เคมี ม.6 เรื่องพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ (polymer) คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วยหน่วยเล็กๆ ของสาร (repeating unit) ที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมี เรียกว่า พันธะโควาเลนต์ (Covalent bond)

1.มอนอเมอร์(monomer) คือ หน่วยเล็กๆ ในพอลิเมอร์

2.พอลิเมอไรเซชัน (polymerization) คือ ปฏิกิริยาการทำให้เกิดพอลิเมอร์ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการรวมตัวของมอนอเมอร์แต่ละชนิด ภายใต้สภาวะต่างๆ เช่น
ตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิ ความดัน เป็นต้น

ปัจจุบันเรามีการนำพอลิเมอร์มาใช้ในการอำนวยความสะดวกในชีวิตอย่างแพร่หลาย เรียกกันได้ว่าเราสามารถเจอพอลิเมอร์ได้ในทุกมิติของการดำรงชีวิต ได้แก่

1. ด้านการแพทย์ มีการใช้ยาง ในการทำลูกสูบกระบอกฉีดยา กระเปาะบีบหลอดหยด จุกยาง ใช้พลาสติก ในการทำข้อเทียม เป็นต้น
2. ด้านการก่อสร้าง พบว่า มีการใช้ไม้ ( เซลลูโลส ) ในการก่อสร้างและทำเฟอร์นิเจอร์ต่างๆ ใช้ PMMA ( Polymethymethaacrylate ) ในการทำป้ายร้านค้า ป้ายโฆษณา โคมหลังคา กรอบแว่นตา เลนซ์ โคมไฟ เฟอร์นิเจอร์  ใช้พอลีเอทิลีน ( Polyethylene ) ทำสายเคเบิล แผ่นกันความชื้นในอาคาร  ใช้พอลีคาร์บอเนต (Polycarbonate) ทำโคมไฟสาธารณะ พอลีโพรพิลีน (Polypropylene) ใช้ทำโต้ะ เก้าอี้ เชือก พรม ใช้พอลีไวนิล คลอไรด์  ( Polyvinylchloride ) กระดาษปิดผนัง กระเบื้องปูพื้น และฉนวนหุ้มสายไฟ
3. ด้านผลิตภัณฑ์ที่ใช้บรรจุอาหาร ใช้พอลีเอทิลีน ( Polyethylene ) ทำถุงบรรจุอาหาร ถาดทำน้ำแข็งในตู้เย็น ขวดและภาชนะบรรจุของเหลว ใช้พอลี่ไวนิล คลอไรด์  ( Polyvinylchloride ) ทำถ้วยและถาดบรรจุอาหารชนิดแผ่นบาง ใช้ทำถุงและพลาสติกบรรจุของ ขวดน้ำมันพืชชนิดต่างๆ ใช้พอลีคาร์บอเนต (Polycarbonate) ทำขวดนมชนิดดี เป็นต้น

พอลิเมอร์ (Polymer) คือ สารประกอบที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ และมีมวลโมเลกุลมากประกอบด้วย หน่วยเล็ก ๆ ของสารที่อาจจะเหมือนกันหรือต่างกันมาเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโคเวเลนต์

มอนอเมอร์ (Monomer) คือ หน่วยเล็ก ๆ ของสารในพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ แบ่งตามเกณฑ์ต่าง ๆ ดังนี้

แบ่งตามการเกิด

ก. พอลิเมอร์ธรรมชาติ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ เช่น โปรตีน แป้ง เซลลูโลส ยางธรรมชาติ

ข. พอลิเมอร์สังเคราะห์ เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์เพื่อใช้ประโยชน์ต่าง ๆ เช่น พลาสติก ไนลอน ดาครอนและลูไซต์

แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ที่เป็นองค์ประกอบ 

ชนิดของพอลิเมอร์แบ่งตามการเกิด

1. พอลิเมอร์ธรรมชาติ(Natural polymer)เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเช่น แป้ง ไกลโคเจน เซลลูโลส (ทั้งสามชนิด นี้มีน้ำตาลกลูโคสเป็นมอนอเมอร์) โปรตีน (มีกรดอะมิโนเป็นมอนอเมอร์) DNA RNA (มีนิวคลีโอไทด์เป็นมอนอเมอร์) ยางธรรมชาติเส้นใยธรรมชาติเป็นต้น
2. พอลิเมอร์สังเคราะห์(Synthetic polymer)
เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากการสังเคราะห์โดยปฏิกิริยาเคมี เช่น พอลีเอทิลีน พอลีโพรพิลีน เป็นต้น ซึ่งพอลิเมอร์เหล่านี้เรียกว่า เม็ดพลาสติก ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่อเนื่อง เรียกว่า ปิโตรเคมีเพื่อใช้ประโยชน์ในการผลิตวัสดุต่างๆ เช่น พลาสติก ไนลอน (Nylon) ดาครอน (Dacron) และลูไซต์(Lucite) เป็นต้น

ชนิดของพอลิเมอร์แบ่งตามชนิดของมอนอเมอร์ ที่เป็นองค์ประกอบ

1. โฮโมพอลิเมอร์(Homopolymer) เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์
ชนิดเดียวกัน เช่น แป้ง (มอนอเมอร์คือกลูโคส) ยางธรรมชาติ (มอนอเมอร์คือไอโซพรีน) PVC (มอนอเมอร์คือไวนิลคลอไรด์) พอลิเอทิลีน (มอนอเมอร์คือเอทิลีน) เป็นต้น
2. โคพอลิเมอร์(Copolymer) เป็นพอลิเมอร์ที่ประกอบด้วยมอนอเมอร์ ต่างชนิดกัน เช่น โปรตีน (มอนอเมอร์คือกรดอะมิโนต่างชนิดกัน) ไนลอน (มอนอเมอร์
คือกรดอะดิปิกและเฮกซะเอทิลีนไดเอมีน) พอลียูรีเธน (มอนอเมอร์คือ1,2-เอทิลีนไดไอโซไซยาเนตและ1,2-เอทิลีนไกลคอล) เป็นต้น

โครงสร้างของพอลิเมอร์

พอลิเมอร์แบบเส้น (Linear polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เกิดจากมอนอเมอร์สร้างพันธะต่อกันเป็นสายยาว โซ่พอลิเมอร์เรียงชิดกันมากว่าโครงสร้างแบบอื่นๆ จึง
มีความหนาแน่นและจุดหลอมเหลวสูง มีลักษณะแข็ง เหนียวกว่าโครงสร้างอื่นๆ เมื่อ ได้รับความร้อนจะอ่อนตัว แข็งตัวเมื่ออุณหภูมิต่ า และละลายได้ในตัวท าละลายบางชนิด
ตัวอย่าง เช่น

▪ พอลิเมอร์ที่สายโซ่เรียงชิดกันมาก จะเป็นพอลิเมอร์ที่แข็งแรง ขุ่นและเหนียว เช่น พอลิเอทิลีน (PE)
▪ พอลิเมอร์ที่มีโมเลกุลอยู่ห่างกัน จะเป็นพอลิเมอร์ที่มีความโปร่งใสมากยิ่งขึ้น เช่น พอลิสไตรีน (PS)
▪ พอลิเมอร์ที่มีอะโรมาติกเป็นองค์ประกอบของสายโซ่ จะเป็นพอลิเมอร์ที่เกิดผลึกได้ยาก
ทำให้มีความใสกว่าพอลิเมอร์แบบเส้นชนิดอื่น เช่น พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต

พอลิเมอร์แบบเส้น (Linear polymer) ถ้าให้ A และ B แทนมอนอเมอร์
โครงสร้างอย่างง่ายของ โฮโมพอลิเมอร์จะเป็นดังนี้
A-A-A-A-A-A-A-A-A-A = Linear homopolymer
ส่วน โคพอลิเมอร์มีรูปแบบดังนี้
A-B-A-B-A-B-A-B-A-B = Alternating copolymer
(เป็นพอลิเมอร์ที่มีมอนอเมอร์A และ B เรียงสลับกันเป็นช่วง หน่วยต่อหน่วย)
A-A-B-B-B-B-A-A-A-A = Block copolymer
(เป็นกลุ่มของมอนอเมอร์A และ B ที่เรียงสลับกันเป็นกลุ่ม)
A-A-A-B-A-B-A-A-B-B = Random copolymer
(เป็นมอนอเมอร์A และ B เรียงสลับกันอย่างอิสระ)

โครงสร้างของพอลิเมอร์
2. พอลิเมอร์กิ่งสาขา (graft polymer) พอลิเมอร์ชนิดนี้จะมีส่วนประกอบสองส่วน คือ ส่วนที่เป็นโซ่หลัก และส่วนที่เป็นโซ่กิ่ง โดยโซ่หลักจะต้องประกอบด้วย
มอนอเมอร์ชนิดเดียวเท่านั้น ส่วนมอนอเมอร์อีกชนิดจะเป็นโซ่กิ่ง กิ่งที่แตกจากพอลิเมอร์ของโซ่หลักท าให้ไม่สามารถจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ให้ชิดกันได้มาก จึงมีความหนาแน่นและ
จุดหลอมเหลวต่ ายืดหยุ่นได้ ความเหนียวต่ า โครงสร้างเปลี่ยนรูปได้ง่ายเมื่ออุณหภูมิ เพิ่มขึ้น ตัวอย่าง เช่น พอลิเอทิลีนชนิดความหนาแน่นต่ำ (LDPE)

โครงสร้างของพอลิเมอร์

3. พอลิเมอร์ร่างแห (Cross-link polymer) เป็นพอลิเมอร์ที่เป็น
ร่างแห มีสายหลายสายเชื่อมต่อกัน ซึ่งเป็นได้ทั้งแบบโฮโมพอลิเมอร์และโคพอลิเมอร์พอลิ
เมอร์ชนิดนี้มีความแข็งแกร่ง และเปราะหักง่าย ตัวอย่าง เช่น
▪เบกาไลต์ (Bakelite: phenol-formaldehyde resin)

▪พอลิเมลามีนฟอร์มาลดีไฮด์ (Melamine-formaldehyde polymer) ใช้ทำถ้วยชาม

ประเภทของปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน มี 2 แบบ คือ

ก. แบบปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction polymerization อาจเรียกเป็นปฏิกิริยาแบบเติม (addition polymerization)
มอนอเมอร์ทุกหน่วยมาต่อกันโดยไม่มีสิ่งใดหลุดออกมา มอนอเมอร์ต่างชนิดกันมีหมู่ฟังก์ชันต่างชนิดกันต่อกันเป็นโมเลกุลใหญ่และ มีโมเลกุลเล็กหลุดออกมาด้วย

ข. แบบปฏิกิริยาขั้นตอน (step reaction polymerization)
อาจเรียกเป็นปฏิกิริยาแบบควบแน่น (condensation polymerization) มอนอเมอร์ต่างชนิดกันมีหมู่ฟังก์ชันต่างชนิดกันต่อกันเป็นโมเลกุลใหญ่และ
มีโมเลกุลเล็กหลุดออกมาด้วย

ประเภทของปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน

ก. แบบปฏิกิริยาลูกโซ่ (chain reaction polymerization)
อาจเรียกเป็นปฏิกิริยาแบบเติม (addition polymerization)
ปฏิกิริยาเป็นแบบหลายขั้นตอน แต่ละขั้นตอนจะต้องใช้อนุภาคที่ว่องไวมา
ก่อให้เกิดปฏิกิริยา แล้วท าให้เกิดอนุภาคใหม่ต่อไปเรื่อยๆ อนุภาคที่ว่องไวนี้
อาจเป็น ฟรีเรดิคัล แคตไอออน หรือ แอนไอออน ปฏิกิริยาแต่ละปฏิกิริยาจะ
ขึ้นกับปฏิกิริยาที่เกิดก่อนหน้า

ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันของเอทิลีน
rad + CH2=CH2 → rad-CH2CH2 → rad-CH2CH2CH2CH2 →

พอลิเมอไรเซชันแบบปฏิกิริยาลูกโซ่
แบ่งชนิดของปฏิกิริยาออกได้เป็น 2 แบบ ตามชนิดอนุภาคที่ว่องไว คือ

ฟรีเรดิคัลไวนิลพอลิเมอไรเซชัน (Free radical vinyl polymerization) อนุภาคที่เข้าทำปฏิกิริยาคือ

ฟรีเรดิคัลไอออนิกพอลิเมอไรเซชัน (Ionic polymerization) ไอออนที่เข้าทำปฏิกิริยา อาจเป็นแคตไอออนหรือแอนไอออนก็ได้ ขึ้นกับชนิดของตัวริเริ่มที่ใช้

บทนี้จะกล่าวถึงหัวข้อทางเคมีอินทรีย์ของพอลิเมอร์ที่น่าสนใจ โดยมีเนื้อหาเกี่ยวกับ การประยุกต์ใช้ปฏิกิริยาทางเคมีอินทรีย์เพื่อเพิ่มและดัดแปรหมู่ฟังก์ชันบนโซ่พอลิเมอร์ เพื่อออกแบบโครงสร้างทางเคมีของพอลิเมอร์และเพื่อเชื่อมต่อโมเลกุลที่สนใจลงบนโซ่พอลิเมอร์ ซึ่งเป็นการประยุกต์ ใช้ความรู้ทางเคมีอินทรีย์ผนวกกับความรู้ทางด้านปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันเพื่อสังเคราะห์พอลิเมอร์ ให้ได้สมบัติตามต้องการ โดยมีหัวข้อ ดังนี้

ปฏิกิริยาการเพิ่มหมู่ฟังก์ชันบนโซ่พอลิเมอร์ กล่าวถึง รายละเอียดเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีเพื่อเพิ่มและดัดแปรหมู่ฟังก์ชันบนโซ่พอลิเมอร์ โดยหมู่ฟังก์ชันเหล่านี้จะมีประโยชน์ในการทำปฏิกิริยาต่อได้ เช่น ใช้ในการตรึงสารอินทรีย์หรือสารชีวโมเลกุลที่สนใจบนโซ่พอลิเมอร์ได้ หรือใช้ในปฏิกิริยาการเชื่อมโยงตาข่ายพอลิเมอร์ได้ เป็นต้น

การสังเคราะห์พอลิเมอร์ร่วมแบบกลุ่มและแบบต่อกิ่ง ซึ่งทำได้หลายแนวทางโดยแต่ละแนวทางจะมีประสิทธิภาพการสังเคราะห์ที่แตกต่างกัน

การเชื่อมต่อสารชีวโมเลกุลบนโซ่พอลิเมอร์ เป็นการเชื่อมต่อทั้งแบบพันธะโควาเลนต์ (covalent bonding) และแบบไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ (non-covalent bonding) โดยผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเชื่อมต่อสารชีวโมเลกุลนี้เรียกว่า ไบโอคอนจูเกต (bioconjugate)

การสังเคราะห์พอลิเมอร์ คืออะไร

การสังเคราะห์พอลิเมอร์ เกิดจากปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่า ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน (Polymerization) ของมอนอเมอร์ มีอยู่ 2 แบบหลัก ๆ โดยแบ่งตามลักษณะการเกิดปฏิกิริยา ดังนี้

1. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบต่อเติม (Addition Polymerization) คือ ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์จากมอนอเมอร์ที่มีพันธะคู่รวมตัวกัน เมื่อเกิดการรวมตัวพันธะคู่จะเปิดออกแล้วต่อกันเป็นพอลิเมอร์ที่ยาวออกไป เกิดเป็นไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัว โดยอาศัยอุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยาที่เหมาะสม

2. ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่น (Condensation Polymerization) เกิดจากมอนอเมอร์อย่างน้อย 2 ชนิดมารวมกัน โดยแต่ละชนิดมีหมู่ที่ทำหน้าที่เฉพาะมากกว่าหนึ่งหมู่ เมื่อรวมหรือควบแน่นกันจะมีสารโมเลกุลเล็ก

ขอบคุณข้อมูล https://www.nupress.grad.nu.ac.th