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 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.

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.

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.

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.

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. 

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.

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;

• 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.

• 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.

• 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.

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.

_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.