background image

SPECIALTY POLYMERS 

Prof. Andrzej W. Trochimczuk

Laboratory of Polymer and 

Carbonaceous Materials

Faculty of Chemistry

Wroclaw University of 

Technology

Building H6 room 110, Wt i Czw 11.15-
13.00

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• In this introductory lecture we will try to 

define the basic terms in polymer chemistry

• To find out how apparently small changes in 

polymer chemistry of physical structure 
make these polymers unique

• Try to find out how polymers are so 

different when compared to other classes of 
materials

background image

SPECIALTY POLYMERS 

What are the polymers?

          

•Molecules that are formed by linking of the 
repeating units through covalent bonds
•MW below 1000 Da, 1000-10 000 and >10 000 
•Properties are determined by:

•molecular weight
•backbone structure
•side chains presence and position
•crystallinity

•Macromolecules have huge molecular weights 
(up to few millions Da)

background image

SPECIALTY POLYMERS 

Polymers

 are large molecules made up of repeating 

units called 

Monomers

The synthetic process is

 Polymerization.

E.g. 

C

H

2

CH

2

CH

2

CH

2

 

O

CH

2

CH

2

 

Monomer

Polymerization

Polymer

n

Monomer

Polymerization

Polymer

n

Note – define repeating unit in terms of monomer structure

Degree of Polymerization

 is the number of monomer units in a Polymer

However, for synthetic polymers it is more accurate to state 

average degree of polymerization ( ¯ )

DP

background image

SPECIALTY POLYMERS 

?

The use of average degree of polymerization is a must 
because in one batch of synthesis you obtain molecules 
of different size

This feature is 

unique to polymers!

background image

SPECIALTY POLYMERS

• number average, 

M

n

• weight average, M

w

N

i

: # of molecules with degree of 

polymerization of i

M

i

: molecular weight of i

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• Ratio of M

w

 to M

n

 is known as the 

polydispersity index (PI)

– a measure of the distribution of the 

molecular weight

– PI = 1 indicates M

w

 = M

n

, i.e. all 

molecules have equal length 

(monodispersive polymer)

– PI = 1 is typical for some natural 

polymers, whereas synthetic polymers 

have 1.5 < PI < 5

– At best PI = 1.05 can be attained with 

special techniques

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• Asymmetric substitution pattern of 

most monomers

• Addition may not be completely

 

regiospecific

not 100% head-to-tail

Y

X

*

X Y

X Y

Y X

Y

*

X

head-to-head

tail-to-tail

C C

C O
OH

tail

head

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• Isotactic:

 

all side groups in one side of main 

chain zig-zag

R

H

R

H

R

H

H R

H R

H R

R

H

H R

R

H

R

R

H

H R

*

*

H

Syndiotactic:

 

side groups alternating

R

H

R

H

R

H

R H

R H

R H

R

H

R H

R

H

H

R

H

R H

*

*

R

•Atactic:

 

side groups in random 

order

R

H

R

H

H

R

R H

R H

H R

H

R

R H

H

R

R

R

H

H R

*

*

H

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Polymers can be either 

amorphous

 or 

semi-crystalline

• Tacticity

, i.e. arrangements of substituents 

around the backbone, determines the 

degree of crystallinity

• Atactic polymers are amorphous

• Isotactic and syndiotactic may crystallize

•  Crytallinity depends on:

– size of side groups (smaller, 

↑crystallinity)

– regularity of chain

• Increased crystallinity enhances 

mechanical properties

background image

• Amorphous
• Semi-crystalline
• Crystalline

SPECIALTY POLYMERS 

Mesophas
e, another 
feature 
characteris
tic for 
polymers

background image

Polymers

• Common topologies of polymers

linear

branched

crosslinked

background image

Polymers

• Common topologies of polymers 

(cont.)

star

ladder

comb

background image

Polymers - suspension

background image

Polymers - suspension

Bad solvent

 induces 

early phase 
separation, chains 
try to interact with 
each other. High 
chances of 
crosslinking.

Good solvent

 

‘’separates’’ chains 
thus delaying phase 
separation. Even 
distribution of chains 
in a droplet – no 
cavities.

background image

Polymers - suspension

Polymerization

Polymerization

Removal of

Removal of

 

 

Porogen

Porogen

Phase separation

Phase separation

background image

Polymers - suspension

polymerization

phase separation

monomer(s) 

      +

porogen(s)

porogen removal

background image

Polymers - suspension

• The above was 

possible only due 
to the presence of 
sufficient amount 
of the 

crosslinker

.

• What happens 

when there is no 
crosslinker?

C
O

O

C
O

O

background image

Polymers - suspension

Structure of gel and 

Structure of gel and 

    

    

macroporous type polymer

macroporous type polymer

Gel-type polymer beads

Gel-type polymer beads

- clear and glass-like

- clear and glass-like

- lightly crosslinked(~ 

- lightly crosslinked(~ 

2%)

2%)

-

no surface area in dry

no surface area in dry

 

 

state

state

-swells in good solvents

-swells in good solvents

-

modification up to ~ 

modification up to ~ 

100%

100%

 

 

possible

possible

 

 

Macroporous resins

Macroporous resins

-opaque

-opaque

-highly crosslinked(> 

-highly crosslinked(> 

20%)

20%)

-

permanent pore and

permanent pore and

 

 

high surface area

high surface area

-pores accessible to 

-pores accessible to 

all

all

 

 

solvents

solvents

-modification limited 

-modification limited 

to 

to 

 

 

ca.30-40%

ca.30-40%

background image

Polymers - suspension

Schematic representation of various agglomerates in 

Schematic representation of various agglomerates in 

macroporous copolymer network

macroporous copolymer network

The smallest 

The smallest 

particles are 

particles are 

called 

called nuclei

nuclei

The nuclei

The nuclei

are nonporous 

are nonporous 

and consitute 

and consitute 

the highly 

the highly 

crosslinked 

crosslinked 

regions of the 

regions of the 

network. 

network. 

  

  Micropores

Micropores

 

 

defined with 

defined with 

widths of up to 

widths of up to 

2 nm appear 

2 nm appear 

between the 

between the 

nuclei

nuclei

.

.

background image

Polymers – suspension

The agglomerations of nuclei are 

The agglomerations of nuclei are 

called 

called microspheres

microspheres

. Mesopores

Mesopores

 

 

are between the microspheres.

are between the microspheres.

Microspheres are agglomerated 

Microspheres are agglomerated 

again into larger 

again into larger irregular 

irregular 

moieties

moieties

 of 

 of 

   

   

250~1000 nm inside the polymer 

250~1000 nm inside the polymer 

material. 

material. Meso and macropores

Meso and macropores

 

 

appear   between the 

appear   between the 

agglomerates of the 

agglomerates of the 

microspheres.

microspheres.

background image

Polymers – suspension

• Porous polymers 

are used mainly as 
adsorbents and 
mainly as obtained 
from suspension 
polymerization

• Gel polymers are 

used mainly as ion-
exchangers, 
chelating resins, 
support for organic 
syntheses. In most 
cases they have to 
be modified after 
suspension 
polymerization.

background image

Polymers – suspension

CH

2

Cl

CH

2

CN

C

O

O

C

O

O

O

C

O

O H

C

O

O

H

In the synthesis of 
adsorbents

In the synthesis of gel 
type polymers

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Thermoplastic

:

 

– polymers that flow 

when heated

– easily reshaped 

and recycled

– due to presence of 

long chains with 

no crosslinks

 

– polyethylene, 

polyvinylchloride

• Thermosets

: 

– High 

crosslinking 

when heated

– can not be reformed 

or recycled

– presence of 

extensive crosslinks

 

between long chains 

– induce 

decomposition upon 

heating and renders 

thermosetting 

polymers brittle

– epoxy

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• Elastomers

: 

– some crosslinking

– can undergo 

extensive elastic 
deformation

– natural rubber, 

silicone

– intermediate 

between 
thermoplastic and 
thermosetting 
polymers

• Our specialty 

polymers can 
belong to any of 
these groups

background image

SPECIALTY POLYMERS

Are they important?
Reasons for their 
presence everywhere
Annual production 
worldwide 

1,5x10E11 

kg

(120 years ago was 
almost 0)
Annual ‘production’ 
in nature 

4x10E14 kg

Now, when we know a little bit about 
polymers

background image

CZŁOWIEK

MATERIAŁY

6

5

4

3

2

1

0

Populacja

[mld]

~100 tyś.

~100 000 p.n.e.

10 mln

4 000 p.n.e

100 mln

750 p.n.e.

200 mln
400 n.e.

1600 n.e.

600 mln

1 mld

1820 n.e

6 mld

~2000 n.e.

TECHNOLOGIE

Półprzewodniki

Ceramika

Materiały

syntetyczne

Stal

Aluminium

Zn, Pb, Au, Ag

Szkło

Brąz

Mosiądz

Żelazo

Kamień

Drewno

Glina

-1.85 mln

Australopitekus

-500 000 -100 000 -35 000

Neandertalczyk Homo sapiens

-8 600

-4 000

0

1700

1000

1800

1900

2000 rok

Nauki przyrodnicze

Nauki techniczne

Nauki społeczne

Inżynieria materiałowa

Maszyna

parowa

Samochód

Samolot

Komputer

Socha

Ogień

Koło

Naczynia

Narzędzia

kościane

Narzędzia

kamienne

Zwiazek miedzy wzrostem populacji ludnosci i dostepnoscia materialów oraz

ich wykorzystaniem do wytwarzania narzedzi i jako surowce we wspólczesnych procesach technologicznych

background image

SPECIALTY POLYMERS

 

1940

1950

1960

1970

1980

1990

0

30

60

90

120

150

p

o

ly

m

er

 ×

 1

0

-9

/ k

g

Year

Worldwide Polymer 
Production

Commodity 
polymers

Engineering 
polymers

Specialty 
polymers

background image

SPECIALTY POLYMERS 

background image

SPECIALTY POLYMERS

background image

SPECIALTY POLYMERS 

Our 
intere
st

background image

SPECIALTY POLYMERS 

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• And here comes the question – what really 

is a specialty (reactive) polymer?

• The is no definition and since the reason 

for the syntheses of specialty polymers is 
the dissatisfaction with the role given to 
the „ordinary” polymers and the desire to 
add sophisticated function to polymers we 
can conclude that all materials except 
commodity and construction polymers are 
specialty ones.

background image

SPECIALTY POLYMERS

• This desire to add sophisticated function to 

polymers was present from the very start 

of the polymer science

• History of polymer science is very young 

but dynamic and can be plotted as it was in 

the case of technologies and materials 

earlier in this lecture 

• The appreciation of polymers resulted in 

few Nobel Prizes 

background image

• “Polymeric Nobel 

Prizes”

• 1953 Hermann 

Staudinger

• 1963 Giulio Natta,  

        Karl Ziegler

• 1974 Paul J. Flory
• 2000 Alan J. 

Heeger, Alan G. 
MacDiarmid, 
Hideki Shirakawa

• Polymer science

 as 

a

 

separate branch of 

science can be dated at 
the end of XIX century.

• From that time the use 

of polymers become so 
popular that their 
production in XX century 

increased ca. 800 
000%

• The 

participation of 

specialty

 polymers in 

the total production is 
growing.

SPECIALTY POLYMERS 

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• Prof. Hermann Staudinger (1881 - 1965), 

Univ. of Freiburg, Germany. Started his 

carrier in Federal Institute of Technology, 

Zurich, Switzerland. Professor of organic 

chemistry, known for his work on 

diazomethane. Ca.1920 decided to shift his 

scientific interest and devoted his time to 

macromolecules. This decision brought him 

Nobel Prize and fame, but had to be very 

difficult.

• Among chemsits the idea of macromolecules 

was not popular. For example Heinrich 

Wieland (Nobel 1927) wrote to Staudinger ‘…

forget the idea of macromolecules, organic 

molecules with MW bigger than 5000 simply 

do not exist. Try to purify rubber and it will 

crystallize then.’

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Another Nobel Prize winner - Paul Carrer 

(Nobel 1937) for many year was saying that 
‘…cellulose, starch, proteins and rubber are 
aggregates of molecules, displaying ‘colloidal 
character’’. And vast majority of chemists 
used the term ‘chemistry of grease’ talking 
about experiments with compounds, which 
can not be purified neither by distillation nor 
by crystallization.

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Prof. Giulio Natta 

(1903 - 1979), Institute of 

Technology, Milan, Italy. Before polymers he was 
working in crystallography and heterogeneous 
catalysis. From 1954 experiments on polymerization 
with the use of Ziegler’s catalysts led to the 
semicrystalline polymers (PP, PS, poli α-butylene), he 
also worked of stereoregularity and crystallinity of 
polymers. 

• Prof. Karl Ziegler 

(1898 - 1973), Max Planck 

Institute for Carbon Research, Mulheim, Germany. The 
research on anionic polymerization of butadiene was 
carried out in 1928-1934, and using butyllithium in 
50’. He discovered that ethylene can attach itself to 
this compounds, thus increasing the length of alkyl 
chain. This chain can be abstracted from the catalyst 
giving α-olefines and LiH. Further work resulted in the 
discovery of metalloorganic catalysts used in the 
production of low density PE.

background image

1940

1950

1960

1970

1980

1990

0

30

60

90

120

150

p

o

ly

m

er

 ×

 1

0

-9

/ k

g

Year

SPECIALTY POLYMERS 

•Their work had the vast influence on polymeric materials – 
stereoregularity ~ crystallinity ~ mechanical properties

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Professor Paul J. Flory (1910 - 1985), Stanford Univ., 

USA. Started his work in the R&D laboratory of 

DuPont, Delaware, USA. He investigated the kinetics 

and molecular weight distribution in polycondensation 

processes, Described the gelation in multifunctional 

monomer polymerization, worked on theory of 

polymers in solutions, conformation of polymeric 

chains and their hydrodynamic properties.

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Professor Alan J. Heeger (1936), Univ. of California, 

Santa Barbara, USA. PhD in theoretical physics from 

UCB. Work in the Dept. of Physics Univ. of 

Pennsylvania included physics of molecular crystals, 

from 1975 poly(sulfur nitride), a year later 

polyacetylene (brought from Japan by H. Shirakawa).

• Professor Alan J. MacDiarmid (1927), Univ. of 

Pennsylvania, USA. MSc from Univ. of New Zealand, 

PhD from Univ. of Wisconsin and from Cambridge 

Univ., works in conducting polymers (synthesis, 

doping, electrochemistry, their magnetic and optical 

properties).

• Professor Hideki Shirakawa, Tsukuba Univ., Tsukuba, 

Japonia. B.S, MSc and PhD from Tokyo Institute of 

Technology. Investigations of the mechanisms of 

polymerization on Ziegler-Natta catalysts using 

acetylene as  monomer. In 1967 he succeded (by 

chance!) in obtaining polyacetylene in the for of a 

film. In 1976/77 comes to Univ. of Pennsylvania and 

works on the chemical doping of polyacetylene.

background image

Obtained 
using  Ziegler – 
Natta catalyst
Trans form is 
the stable one
Attempts to 
graphitize 
polyacetylene

SPECIALTY POLYMERS 

background image

New polymeric 
systems are 
investigated
Those polymers 
are used in 
photovoltaic units, 
luminescent diods
Possible 
superconductivity

SPECIALTY POLYMERS 

background image

SPECIALTY POLYMERS

Finally, after 
doping it was 
possible to 
increase the 
conductivity to the 
level of metals 

Pure polyaniline 
is an insulator, 
polyacetylene is an 
semi conductor

background image

•SPECIALTY POLYMERS 

N

N

N

N

C

C

C C

Si

CH

3

CH

3

CH

3

(            )    (         )

m                     n

Si

CH

3

CH

3

CH

3

Pt

Conducting polymers 
can be further 
modified 

Pendant groups can 
be selected in a way 
to perform specific 
task

Here, the 
organometallic ring 
can contribute to the 
conductivity of the 
main chain

Permeabili
ty for 
gases

conductivi
ty

Complexin
g

attachemen
t

background image

SPECIALTY POLYMERS 

• Ion separation

• Elution of various 

cations is 
different, 
depending on 
their affinity to 
the crown ether 

background image

N

N

O

O

H

H

N

N

O

O

H

H

N

N

O

O

H

H

SPECIALTY POLYMERS 

Sometimes it is 
enough to 
synthesize 
known polymer 
(polyamide) in a 
way that 
interchain 
interactions are 
maximized 

background image

SPECIALTY POLYMERS

• Hip joint socket –

stiff, strong, wear 
resistant and low 
friction -UHMWPE

UHMWPE – ultra high 
molecular weigth PE 
(ca. 6 mln Da)

So, from chemical 
point of view is just as 
PE used in the 
sandwich bags

background image

SPECIALTY POLYMERS

Our 
interest in 
specialty 
polymers

background image

SPECIALTY POLYMERS

• The „specialty” of the polymer is 

determined by the property given to 
it when synthesized for a particular 
application

• Even a small change in chemical 

and/or physical structure can cause 
the „upgrade” of the polymer from 
commodity or engineering to the 
specialty class.


Document Outline