Özgün İçerikBilim TarihiKimya

Polimer Kimyasının Tarihçesi

Yazan: Sertan Koç

Düzenleyen: Ümit Sözbilir

Özet: İnsanlığın polimerlerle tanışması ilk çağlara kadar dayanmaktadır. Doğada lif hâlinde bulunan yün, ipek, pamuk ve keten türü polimerler çeşitli amaçlarla insanlar tarafından kullanılmıştır. Tarihsel gelişim içinde doğal polimerler yerlerini modifiye edilmiş doğal polimerlere yani yarı sentetik polimerlere ardından tamamen sentetik polimerlere bırakmışlardır.

Polimer Nedir?

Polimer, iki veya daha fazla fonksiyonel gruba1 sahip molekülün veya moleküllerin belirli koşullar altında bir araya gelerek oluşturdukları makro moleküllerdir. Bu moleküller o kadar büyüktür ki molekül kütleleri 100.000 hatta 1.000.000 g/mol olarak ifade edilir [1] [2]. Polimerin ana zincirini oluşturan atomların türü açısından organik ve inorganik polimerler olarak iki sınıfa ayrılabilir. Organik polimerler ana zincirinde karbon, hidrojen ve oksijen atomlarının bulunduğu polimerlerdir. Yan grup olarak sülfür, silisyum, azot ve fosfor gibi inorganik atomlar ya da bunların bir araya geldiği moleküller bulundurabilir. İnorganik polimerler ise ana zincirinde silisyum, azot ve fosfor gibi atomların ya da bunların bir araya geldiği moleküllerin bulunduğu polimerlerdir. Yan grup olarak karbon, hidrojen ve oksijen atomları ya da bunların bir araya geldiği moleküller bulunabilir. Canlılığın yapı taşı polimerler dersek hiç de abartmış olmayız çünkü hayvanlar ve bitkileri oluşturan polimerlerdir.

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 1. Organik polimer
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 2. İnorganik polimer2

Polimer denince akla ilk gelen şey plastiklerdir ancak plastikler polimerlerin yalnızca küçük bir kısmıdır. A’dan Z’ye tüm alanlarda kullanılan polimerler teknolojinin ucuzlamasına ve verimli bir şekilde kullanılmasına olanak sağlamıştır. Örneğin bugün ticari uzay yolculuklarını konuşabiliyorsak bunu polimerik malzemelerin gelişimine borçluyuz. Kısa bir özet yapmak gerekirse polimerlere hükmeden evrene hükmeder. Şimdi gelin hep birlikte polimer kimyasının tarihçesini inceleyelim.

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 3. Jöns Jakob Berzelius

Polimerin Tarihçesi

İnsanlığın polimerlerle tanışması ilk çağlara kadar dayanmaktadır. Doğada lif hâlinde bulunan yün, ipek, pamuk ve keten türü polimerler çeşitli amaçlarla insanlar tarafından kullanılmıştır [9]. Polimer kavramı ilk olarak İsviçreli bilim insanı Jöns Jakob Berzelius tarafından ortaya atıldı. Ancak 1930’lara kadar polimer kavramı bilim çevreleri tarafından kabul edilmedi. Tarihsel gelişim içinde doğal polimerler yerlerini modifiye edilmiş doğal polimerlere yani yarı sentetik polimerlere bırakmışlardır. Modifiye edilmesinin sebebi yeterli özelliklere sahip olmayan doğal polimerlere fiziksel ve mekanik özelliklerini değiştiren katkı, dolgu vb. maddelerin eklenmesidir.

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 4. Hevea Brasiliensis ağacından toplanan lateks (kauçuk)

Polimerlerin modifikasyonuna yönelik ilk uygulamalara, pişirme işlemiyle etin içerisindeki protein ve yumurta albuminin3 denatüre4 edilmesi örnek verilebilir. Sentetik olarak polimerler yapılmadan önce insanlar polimerleri bitkilerden elde ediyordu. Örneğin doğal kauçuk (poli (cis-1,4-izopren)), Hevea Brasiliensis isimli kauçuk ağacının özsütü olan lateksinden elde edilir. 1839 yılında Charles Goodyear ve Nelson Goodyear elastik karakterli doğal kauçuğu, az miktarda kükürtle ısıtarak (vulkanizasyon işlemi) kullanışlı hâle getirmiştir. Modifiye edilen doğal kauçuktan su geçirmez botlar, yağmurluklar, lastik gibi ürünler üretilmiştir. Doğal kauçuğa daha fazla kükürtle ısıtıldığında ebonite5 dönüştürmüşlerdir.

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 5. Polimerleşme reaksiyon şeması

1844 yılında J. Mercer, pamuğu (selüloz) baz ile etkinleştirerek (merserizasyon) endüstriyel kullanıma uygun yüksek ve iyi boyanabilen merserize pamuğu geliştirdi. 1860 yılında Alexander Parkes ve John Wesley Hyatt pamuğu düşük oranlarda nitrolayarak selüloit’i sentezlemişlerdir. selüloit sıcaklık ve yüksek basınçta şekillendirilerek fotoğraf filmi, tarak, kutu, bıçak sapı, tuvalet malzemeleri, bilardo topları (fildişinin yerine) ve takma diş gibi değişik eşyaların yapımında kullanılmıştır. Hilaire de Chardonnet 1887 yılında selüloz nitratı küçük deliklerden (düze) basınç atında geçirerek ilk yarı sentetik lifi üretmeyi başarmıştır. Bu ana kadar doğada bulunan polimerleri farklı kimyasallarda modifiye ederek daha kullanışlı hâle getirilmiştir.

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 6. Leo Hendrick Baekeland

20. yüzyılın başlarında polimer kimyasında bir devrim yaşandı ve ilk sentetik polimer sentezlendi. 1907 yılında Amerikalı bilim insanı Leo Hendrick Baekeland tarafından tamamen sentetik ilk polimer olan fenol-formaldehit reçinelerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Bazik koşullarda fenol ve aşırı formaldehitten bakaliti, asidik ortam az miktarda formaldehitle fenolü tepkimeye sokarak novolak adındaki termoplastik reçineler sentezlendi. Bakalit ilk sentetik polimer olarak bilinmektedir. Sert bir polimer olan bakalit yaygın kullanım alanı buldu ve elektronik cihazların dış kaplamaları, kablo izolasyonu, elektrik düğmeleri gibi birçok malzemenin yapımında kullanıldı. 

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 7. İlk sentetik polimer: Bakalit

Yukarıda verilen gelişmeler tamamen deneysel çalışmaların sonucunda deneme yanılma yoluyla kuramsal veriden uzak olarak bulunmuştur. 1924 yılında Hermann Staudinger polimerlerin zincire benzer uzun moleküller olduğunu (makro moleküller hipotezi), büyük mol kütlesine sahip olabileceği ve polimer çözeltilerinin viskozitelerinin moleküllerin şekil ve büyüklüğüne bağlı olduğunu öne sürdü. 1930 kadar destek görmeyen bu fikir, karakterizasyon cihazlarının gelişmesiyle destek görmeye başladı. Polimer teknolojisinin deneme-yanılma yaklaşımından kurtulmasını sağlamış olan Staudinger 1953’te Nobel Ödülü kazandırmıştır.

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 8. Naylon 6,6 sentez reaksiyonu

1930’da polimer kavramının kabulüyle adeta polimer çağı başlamış oldu. 1935 yılında ilk sentetik iplik olan naylonun türevi naylon 6,6 (poliamid) DuPont firması tarafından üretilmiş olup 1939 yılında da naylon 6 (Perlon)’un üretimi gerçekleştirilmiştir. 1936 yılında, poliakrilonitril, stiren–akrilonitril kopolimeri ve polivinilasetat, 1937 yılında, poliüretan, 1938’de politetrafloroetilen (teflon), 1939’da melamin formaldehit (Formika) reçineleri, 1940’ta silikonların hammaddesi olan silanlar, 1941’de polietilen ve polietilentereftalat, 1942’de de orlon ticari adıyla poliakrilonitril fiber üretimleri gerçekleştirilmiştir. II. Dünya Savaşı sonrasındaki yıllarda yeni polimerlerin sentezi artarak devam etmiş, 1947’de epoksi reçineleri, 1948’de ABS (Akrilonitril–Butadien Stiren Terpolimeri) sentezlenmiştir.

Polimer Kimyasına Verilen Ödüller

1901 yılından beri hemen hemen her yıl verilen Nobel kimya ödülleri 4 kez polimer kimyası alanına verilmiştir;

Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 9. Herman Staudinger
  • Evren, moleküller oluşturmak üzere bir araya gelen atomlardan oluşmuştur. 1900’lerin başında kimyagerler bu moleküllerin ne kadar büyük olabileceğini tartışıyorlardı. 1920’lerin başında Herman Staudinger bunların çok büyük (on, hatta yüzbinlerce atom büyüklüğünde) olabileceğini iddia etti. Küçük moleküllerin uzun zincirler oluşturmak için nasıl birleşebileceğini ve böylece çok büyük moleküller, yani polimerler hâline gelebileceğini gösterdi. Plastik gibi sentetik malzemelerin geliştirilmesinin temeli oldu. Bu nedenle 1953 Nobel Kimya Ödülü, “makromoleküler kimya alanındaki keşiflerinden dolayı” Hermann Staudinger’e verildi.
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 10. Karl Ziegler
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 11. Giulio Natta
  • Polimerlerin kimyasal ve fiziksel özelliklerini etkileyen en önemli unsurlardan bir tanesi makro molekülün geometrisidir. Molekülün ana zincirine bağlanacak olan yan zincirleri düzgün bir şekilde yönlendirmeyi sağlayan katalizörleri keşfinden dolayı Karl Ziegler’e ve bu yöntemi polimerlere uygulayan Giulio Natta’ya 1963 Nobel Kimya Ödülü, “yüksek polimerlerin kimyası ve teknolojisi alanındaki keşiflerinden dolayı” ortaklaşa verildi.
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 12. Paul Flory
  • 1930’ların ortalarında Paul Flory, polimerlerin fiziksel ve kimyasal özelliklerin belirlenmesine yönelik yaptığı çalışmalar ve katılma polimerizasyonunun mekanizmasının aydınlatmasından dolayı 1974 Nobel Kimya Ödülü, “makromoleküllerin fiziksel kimyasındaki hem teorik hem de deneysel temel başarılarından dolayı” Paul J. Flory’ye verildi.
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 13. Alan Heeger
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 14. Alan MacDiarmid
Polimer Kimyasının Tarihçesi
Görsel 15. Hideki Shirakawa

Plastik genellikle elektriği iletmez ancak 1970’lerin sonunda Alan Heeger, Alan MacDiarmid ve Hideki Shirakawa iletken polimerler üretmenin mümkün olduğunu gösterdi. Makro molekül zincirdeki karbon atomları arasında değişen tekli ve çiftli bağları veya elektriği ileten atomların eklenmesi yoluyla polimerlere iletken özellik kazandırılmıştır. Bu sayede elektronik cihazlarda iletken polimerler kullanmak daha ucuz olduğu için teknolojinin gelişmesinin önü açılmıştır. 2000 Nobel Kimya Ödülü Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid ve Hideki Shirakawaya “iletken polimerlerin keşfi ve geliştirilmesi” için ortaklaşa verildi.

Newton, Daha ileriyi görebildiysem, bunu omuzlarından baktığım devlere borçluyum, demişti. Biz de bu makalede polimer kimyasına devlerin omuzlarından baktık. Aşağıdaki tabloda polimerlerin tarihsel gelişimi özet şeklinde verilmiştir.

TarihGelişme
1800’den öncePamuk, yün, keten, kenevir gibi lifler; deri ve selüloz tabakaları (kâğıt); doğal kauçuk
1839Charles Goodyear tarafından Kauçuğun kükürtle sertleştirilmesi (vulkanizasyon)
1847Christian Friedrich Schönbein tarafından ilk defa selülozun nitrolaması (nitro selüloz)
1851Nelson Goodyear’ın eboniti geliştirmesi (daha fazla kükürtle sertleştirilmiş kauçuk)
1868John Wesley Hyatt ve Alexander Parkes’ın selüloiti geliştirmesi (selüloz nitrat)
1889Hilaire de Chardonnet’in rejenere selülozik lifleri geliştirilmesi (Chardonnet ipeği)
1892C. F. Cross, E. J. Bevan ve C. Beadle tarafından viskoz rayon liflerin geliştirilmesi
1909Leo Hendrik Baekeland tarafından fenol formaldehit reçinelerini sentezlemesi (Bakelit)
1912Rejenere selüloz tabaka ve levhaların geliştirilmesi
1920Hermann Staudinger’in 1953 Nobel ödülünü almasını sağlayan makro molekül kavramı ilk kez dile getirmesi
1924Selüloz asetat liflerin geliştirilmesi
1926Alkid reçineleri geliştirilmesi
1927Poli (vinil klorür) geliştirilmesi
1929Üre formaldehit reçineler geliştirilmesi
1930Polimerlerin varlığının kabulü
1935Poli (metil metakrilat) geliştirilmesi
1936Poli (vinil asetat) ve poli (vinil bütiral)’ın geliştirilmesi
1937Paul Flory’nin polimerin fiziksel özelliklerinin açıklaması ve katılma polimerizasyonun mekanizmasının aydınlatması. Bu çalışmasından dolayı 1974 Nobel Kimya ödülünü almıştır.
1937Polistirenin geliştirilmesi. Stirenbütadien ve stiren akrilonitril kopolimerleri (elastomerler)nin geliştirilmesi.
1938Naylon 6,6 liflerinin Wallace Carothers tarafından geliştirilmesi
1939Melamin formaldehit reçinelerinin ve neopren kauçuğunun geliştirilmesi
1941Düşük yoğunluklu polietilenin geliştirilmesi
1942Doymamış poliesterlerin geliştirilmesi
1943Floro karbon reçinelerin, silikonların ve poliüretanların geliştirilmesi
1947Epoksi reçinelerin geliştirilmesi
1948Akrilonitril-bütadien-stiren kopolimerinin (ABS elastomeri) geliştirilmesi
1950Poliester liflerin geliştirilmesi
1955Karl Ziegler ve Giulio Natta’nın sterospesifik polimerler veren katalizörler sentezi. Bu çalışmalarından dolayı 1965 Nobel Kimya ödülünü almışlardır.
1957Yüksek yoğunluklu polietilen, polipropilen, polikarbonatın geliştirilmesi
1959Polibütadien ve poliizopren elastomerlerinin geliştirilmesi
1964İyonomerin geliştirilmesi
1965Poliimitlerin geliştirilmesi
1970Termoplastik elastomerlerin geliştirilmesi
1974Aromatik poliamitlerin geliştirilmesi
1977Alan Heeger, Alan MacDiarmid ve Hideki Shirakawa’nın iletken poliasetileni sentezlemesi. Bu çalışmalarından dolayı 2000 Nobel Kimya ödülünü almışlardır.
Çizelge 1. Polimerlerin tarihsel gelişimi.

1 Fonksiyonel grup, içinde bulundukları moleküllerin karakteristik kimyasal tepkimelerinden sorumlu belli atom gruplarıdır.

2 Köşeli parantezin sağ altında bulunan n, polimerdeki tekrarlanan birim sayısını ifade etmektedir. Bu sayı 1000, 10.000, 1.000.000 veya daha fazla olabilir.

3 Albumin: Yumurtanın beyaz kısmındaki protein.

4 Denatürasyon, protein veya nükleik asitlerin doğal yapısında mevcut olan ikincil, üçüncül ve dördüncül yapılarının bazı fiziksel ve kimyasal dış etkilerle bozularak birincil yapılarına dönüşmeleri sürecidir.

5 Ebonit: Kauçuğun kükürtle karıştırılmasıyla oluşturulmuş sert plastiğe verilen addır.

Kaynak
[1] Seçkin, T. (2015). Polimer kimyası: Fonksiyonel Yaklaşım ve Uygulamaları. Seçkin Yayıncılık.[2] Saçak, M. (2020). Polimer Kimyası (9th ed.). Gazi Kitapevi.[3] Milli Eğitim Bakanlığı. (2006). Polimerlerin Fiziksel Özellikleri 2 (Meslekî Eğitim ve Öğretim Sisteminin Güçlendirilmesi Projesi, Plastik Teknolojisi). [4] Karakışla Şahin, M. (n.d.). Ders: KİM432 Kauçuk Kimyası ve Teknolojisi, Hafta: 3-4-Hafta [Slide show; Online]. Açık Ders Ankara Üniversitesi. [5] Nobel Prize Organization. (n.d.). Hermann Staudinger – Facts. Nobel Prize. [6] Nobel Prize Organization. (n.d.). Paul J. Flory – Facts. Nobel Prize. [7] Nobel Prize Organization. (n.d.). The Nobel Prize in Chemistry 1963. Nobel Prize. Nobel Prize Organization. (n.d.). The Nobel Prize in Chemistry 2000. Nobel Prize. [9] Seymour, R. (2012). Applications of Polymers (Softcover reprint of the original 1st ed. 1988). Springer.

Sertan Koç

Kocaeli Üniversitesi Kimya Bölümü mezunuyum ve Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Kimya Mühendisliği bölümünde yüksek lisans eğitimime devam ediyorum. Çalışma alanım polimerik malzemeler.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu