคมีชาวอังกฤษ Eric Fawcett และ Reginald Gibson ได้รับข้าวเหนียวซึ่งเป็น PE ที่เป็นของแข็งในขณะที่พยายามทำปฏิกิริยาเอทิลีนกับเบนซาลดีไฮด์ที่ความดันสูง เนื่องจากผลิตภัณฑ์มีศักยภาพในการใช้งานน้อยการพัฒนาจึงช้า ด้วยเหตุนี้ PE ในอุตสาหกรรมแรกซึ่งเป็น LDPE ที่แตกแขนงอย่างผิดปกติจึงไม่ได้ผลิตโดย Imperial Chemical Industries (ICI) จนถึงปีพ. ศ. 2482 ถูกใช้ครั้งแรกในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเป็นฉนวนสำหรับสายเรดาร์
ในปีพ. ศ. 2473 Carl Shipp Marvel นักเคมีชาวอเมริกันซึ่งทำงานเป็นที่ปรึกษาที่ EI du Pont de Nemours & Company, Inc. ได้ค้นพบผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูง แต่ DuPont ไม่สามารถรับรู้ถึงศักยภาพของวัสดุ Karl Ziegler จาก Kaiser Wilhelm (ปัจจุบันคือ Max Planck) Institute for Coal Research ที่Mülheim an der Ruhr, Ger. ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2506 ในการประดิษฐ์ Linear HDPE ซึ่ง Ziegler ผลิตร่วมกับ Erhard Holzkamp ใน ในปีพ. ศ. 2496 โดยเร่งปฏิกิริยาที่ความดันต่ำด้วยสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกต่อจากนี้ไปเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler ด้วยการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและวิธีการพอลิเมอไรเซชันที่แตกต่างกันนักวิทยาศาสตร์จึงผลิต PE ที่มีคุณสมบัติและโครงสร้างต่างๆ ตัวอย่างเช่น LLDPE ได้รับการแนะนำโดย บริษัท Phillips Petroleum ในปี พ.ศ. 2511
LDPE เตรียมจากเอทิลีนที่เป็นก๊าซภายใต้แรงกดดันที่สูงมาก (สูงถึง 350 เมกะปาสคาลหรือ 50,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) และอุณหภูมิสูง (สูงถึง 350 ° C หรือ 660 ° F) ต่อหน้าตัวริเริ่มเปอร์ออกไซด์ กระบวนการเหล่านี้ให้โครงสร้างโพลีเมอร์ที่มีทั้งกิ่งยาวและกิ่งสั้น ด้วยเหตุนี้ LDPE จึงเป็นเพียงผลึกบางส่วนเท่านั้นซึ่งให้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูง การใช้งานหลักคือฟิล์มบรรจุภัณฑ์ถังขยะและถุงขายของชำวัสดุคลุมดินทางการเกษตรฉนวนลวดและสายเคเบิลขวดบีบของเล่นและของใช้ในบ้าน
LDPE บางตัวทำปฏิกิริยากับคลอรีน (Cl) หรือคลอรีนและซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO 2 ) เพื่อแนะนำคลอรีนหรือคลอโรซัลโฟนิลกลุ่มตามโซ่โพลิเมอร์ การปรับเปลี่ยนดังกล่าวส่งผลให้โพลีเอทิลีนคลอรีน (CM) หรือโพลีเอทิลีนคลอโรซัลโฟเนต (CSM) ซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่เป็นผลึกและยืดหยุ่น ในกระบวนการที่คล้ายกับการวัลคาไนเซชันการเชื่อมข้ามระหว่างโมเลกุลสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกลุ่มคลอรีนหรือคลอโรซัลโฟนิลทำให้วัสดุกลายเป็นของแข็งที่เป็นยาง เนื่องจากโซ่พอลิเมอร์หลักอิ่มตัวยาง CM และ CSM จึงทนต่อการเกิดออกซิเดชั่นและการโจมตีของโอโซนได้สูงและปริมาณคลอรีนของพวกมันจะให้ความต้านทานต่อเปลวไฟและความต้านทานต่อการบวมของน้ำมันไฮโดรคาร์บอน ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับสายยางสายพานซีลทนความร้อนและผ้าเคลือบ
LLDPE มีโครงสร้างคล้ายกับ LDPE ทำโดยโคพอลิเมอไรเซชันเอทิลีนที่มี 1 บิวทีนและ 1-hexene และ 1-octene ในปริมาณที่น้อยกว่าโดยใช้ Ziegler-Natta หรือตัวเร่งปฏิกิริยา metallocene โครงสร้างที่ได้นั้นมีกระดูกสันหลังเชิงเส้น แต่มีกิ่งก้านที่สั้นและสม่ำเสมอซึ่งเช่นเดียวกับกิ่งก้านที่ยาวกว่าของ LDPE จะป้องกันไม่ให้โซ่โพลีเมอร์รวมกันอย่างใกล้ชิด ข้อได้เปรียบหลักของ LLDPE คือสภาวะพอลิเมอไรเซชันนั้นใช้พลังงานน้อยกว่าและคุณสมบัติของพอลิเมอร์อาจเปลี่ยนแปลงได้โดยการเปลี่ยนแปลงประเภทและปริมาณของโคโมโนเมอร์ (โมโนเมอร์โคพอลิเมอร์ที่มีเอทิลีน) โดยรวมแล้ว LLDPE มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับ LDPE และแข่งขันได้ในตลาดเดียวกัน
HDPE ผลิตขึ้นที่อุณหภูมิและความกดดันต่ำโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา Ziegler-Natta และ metallocene หรือโครเมียมออกไซด์ที่เปิดใช้งาน (เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาฟิลลิปส์) การขาดกิ่งก้านทำให้โซ่พอลิเมอร์รวมตัวกันอย่างใกล้ชิดส่งผลให้วัสดุที่มีความหนาแน่นสูงและมีผลึกสูงมีความแข็งแรงสูงและมีความแข็งปานกลาง การใช้งาน ได้แก่ ขวดเป่าขึ้นรูปสำหรับนมและน้ำยาทำความสะอาดบ้านถังฉีดขึ้นรูปฝาขวดตัวเรือนและของเล่น
UHMWPE สร้างขึ้นด้วยน้ำหนักโมเลกุลตั้งแต่ 3 ล้านถึง 6 ล้านหน่วยอะตอมซึ่งต่างจากหน่วยอะตอม 500,000 หน่วยสำหรับ HDPE โพลีเมอร์เหล่านี้สามารถปั่นเป็นเส้นใยและดึงหรือยืดออกเป็นผลึกสูงทำให้มีความแข็งสูงและมีความต้านทานแรงดึงสูงกว่าเหล็กหลายเท่า เส้นด้ายที่ทำจากเส้นใยเหล่านี้นำมาทอเป็นเสื้อเกราะกันกระสุน
