Polymeeri on suuri molekyyli koostuu ketjuista tai renkaista kytketyissä toistuvissa alayksiköissä, joita kutsutaan monomeereiksi. Polymeereillä on yleensä korkea sulatus ja kiehumispisteet. Koska molekyylit koostuvat monista monomeereistä, polymeereillä on taipumus olla korkeat molekyylimassat.
Sana polymeeri tulee kreikkalaisesta etuliitteestä poly-, joka tarkoittaa "monia", ja loppuliite -Mer, joka tarkoittaa "osia". Sanan keksi ruotsalainen kemisti Jons Jacob Berzelius (1779–1848) vuonna 1833, vaikka sillä oli hieman erilainen merkitys kuin nykypäivän määritelmässä. Saksalaisten orgaaninen kemisti Hermann Staudinger (1881–1965) ehdotti nykyaikaista ymmärtämistä polymeereistä makromolekyyleinä.
Esimerkkejä polymeereistä
Polymeerit voidaan jakaa kahteen luokkaan. Luonnollisiin polymeereihin (joita kutsutaan myös biopolymeereiksi) kuuluvat silkki, kumi, selluloosa, villa, meripihka, keratiini, kollageeni, tärkkelys, DNA ja sellakka. Biopolymeerit palvelevat organismien avaintoimintoja toimimalla rakenneproteiineina, funktionaalisina proteiineina, nukleiinihapoina, rakenteellisina polysakkaridina ja energian varastointimolekyyleinä.
Synteettiset polymeerit valmistetaan kemiallisella reaktiolla, usein laboratoriossa. Esimerkkejä synteettisistä polymeereistä ovat PVC (polyvinyylikloridi), polystyreeni, synteettinen kumi, silikoni, polyeteeni, neopreeni ja nailon. Synteettisiä polymeerejä käytetään muovien, liimojen, maalien, mekaanisten osien ja monien yleisten esineiden valmistukseen.
Synteettiset polymeerit voidaan ryhmitellä kahteen luokkaan. Lämpökovettuvat muovit valmistetaan nestemäisestä tai pehmeästä kiinteästä aineesta, joka voidaan muuttaa palautumattomasti liukenemattomaksi polymeeriksi kovettamalla käyttämällä lämpöä tai säteilyä. Lämpökovettuvat muovit ovat yleensä jäykkiä ja niillä on suuret molekyylipainot. Muovi pysyy muodoltaan epämuodostuneena ja hajoaa tyypillisesti ennen sulamista. Esimerkkejä lämpökovettuvista muoveista ovat epoksi, polyesteri, akryylihartsit, polyuretaanit ja vinyyliesterit. Bakeliitti, Kevlar ja vulkanoitu kumi ovat myös lämpökovettuvia muoveja.
Termoplastiset polymeerit tai lämpökovettuvat muovit ovat muun tyyppisiä synteettisiä polymeerejä. Vaikka lämpökovettuvat muovit ovat jäykkiä, kestomuovipolymeerit ovat kiinteitä jäähtyessään, mutta ovat taipuisia ja ne voidaan muovata tietyn lämpötilan yläpuolelle. Vaikka lämpökovettuvat muovit muodostavat palautumattomia kemiallisia sidoksia kovettuessaan, kestomuoveissa sitoutuminen heikkenee lämpötilan myötä. Toisin kuin termosetit, jotka hajoavat sen sijaan, että sulavat, kestomuovit sulavat nesteeksi kuumentuessaan. Esimerkkejä kestomuoveista ovat akryyli, nylon, teflon, polypropeeni, polykarbonaatti, ABS ja polyeteeni.
Lyhyt historia polymeerikehityksestä
Luonnollisia polymeerejä on käytetty muinaisista ajoista lähtien, mutta ihmiskunnan kyky syntetisoida tarkoituksella polymeerejä on melko viimeaikainen kehitys. Ensimmäinen ihmisen muovi oli nitroselluloosa. Brittiläinen kemisti Alexander Parkes (1812–1890) suunnitteli prosessin sen valmistamiseksi vuonna 1862. Hän käsitteli luonnollista polymeeriselluloosaa typpihapolla ja liuottimella. Kun nitroselluloosaa käsiteltiin kamforilla, se tuotti selluloidi, polymeeri, jota käytetään laajasti elokuvateollisuudessa ja muovattavana korvauksena norsunluulle. Kun nitroselluloosa liuotettiin eetteriin ja alkoholiin, siitä tuli kollodiota. Tätä polymeeriä käytettiin kirurgisena sidoksena alkaen Yhdysvaltain sisällissodasta ja sen jälkeen.
Kumin vulkanointi oli toinen suuri saavutus polymeerikemiassa. Saksalainen kemisti Friedrich Ludersdorf (1801–1886) ja amerikkalainen keksijä Nathaniel Hayward (1808–1865) löysivät itsenäisesti lisäävän rikki luonnonkumiin auttoi pitämään sitä tahmeasta. Brittiläinen insinööri kuvasi kumin vulkanointiprosessin lisäämällä rikkiä ja lisäämällä lämpöä Thomas Hancock (1786–1865) vuonna 1843 (brittiläinen patentti) ja amerikkalainen kemisti Charles Goodyear (1800–1860) vuonna 1844.
Vaikka tutkijat ja insinöörit pystyivät valmistamaan polymeerejä, vasta vuonna 1922 ehdotettiin selitys niiden muodostumiselle. Hermann Staudinger ehdotti kovalenttisia sidoksia, jotka pitivät pitkiä atomiketjuja. Staudinger ehdotti polymeerien toiminnan selittämisen lisäksi myös makromolekyylien nimeä kuvaamaan polymeerejä.