Polimeri funcționali

1.Polimeri functionali. Definire, caracteristici, strategii de obtinere, aplicatii, istoric

Polimerii, respectiv compusii macromoleculari in general, sunt compusi chimici constituiti dintr-un numar mare de unitati repetitive mici si adesea identice, legate covalent, provenite din monomerii respectivi, numite si unitati structurale. Pot fi naturali, artificiali sau sintetici.

Din prima categorie fac parte biomacromoleculele (produsi ai organismelor vii). Biopolimerii induc rezistenta si flexibilitate formei detin functii si informatii specifice in sistemul biologic, fara de care viata nu ar putea exista (ex. polizaharide, polipeptide, poliizopren, DNA, etc).

Polimerii artificiali si sintetici, pe de alta parte, ocupa un rol important in stiinta si ingineria materialelor, datorita proprietatilor specifice si mai ales prelucrabilitatii, care a permis transformarea lor in produse industriale. Ca urmare, incepand cu secolul al XX-lea acestia au inlocuit in multe aplicatii materialele clasice.

Vizandu-se aplicatii in domenii de avangarda (electronica, tehnologia informatiei, biomedicina, managementul/protectia mediului), cercetarile in domeniu s-au orientat in ultimele decenii mai ales spre introducerea de functii specifice noi in polimerii sintetici dar si naturali, Polimerii rezultati fac parte din categoria polimerilor functionali. Polimerii functionali sunt polimeri anorganici si organici ce prezinta reactivitate chimica specifica sau detin proprietati fizice, biologice, terapeutice, farmaceutice speciale Sunt cunoscuti si sub denumirea de polimeri speciali / cu proprietati speciale. Aceasta denumire isi are originea in:

- procedeele elaborate de preparare dar si de manufacturare, structurare a componentelor,

- valoarea mare inglobata si

- cantitatea scazuta in care se utilizeaza.

Obtinerea, caracterizarea si evaluarea lor pentru aplicatii specifice prezinta un deosebit interes din punct de vedere teoretic si practic. Din punct de vedere aplicativ prezinta valoare ca atare sau ca aditivi (in procese de prelucrare sau pentru etapa de exploatare). In plus, in ultimele decenii rolul lor de elemente de constructie/caramizi in obtinerea unor materiale polimere cu proprietati avansate a crescut tot mai mult, devenind actual esential in realizarea materialelor micro-nanostructurate.

Functionalizarea in sens clasic presupune introducerea de grupari chimice in molecula unui polimer, sau transformarea unei grupe preexistente in structura acestuia intr-o alta grupare functionala in baza unor strategii fizice sau chimice, avand ca efect introducerea unor proprietati specifice materialului polimer final, corelat cu domeniul de aplicare. Interesul crescator pentru aceste materiale a fost legat initial de avantaje precum: costul scazut, facilitati de prelucrare, posibilitati de imbunatatire a cunoasterii in domeniul proceselor de transformare a polimerilor conventionali in vederea asigurarii/introducerii unei grupe largi de noi caracteristici. S-au realizat astfel produsi comerciali, produse cu valoare intrinseca sau utilizate ca aditivi, precum: sorbenti, agenti de compatibilizare, membrane polimere, rasini poroase (schimbatori de ioni), elastomeri speciali. Un avantaj important il prezinta si faptul ca legarea unor componente active pe o catena largeste domeniul de activitate fara a afecta sanatatea oamenilor si mediul inconjurator. Polimerii functionali pot astfel contribui la managementul mediului, respectiv vehicularea chimicalelor in conditii de securitate.

In cea de a doua jumatate a secolului XX importanta materialelor polimere, mai ales in domeniul tehnologiilor informationale si al comunicatiilor, a crescut datorita flexibilitatii design-ului molecular, accesibilitatii, diversitatii, prelucrabilitatii si posibilitatii de integrare a proprietatilor termice si mecanice cu o mare diversitate de proprietati optice, electrice si electro-optice. Cererea de noi performante a condus la elaborarea unor noi monomeri si catalizatori cu eficienta si selectivitate crescuta, dar si a unor metode preparative inovatoare care asigura controlul in sinteza: polimerizare prin metateza, polimerizare living, polimerizare cu transfer de grupa, metode combinate etc. Obtinerea materialelor cu proprietati predeterminate presupune controlul structurii primare, astfel incat cercetarile in domeniu au luat amploare. In chimia clasica, sinteza controlata a polimerilor functionali era o adevarata provocare, datorita incompatibilitatii dintre grupele functionale si centrii activi de propagare pe durata procesului de polimerizare (polimerizare ionica). Aceasta bariera a fost depasita prin dezvoltarea noilor alternative de polimerizare radicalica controlata (ATRP - polimerizare radicalica cu transfer de atom). Si in aceasta etapa s-a apelat la combinarea unor metode diferite de sinteza (de ex. polimerizare cu deschidere de ciclu/polimerizare radicalica controlata) pentru obtinerea de materiale noi, performante, ce nu puteau fi realizate prin metode clasice. S-au obtinut noi clase de polimeri, cu aplicatii mai ales in electronica/energetica si medicina: polimeri semi-, foto- electroconductori, optic activi, cu proprietati de cristal lichid, polimeri suport pentru componente active (ex. catalizatori sau medicamente).

Odata cu trecerea in secolul XXI s-a trecut treptat, in scopul obtinerii de performante crescute, de la controlul la nivel macro la cel la nivel micro si chiar nano, in viitor prevazandu-se un control al arhitecturii moleculare. Daca in etapele anterioare una dintre directii se referea la materiale macro apoi microstructurate, acum acestea au capatat importanta crescanda, accent deosebit punandu-se insa pe studiul/obtinerea de materiale nanostructurate, materiale pentru care dimensiunile structurale in domeniul corespunzator, dicteaza performantele finale. Principii de baza:

1.Cu cat mai mica este dimensiunea, cu atat mai puternic este raspunsul;

2.Functionalitatea este mai importanta decat dimensiunea.

Cele mai multe intra in categoria materialelor inteligente si necesita polimeri functionali ca element de constructie, intermediari (reactivi sau nu), aditivi etc.

Se caracterizeaza prin:

-proprietati specifice in masa, la suprafata sau interfata;

-topografie, arhitectura interioara si functionalitate controlata;

-complexitate (materiale multifunctionale, cu functionalitate graduala, materiale hibride biominetice).

Termenul de functionalitate/functionalizare isi largeste astfel semnificatia, referindu-se si la introducerea unor noi proprietati in vederea realizarii unei anumite functii prin procedee moderne, neconventionale, ce exploateaza diverse tipuri de interactiuni specifice (legaturi de hidrogen, de tip hidrofob-hidrofob, van der Waals s.a.): replicare a polimerilor prin tehnici litografice, matritare, stantare; sinteza, prelucrare, cu ajutorul plasmei; auto-asamblare si auto-organizare, sinteza controlata prin templare s.a. Acestea duc adesea la structuri nanostructurate.

Noile strategii imbina frecvent in acest scop cunostintele privind fenomenele de suprafata cu noile tehnici de polimerizare controlata.

Printre noile alternative se pot mentiona: polimerizare cu imprintare moleculara, autoansamblare, reactiile sol-gel, modificare/sinteza sub actiunea campurilor exterioare (energia luminoasa - UV, laser, camp magnetic, ultrasunete), separare in microfaze combinata cu reactii pe polimer s.a. Principalul scop il reprezinta obtinerea de polimeri inteligenti, definiti ca fiind materiale polimere ce au capacitate de selectie si executie a unor functii specifice ca raspuns la stimuli externi, cu aplicatii in domenii de performanta. Au caracter biomimetic.