Μοντέρνα συνθετικά πολυμερή:

από τη χημική δομή στις ιδιότητες

Δρ. Κώστας Σ. Πατρίκιος

11ο Επιμορφωτικό, Επιστημονικό, Συνέδριο Βιολόγων ΟΕΛΜΕΚ

Βιολογία: από την Υγεία μέχρι τη Βιοποικιλότητα

Σάββατο, 28 Μαρτίου 2015, 3:00 μμ

Τμήμα Χημείας

Σχολή Θετικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών

Πανεπιστήμιο Κύπρου

Μοντέρνα συνθετικά πολυμερή: από τα αθλητικά παπούτσια

στη μεταφορά γονιδίων

Δρ. Κώστας Σ. Πατρίκιος

11ο Επιμορφωτικό, Επιστημονικό, Συνέδριο Βιολόγων ΟΕΛΜΕΚ

Βιολογία: από την Υγεία μέχρι τη Βιοποικιλότητα

Σάββατο, 28 Μαρτίου 2015, 3:00 μμ

Τμήμα Χημείας

Σχολή Θετικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών

Πανεπιστήμιο Κύπρου

Περιεχόμενα

• Τα πολυμερή στην καθημερινή ζωή

• Ορισμοί: πολυμερή, μονομερή, ολιγομερή

• Σύνθεση πολυμερών

• Χαρακτηρισμός πολυμερών

• Συμβατικά συνθετικά πολυμερή

• «Εξωτικά» συνθετικά πολυμερή

• Βιολογικά πολυμερή

• Πράσινα πολυμερή

• Τα πολυμερή στο διαδίκτυο: Macrogalleria

• Συμπεράσματα

Παραδοσιακά Δομικά Υλικά Σκληρά

Πέτρα

Γυαλί

Μέταλλο

Τσιμέντο

Μαλακά

Ξύλο

Βαμβάκι

Μαλλί

Ιδιότητες Πολυμερών

• Καλή μηχανική αντοχή

• Χαμηλή πυκνότητα

• Χαμηλό κόστος

• Αντοχή στη διάβρωση

• Ηλεκτρική μόνωση

Πολυμερή στην καθημερινή ζωή

Πολυμερή καθημερινής ζωής (συνέχεια)

Συνδυασμός Πολυμερών

Πέλμα:

Συμπολυμερές

σκληρού-μαλακού

συστατικού

(πολυστυρένιο-co-

πολυβουταδιένιο)

Πλάι:

Μαλακό πολυμερές

(πολυϊσοπρένιο)

Εσωτερική

επικάλυψη:

Πολυμερές

αδιαπέραστο

στον αέρα

(πολυϊσοβουτυλένιο)

Εσωτερική

ενίσχυση:

Σύρμα από ατσάλι

ή από Kevlar

(αραμίδιο)

Παντού ενίσχυση:

Με σωματίδια

αιθάλης (< 1 μm)

Κι Άλλος Συνδυασμός Πολυμερών

Σόλα: Συμπολυμερές σκληρού-μαλακού

συστατικού (πολυστυρένιο-b-πολυβουταδιένιο)

Εσωτερικός πάτος:

Μαλακό πολυμερές

(πολυουραιθάνη)

Εξωτερική

ενίσχυση:

Δέρμα ζώου

(πρωτεΐνη,

βιολογικό

πολυμερές)

Κορδόνια:

Βαμβάκι

(πολυσακχαρίτης,

βιολογικό

πολυμερές)

Όγκοι Πωλήσεων Πολυμερών

17 εκατομ-

μύρια

τόνοι

πολυαι-

θυλένιο

το 2004

στις ΗΠΑ

17 δισεκ. $

Παγκόσμια παραγωγή: από 1,7 εκατομμύρια τόνους το 1950

σε 288 εκατομμύρια τόνους το 2012 !

Ορισμοί

• Πολυμερή: Μόρια μεγάλου μοριακού βάρους (ΜΒ)

• Μονομερή: Μόρια που μπορούν να μετατραπούν σε

πολυμερή

• Ολιγομερή (διμερή, τριμερή κλπ): Πρώτα

προϊόντα πολυμερισμού μονομερών

- μικρά πολυμερή: ΜΒ = 1000 – 20 000 g mol–1

- μεγάλα πολυμερή: ΜΒ = 20 000 – 107 g mol–1

Σύνθεση πολυμερών

• Πολυμερισμός ελευθέρων ριζών

εκκινητής +

πολυμερές

CH2 CH

Xnμονομερές

H2C CH

X

nθέρμανση

ή φως

• Πολυμερισμός συμπύκνωσης

+ H2O

μονομερές

H2N-(CH2)5-COOHn

πολυμερές

HN-(CH2)5-COn

θέρμανση

• Πολυμερισμός διάνοιξης δακτυλίου

H2C CH

CH3n

O

μονομερές

CH2 CH

CH3

O

n

πολυμερές

καταλύτης

Σύνθεση πολυμερών και Nobel Χημείας 2005

• Αντίδραση μετάθεσης ολεφινών

• Πολυμερισμός μετάθεσης διάνοιξης δακτυλίου

Y. Chauvin

Inst. Pétrole

R.H. Grubbs

Caltech, ΗΠΑ

R.R. Schrock

MIT, ΗΠΑ

καταλύτης

CH

CH

R2

R1

HC

HC

R3

R4

+HC CH

R1 R3

HC CH

R4R2

+

καταλύτης

+ +HC CH

H2C CH2

H2C CH2

HC CH

H2C CH2

H2C CH2

HC CH

H2C CH2

H2C CH2

CH

H2C

H2C CH2

CH2

CH

CC

H2C

H2C CH2

CH2

CH

CC

H2C

H2C CH2

CH2

CHH H

Αρχιτεκτονικές πολυμερών • Γραμμικά

• Διακλαδισμένα

• Πλέγματα

Χαρακτηρισμός πολυμερών • Μοριακό βάρος

• Σύσταση

• Δομή-μορφολογία

• Μηχανική αντοχή

- σκέδαση φωτός

- οσμωμετρία

- ιξωδομετρία

- χρωματογραφία

- φασματοσκοπία NMR

- στοιχειακή ανάλυση

- ηλεκτρονική μικροσκοπία

- διαφορική θερμιδομετρία (DSC)

- περίθλαση ακτίνων Χ

- σκέδαση SAXS και SANS

- καμπύλες δύναμης-επιμήκυνσης

- δοκιμασία κρούσης

- δοκιμασία κάμψης

Συμβατικά συνθετικά πολυμερή

• Πολύ σκληρά πολυμερή

• Σκληρά πολυμερή

• Μαλακά πολυμερή

• Λάστιχα

Κατάταξη σύμφωνα με τις μηχανικές ιδιότητες

Κρυσταλλικά: νάυλον, HDPE

Υαλώδη: πολυστυρένιο, plexiglas

Πλαστικά: πολυϊσοβουτυλένιο, καουτσιούκ

Ελαστομερή (διασταυρωμένα πλαστικά):

βουλκανισμένο καουτσιούκ

NN

NH

O

O

H

H

O

O

NH

NN

NH

O

O

H

H

O

O

NH

NN

NH

O

O

H

H

O

O

NH

SS

S

S

S

S

Συμβατικά συνθετικά πολυμερή

• Καλή μηχανική αντοχή

• Χαμηλή πυκνότητα

• Χαμηλό κόστος

• Αντοχή στη διάβρωση

• Οργανικές ενώσεις

• Ηλεκτρικοί μονωτές

• Ασύμβατα με βιολογικούς ιστούς

• Αδιάλυτα στο νερό

Κύριες ιδιότητες

«Εξωτικά» συνθετικά πολυμερή

• Ηλεκτρικά αγώγιμα

• Ανόργανα

• Βιοϊατρικά

Ηλεκτρικά αγώγιμα πολυμερή • Πολυανιλίνη

• Πολυπυρρόλιο

• Πολυακετυλένιο

N

H

n

N

H

n

n

Nobel Χημείας το 2000 στους

Heeger, MacDiarmid και Shirakawa

Ανόργανα πολυμερή • Πολυ(φωσφαζίνες)

• Πολυ(θειαζύλη)

• Πολυ(νιτρίδιο του βορίου)

P N

R

Rn

S

N S

N

n

BN N

N

B

N

N

BB B

B

N

• Μέταλλα – οργανικά πολυμερή, νανοτεχνολογία

Βιοϊατρικά πολυμερή

• Πολυ(διμεθυλοσιλοξάνιο)

• Πολυ(τετραφθοροαιθυλένιο)

• Πολυ(γαλακτικό οξύ)

Si O

CH3

CH3 n

C C

F F

F F

n

CH

C O

OH3C

n

Βιοϊατρικά πολυμερή (συνέχεια)

• Κατιοντικά αστεροειδή πολυμερή

Εφαρμογή: Συμπύκνωση DNA ή RNA και εισαγωγή τους στο κύτταρο

Μηχανισμός: Συμπλοκοποίηση αρνητικά φορτισμένου DNA με θετικό πολυμερές

Σημασία: Γενετική θεραπεία ή διάγνωση

• T. K. Georgiou, Polym. Int. 2014, 63, 1130-1133.

• K. S. Pafiti, C. S. Patrickios, T. K. Georgiou, E. N. Yamasaki, N. P. Mastroyiannopoulos, L. A. Phylactou Eur. Polym. J.

2012, 48, 1422-1430

• K. S. Pafiti, N. P. Mastroyiannopoulos, L. A. Phylactou, C. S. Patrickios, Biomacromolecules 2011, 12, 1468-1479.

• T. K. Georgiou, L. A. Phylactou , C. S. Patrickios. Biomacromolecules 2006, 7, 3505-3512.

• T. K. Georgiou, M. Vamvakaki, L. A. Phylactou , C. S. Patrickios. Biomacromolecules 2005, 6, 2990-2997.

• T. K. Georgiou, M. Vamvakaki, C. S. Patrickios, E. N. Yamasaki, L. A. Phylactou. Biomacromolecules 2004, 5, 2221-2229.

Βιολογικά πολυμερή

• Πρωτεΐνες

• Πολυ(πυρηνικά οξέα)

• Πολυσακχαρίτες

- ένζυμα

- αντισώματα

- δομικό υλικό

- μεταφορείς

- ορμόνες

- DNA

- RNA

- άμυλο

- κυτταρίνη

- γλυκογόνο

“Πράσινα” πολυμερή • Υλικά πετρελαϊκής προέλευσης

• Υλικά από ανανεώσιμες πηγές

• Πράσινα πολυμερή

- Αυξανόμενο κόστος

- Εξάντληση

- Ρύπανση περιβάλλοντος

- Μειούμενο κόστος

- Φυσική ανανέωση

- Συμβατά με το περιβάλλον

- Φυσικά πολυμερή

- Από φυσικά μονομερή

τουλιπαλίνη

λιπαρά

υδροξυ-

οξέα

ταννίνες

τερπένια

Τα πολυμερή στο διαδίκτυο

Από τον καθηγητή Lon J. Mathias

University of Southern Mississippi

http://www.pslc.ws/mactest/index.htm

Macrogalleria (συνέχεια)

Macrogalleria για παιδιά!

PAUL LEMUR

(polymer)

Συμπεράσματα

πολυμερή σε

καθημερινή

χρήση Παρελθόν

Παρόν

Μέλλον

πολυμερή

υψηλής

τεχνολογίας

- βιοϊατρική

- νανοτεχνολογία

Ιδιότητες /

Λειτουργίες

μαλακό /

σκληρό /

ελαφρύ

αγώγιμο /

υδατοδιαλυτό/

διασπώμενο /

βιοσυμβατό

;;;

Η ομιλία σε φιλμάκι

Ομιλία Κώστα Πατρικίου • facebook Βιολόγων

https://www.facebook.com/groups/670297819664373/1088887251138759/?comment_id=1089101171117367&ref=notif&notif_t=like

• http://www.biosyn-oelmek.org/

• Ιστοσελίδα Συνδέσμου Βιολόγων ΟΕΛΜΕΚ http://www.biosyn-oelmek.org/?page_id=352 youtube

• https://www.youtube.com/watch?v=7VKveozAux8#t=106