Sokakat érdekel a polimerek szerkezetének kérdése. A választ ebben a cikkben adjuk meg. A polimer tulajdonságait (a továbbiakban - P) általában több osztályba osztják attól függően, hogy milyen léptékben határozzák meg a tulajdonságot, valamint fizikai alapját. Ezen anyagok legalapvetőbb minősége az őket alkotó monomerek azonosítása (M). A tulajdonságok második halmaza, az úgynevezett mikrostruktúra, lényegében ezeknek az M-eknek a P-ben való elrendeződését jelöli egy Z-s skálán. Ezek az alapvető szerkezeti jellemzők nagy szerepet játszanak ezen anyagok tömeges fizikai tulajdonságainak meghatározásában, amelyek megmutatják, hogyan viselkedik P makroszkopikus anyag. A nanoméretű kémiai tulajdonságok azt írják le, hogy a láncok hogyan hatnak egymásra különböző fizikai erők révén. Makró léptékben megmutatják, hogy az alap P hogyan lép kölcsönhatásba más vegyi anyagokkal és oldószerekkel.
Identitás
A P-t alkotó ismétlődő hivatkozások azonossága az első ésa legfontosabb tulajdonság. Ezeknek az anyagoknak a nómenklatúrája általában a P-t alkotó monomermaradékok típusán alapul. Azokat a polimereket, amelyek csak egyfajta ismétlődő egységet tartalmaznak, homo-P néven ismerik. Ugyanakkor a két vagy több típusú ismétlődő egységet tartalmazó P-ket kopolimereknek nevezzük. A terpolimerek háromféle ismétlődő egységet tartalmaznak.
A polisztirol például csak sztirol M-maradékokból áll, ezért Homo-P besorolású. Az etilén-vinil-acetát ezzel szemben egynél több típusú ismétlődő egységet tartalmaz, és így kopolimer. Egyes biológiai P-k sok különböző, de szerkezetileg rokon monomer maradékból állnak; például a polinukleotidok, mint például a DNS, négyféle nukleotid-alegységből állnak.
Az ionizálható alegységeket tartalmazó polimer molekulát polielektrolitnak vagy ionomernek nevezik.
Mikrostruktúra
A polimer mikroszerkezete (néha konfigurációnak is nevezik) az M maradékok fizikai elrendezésével függ össze a főlánc mentén. Ezek a P szerkezet elemei, amelyek változásához kovalens kötés felszakítására van szükség. A szerkezet erősen befolyásolja a P egyéb tulajdonságait. Például két természetes gumiminta eltérő tartósságot mutathat, még akkor is, ha molekuláik ugyanazokat a monomereket tartalmazzák.
A polimerek szerkezete és tulajdonságai
Ezt a pontot rendkívül fontos tisztázni. A polimer szerkezetének fontos mikroszerkezeti jellemzője az architektúrája és formája, amelyek a hogyanhoz kapcsolódnakelágazási pontok egy egyszerű lineáris lánctól való eltéréshez vezetnek. Ennek az anyagnak az elágazó molekulája egy főláncból áll, amely egy vagy több oldalláncot vagy szubsztituens ágat tartalmaz. Az elágazó P-k típusai közé tartoznak a csillag-P-k, a fésű-P-k, a kefe-P-k, a dendronizált P-k, a létra-P-k és a dendrimerek. Vannak olyan kétdimenziós polimerek is, amelyek topológiailag lapos ismétlődő egységekből állnak. Különféle technikák használhatók a P-anyag különböző típusú eszközökkel történő szintetizálására, például élő polimerizációval.
Egyéb tulajdonságok
A polimerek összetétele és szerkezete a polimertudományban összefügg azzal, hogy az elágazás hogyan vezet a szigorúan lineáris P-lánctól való eltéréshez. Az elágazás történhet véletlenszerűen, vagy a reakciókat úgy tervezték meg, hogy meghatározott architektúrákat célozzanak meg. Ez egy fontos mikroszerkezeti jellemző. A polimer felépítése számos fizikai tulajdonságát befolyásolja, beleértve az oldat és olvadék viszkozitását, a különféle összetételekben való oldhatóságot, az üvegesedési hőmérsékletet és az egyes oldatban lévő P-tekercsek méretét. Ez fontos a polimerek komponenseinek és szerkezetének tanulmányozásához.
Elágazás
Elágazások akkor alakulhatnak ki, amikor egy polimer molekula növekvő vége vagy (a) visszatapad önmagához vagy (b) egy másik P-szálhoz, amelyek a hidrogén elvonása révén növekedési zónát hozhatnak létre a közepe számára lánc.
Elágazó hatás - kémiai térhálósítás -kovalens kötések kialakulása a láncok között. A térhálósítás általában növeli a Tg-t és növeli a szilárdságot és a szívósságot. Többek között ezt az eljárást gumik megerősítésére használják a vulkanizálásként ismert eljárásban, amely kéntelen térhálósításon alapul. Az autógumik például nagy szilárdsággal és térhálósodással rendelkeznek, hogy csökkentsék a légszivárgást és növeljék a tartósságukat. A gumi viszont nincs térhálósítva, ami lehetővé teszi a gumi leválását és megakadályozza a papír sérülését. A tiszta kén magasabb hőmérsékleten történő polimerizációja azt is megmagyarázza, hogy miért válik viszkózusabbá magasabb hőmérsékleten olvadt állapotban.
Rács
Egy erősen térhálósított polimer molekulát P-hálózatnak neveznek. A kellően magas keresztkötés/szál arány (C) egy úgynevezett végtelen hálózat vagy gél kialakulásához vezethet, amelyben minden ilyen ág legalább egy másikhoz kapcsolódik.
Az élő polimerizáció folyamatos fejlődésével ezeknek a sajátos architektúrájú anyagoknak a szintézise egyre könnyebbé válik. Olyan architektúrák lehetségesek, mint a csillag, fésű, kefe, dendronizált, dendrimerek és gyűrűs polimerek. Ezeket a bonyolult felépítésű kémiai vegyületeket vagy speciálisan kiválasztott kiindulási vegyületek felhasználásával, vagy először lineáris láncok szintetizálásával, amelyek további reakciókon mennek keresztül, hogy összekapcsolódjanak egymással. A csomós P-k számos intramolekuláris ciklizációból állnaklinkek egy P-láncban (PC).
Elágazás
Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb az elágazás mértéke, annál tömörebb a polimerlánc. Befolyásolják a láncok összefonódását is, az egymás mellett elcsúszás képességét, ami viszont befolyásolja az ömlesztett fizikai tulajdonságokat. A hosszú láncú törzsek javíthatják a polimer szilárdságát, szívósságát és az üvegesedési hőmérsékletet (Tg) a vegyületben lévő kötések számának növekedése miatt. Másrészt a Z véletlenszerű és rövid értéke csökkentheti az anyag szilárdságát a láncok egymással való kölcsönhatási vagy kristályosodási képességének megsértése miatt, ami a polimer molekulák szerkezetének köszönhető.
Az elágazás fizikai tulajdonságokra gyakorolt hatásának példája a polietilénben található. A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) nagyon alacsony elágazási fokú, viszonylag merev, és például golyóálló mellények gyártásához használják. Másrészt az alacsony sűrűségű polietilén (LDPE) jelentős mennyiségű hosszú és rövid szálat tartalmaz, viszonylag rugalmas, és olyan alkalmazásokban használják, mint például a műanyag fóliák. A polimerek kémiai szerkezete éppen az ilyen alkalmazásoknak kedvez.
Dendrimerek
A dendrimerek az elágazó polimerek speciális esetei, ahol minden monomer egység egyben elágazási pont is. Ez csökkenti az intermolekuláris láncok összefonódását és a kristályosodást. Egy rokon architektúra, a dendrites polimer nem tökéletesen elágazó, de a dendrimerekhez hasonló tulajdonságokkal rendelkeziknagyfokú elágazásuk miatt.
A polimerizáció során fellépő szerkezeti összetettség mértéke a felhasznált monomerek funkcionalitásától függhet. Például a sztirol szabad gyökös polimerizációja során a 2-es funkcionalitású divinil-benzol hozzáadása elágazó láncú P képződéséhez vezet.
Műszaki polimerek
A tervezett polimerek közé tartoznak a természetes anyagok, például a gumi, a szintetikus anyagok, a műanyagok és az elasztomerek. Nagyon hasznos nyersanyagok, mert szerkezetük megváltoztatható és adaptálható anyagok előállításához:
- egy sor mechanikai tulajdonsággal;
- széles színválasztékban;
- különböző átlátszósági tulajdonságokkal.
A polimerek molekuláris szerkezete
A polimer sok egyszerű molekulából áll, amelyek megismétlik a monomereknek (M) nevezett szerkezeti egységeket. Ennek az anyagnak egy molekulája több száz vagy több millió M-ből állhat, és lineáris, elágazó vagy hálózatos szerkezetű. A kovalens kötések tartják össze az atomokat, a szekunder kötések, majd a polimer láncok csoportjait tartják össze, hogy polianyagot képezzenek. A kopolimerek ennek az anyagnak a fajtái, amelyek két vagy több különböző típusú M.
A polimer szerves anyag, és minden ilyen típusú anyag alapja szénatomok lánca. A szénatom külső héjában négy elektron van. Ezen vegyértékelektronok mindegyike alkothat kovalenseketkötés másik szénatommal vagy idegen atommal. A polimer szerkezetének megértéséhez az a kulcs, hogy két szénatom legfeljebb három közös kötést tartalmazhat, és továbbra is kötődhet más atomokhoz. A kémiai vegyületben leggyakrabban előforduló elemek és vegyértékszámuk a következők: H, F, Cl, Bf és I 1 vegyértékelektronnal; O és S 2 vegyértékelektronnal; n 3 vegyértékelektronnal és C és Si 4 vegyértékelektronnal.
Példa polietilénre
A molekulák azon képessége, hogy hosszú láncokat képezzenek, létfontosságú a polimer előállításához. Tekintsük a polietilén anyagot, amely etángázból, C2H6-ból készül. Az etángáz láncában két szénatom van, és mindegyiknek két vegyértékelektronja van a másikkal. Ha két etánmolekula kapcsolódik egymáshoz, akkor mindegyik molekulában az egyik szénkötés megszakadhat, és a két molekula szén-szén kötéssel kapcsolódhat össze. Két mérő csatlakoztatása után további két szabad vegyértékelektron marad a lánc mindkét végén, hogy más mérőket vagy P-szálakat összekapcsolhasson. A folyamat további mérőeszközök és polimerek összekapcsolására képes mindaddig, amíg meg nem áll egy másik vegyszer (terminátor) hozzáadásával, amely kitölti a rendelkezésre álló kötést a molekula mindkét végén. Ezt lineáris polimernek nevezik, és ez a hőre lágyuló vegyületek építőköve.
A polimer lánc gyakran két dimenzióban jelenik meg, de meg kell jegyezni, hogy háromdimenziós polimer szerkezettel rendelkeznek. Mindegyik link 109°-os szöget zár beKövetkező, és ennélfogva a szénváz a TinkerToys csavart láncaként fut át az űrben. Feszültség alkalmazásakor ezek a láncok megnyúlnak, és a P nyúlás ezerszer nagyobb lehet, mint a kristályos szerkezeteknél. Ezek a polimerek szerkezeti jellemzői.
