Polimery stanowią związki chemiczne powszechnie występujące nie tylko w naturze. Są istotnym elementem industrialnego świata będącego wytworem człowieka. O polimerach napisano już wiele. Zasoby wiedzy nt. omawianych chemicznych tworów są niezwykle rozległe, zaś mnogość ról, jakie odgrywają one w wielu dziedzinach świata współczesnego, trudno jest zlekceważyć. Stanowią również ważny element składowy uniwersum druku przestrzennego. Jednym z wielu, różnorodnych rodzajów polimerów są poliestry, czyli główni bohaterowie artykułu niniejszego.

Poliestry. Czym są?

Pojęcie poliestru kojarzone bywa często z tkaninami. I skojarzenie to jest rzecz jasna niepozbawione słuszności. Substancje te niezwykle powszechnie wykorzystuje się w przemyśle tekstylnym. Wspomniana przemysłowa gałąź nie jest jednak jedyną branżą, dla której poliestry są bardzo istotnymi surowcami, z których wytwarza się charakterystyczne dla określonej, industrialnej dziedziny obiekty. Stanowią one bazowe składniki wielu, różnorodnych rodzajów filamentów, czyli materiałów, z których tworzy się przestrzenne wydruki, wykorzystując do tego celu drukarkę 3D. Poliestry są chemicznymi substancjami, które reprezentują rozległe i różnorodne grono polimerów. Cechę, która wyróżnia je spośród pokrewnych im związków, stanowi występowanie w ich łańcuchach wiązań estrowych. Czym jednak jest omawiany rodzaj struktury, którego obecności w poliestrach nie da się zanegować? Produkt reakcji kwasu z alkoholem (nie tylko etylowym) stanowi związek chemiczny zwany estrem. Przykładem tego rodzaju substancji jest octan etylu. Uzyskać go można wskutek reakcji kwasu octowego z etanolem. Zachodzi ona w obecności odpowiednio dobranego katalizatora, dzięki któremu jej przebieg ulega znacznemu przyspieszeniu. Octan etylu stosuje się m.in. do rozpuszczania lakierów z oczywistego powodu - jest on znakomitym, organicznym rozpuszczalnikiem. Nieodłączny element każdego estru stanowi struktura o nazwie, która w artykule tym już się pojawiła. Mowa tutaj oczywiście o wiązaniu estrowym. Pochodzenie nazwy tejże struktury nie powinno zatem żadnych, najmniejszych nawet wątpliwości. Wiązanie estrowe zbudowane jest z dwóch atomów tlenu (O) oraz jednego atomu węgla (symbol tego pierwiastka chemicznego stanowi litera C). Jego budowę przedstawiono na jednej z ilustracji zamieszczonej w niniejszym artykule. Podsumowując rozważania na temat tego, jakimi związkami chemicznymi są poliestry, dojść należy zatem do dwóch wniosków. Pierwszy z nich jest oczywisty. Ponownie masz do czynienia, Drogi Czytelniku, z substancjami, które reprezentują niezwykle szeroki wachlarz polimerów. Po drugie - w strukturze poliestru występują wiązania estrowe.

Ilustracja przedstawia strukturalny schemat wiązania estrowego. Kolorem niebieskim oznaczono atomy tlenu. Ciemnoszara kula symbolizuje atom węgla. Czarnymi liniami oznaczono międzyatomowe połączenia.

Poliestry. Jak się je otrzymuje?

Reakcji, których produkty stanowią poliestry, jest wiele. Jedna z nich charakteryzuje się jednak bardzo wysokim poziomem popularności. Metodą tą jest...

Polikondensacja odpowiednich substratów

Efektem jej zajścia są dwie substancje chemiczne. Pierwszą z nich stanowi związek wielkocząsteczkowy - polimer. Oprócz niego powstaje także substancja, której masa jest niewielka. Związek ten stanowi produkt uboczny reakcji polikondensacji. Zazwyczaj jest nim woda. Z jakich substancji uzyskuje się poliestry wskutek zajścia reakcji omawianego rodzaju? Związkami tymi są kwasy dikarboksylowe, czyli takie, w strukturach których znajdują się dwie grupy karboksylowe (elementy charakterystyczne dla kwasów organicznych), oraz alkohole dihydroksylowe, czyli takie, które zawierają dwie grupy hydroksylowe. Przykład substancji pierwszego typu stanowi kwas mlekowy. Reprezentantem alkoholi dihodroksylowych, zwanych również diolami, jest natomiast glikol etylenowy. Do poliestrów, które stanowią wynik zajścia reakcji polikondensacji odpowiednich surowców, zaliczyć można polilaktyd (PLA).

Polimeryzacja z otwarciem pierścienia

Surowcami, z których uzyskuje się polimery wskutek zajścia tego rodzaju reakcji, są substancje charakteryzujące się budową pierścieniową. W jej trakcie cykliczny substrat ulega pewnej, specyficznej przemianie. Jej efekt stanowi utrata przez związek wejściowy cechy, jaką jest jego cykliczność. Tak przekształcona substancja chemiczna (niebędąca już surowcem charakteryzującym się pierścieniową budową) stanowi element budulcowy polimeru uzyskiwanego w wyniku zajścia reakcji polimeryzacji. Przykładem związku cyklicznego jest laktyd kwasu mlekowego. Polimeryzacja z otwarciem pierścienia wspomnianej substancji chemicznej prowadzi do powstania wspomnianego już w artykule tym poliestru, który powszechnie wykorzystuje się w druku przestrzennym. Jest nim polilaktyd, czyli PLA.

Bezproblemowo wywnioskować można, iż wybrany poliester otrzymuje się, stosując metody różnorodne. Polilaktyd stanowi bardzo dobry przykład polimeru, który stanowić może produkt zarówno reakcji polikondensacji, jak również być efektem zajścia polimeryzacji z otwarciem pierścienia.

Wydruki wykonane z filamentu PLA wzbogaconego dodatkowo drobinkami brokatu. Składnikiem bazowym materiału jest poliester zwany polilaktydem.

Poliestry a druk 3D

Wielkocząsteczkowe związki chemiczne, jakimi są poliestry, powszechnie wykorzystuje się w drukowaniu przestrzennym. Stanowią one m.in. składniki bazowe wielu filamentów, czyli materiałów budulcowych obiektów trójwymiarowych, wykonywanych za pomocą drukarek 3D pracujących w technologii Fused Deposition Modelling (FDM). Niezwykle popularnym tworzywem tego typu jest wspominany już wielokrotnie w niniejszym artykule polilaktyd, czyli PLA. Jedno z powszechnie stosowanych w przemyśle tworzyw stanowi poli(tereftalan etylenu). PET, bo tak również bywa substancja ta nazywana, jest poliestrem. Poddany odpowiednim modyfikacjom poli(tereftalan etylenu) stanowi składnik bazowy filamentów typu PET-G. Jego doskonałe, szeroko rozumiane parametry wytrzymałościowe sprawiają, iż materiał ten znalazł (i znajduje nadal) wielu zwolenników tworzących z niego wydruki trójwymiarowe. Składnikiem bazowym filamentu mogą być również poliwęglany, które także reprezentują grono substancji zwanych poliestrami. Nieco mniej znany przykład poliestrowego związku chemicznego stanowi polikaprolakton, czyli PCL. Cechą charakterystyczną tej substancji jest jej biodegradowalność. Polikaprolakton wchodzi w skład jednego z filamentów, za produkcję którego odpowiada firma ROSA 3D Filaments. Mowa tu o materiale, jaki stanowi w pełni kompostowalny BioWOOD.

Jednym ze składników filamentu BioWOOD produkowanego przez firmę ROSA 3D Filaments jest polikaprolakton, czyli biodegradowalny poliester. (©ROSA 3D Filaments)

Czy zastosowania poliestrów kończą się na wykorzystywaniu ich jako składników bazowych filamentów, z których tworzy się przestrzenne wydruki metodą FDM? Oczywiście, że nie! Rozpiętość jego zastosowań jest wyjątkowo duża. Poliestry wykorzystuje się w druku 3D bardzo często, nie tylko w roli budulca, z którego utworzony zostanie przestrzenny obiekt.