Wiele osób interesuje się pytaniem, jaką strukturę mają polimery. Odpowiedź na to zostanie podana w tym artykule. Właściwości polimeru (dalej - P) dzieli się na ogół na kilka klas w zależności od skali, w jakiej właściwość jest zdefiniowana, a także od jej podłoża fizycznego. Najbardziej podstawową cechą tych substancji jest tożsamość tworzących je monomerów (M). Drugi zestaw właściwości, znany jako mikrostruktura, zasadniczo oznacza ułożenie tych Ms w P w skali jednego Z. Te podstawowe cechy strukturalne odgrywają główną rolę w określaniu ogólnych właściwości fizycznych tych substancji, które pokazują, jak zachowuje się P jako materiał makroskopowy. Właściwości chemiczne w nanoskali opisują, w jaki sposób łańcuchy oddziałują poprzez różne siły fizyczne. W skali makro pokazują, jak podstawowy P oddziałuje z innymi chemikaliami i rozpuszczalnikami.
Tożsamość
Tożsamość powtarzających się linków tworzących P jest jego pierwszym inajważniejszy atrybut. Nomenklatura tych substancji jest zwykle oparta na typie reszt monomerów, które tworzą P. Polimery, które zawierają tylko jeden rodzaj powtarzających się jednostek, są znane jako homo-P. Jednocześnie Ps zawierające dwa lub więcej rodzajów powtarzających się jednostek są znane jako kopolimery. Terpolimery zawierają trzy rodzaje powtarzających się jednostek.
Na przykład polistyren składa się wyłącznie z pozostałości styrenu M i dlatego jest klasyfikowany jako Homo-P. Z drugiej strony, etylen-octan winylu zawiera więcej niż jeden typ powtarzających się jednostek, a zatem jest kopolimerem. Niektóre biologiczne Ps składają się z wielu różnych, ale strukturalnie powiązanych reszt monomerycznych; na przykład polinukleotydy, takie jak DNA, składają się z czterech rodzajów podjednostek nukleotydowych.
Cząsteczka polimeru zawierająca podjednostki ulegające jonizacji jest znana jako polielektrolit lub jonomer.
Mikrostruktura
Mikrostruktura polimeru (czasami nazywana konfiguracją) jest związana z fizycznym rozmieszczeniem reszt M wzdłuż głównego łańcucha. Są to elementy struktury P, które w celu zmiany wymagają zerwania wiązania kowalencyjnego. Struktura ma silny wpływ na inne właściwości P. Na przykład dwie próbki kauczuku naturalnego mogą wykazywać różną trwałość, nawet jeśli ich cząsteczki zawierają te same monomery.
Struktura i właściwości polimerów
Ten punkt jest niezwykle ważny do wyjaśnienia. Ważną cechą mikrostrukturalną struktury polimeru jest jego architektura i kształt, które są związane z tym, jakpunkty rozgałęzienia prowadzą do odchylenia od prostego łańcucha liniowego. Rozgałęziona cząsteczka tej substancji składa się z głównego łańcucha z jednym lub więcej łańcuchami bocznymi lub rozgałęzieniami podstawnikowymi. Rodzaje rozgałęzionych ps obejmują ps gwiaździsty, ps grzebień, ps pędzla, ps dendronowy, ps drabiny i dendrymery. Istnieją również dwuwymiarowe polimery, które składają się z topologicznie płaskich, powtarzających się jednostek. Do syntezy materiału P za pomocą różnych typów urządzeń, takich jak polimeryzacja na żywo, można zastosować różne techniki.
Inne cechy
Skład i struktura polimerów w nauce o polimerach wiąże się z tym, jak rozgałęzienie prowadzi do odchylenia od ściśle liniowego łańcucha P. Rozgałęzienie może zachodzić losowo lub reakcje mogą być zaprojektowane w celu ukierunkowania na określone architektury. To ważna cecha mikrostrukturalna. Architektura polimeru wpływa na wiele jego właściwości fizycznych, w tym lepkość roztworu i stopu, rozpuszczalność w różnych składach, temperaturę zeszklenia oraz wielkość poszczególnych cewek P w roztworze. Jest to ważne przy badaniu zawartych składników i struktury polimerów.
Oddział
Rozgałęzienia mogą tworzyć się, gdy rosnący koniec cząsteczki polimeru przyłącza się albo (a) z powrotem do siebie, albo (b) do innej nici P, z których obie, poprzez wycofanie wodoru, mogą stworzyć strefę wzrostu dla środka łańcuch.
Efekt rozgałęziania - sieciowanie chemiczne -tworzenie wiązań kowalencyjnych między łańcuchami. Sieciowanie ma tendencję do zwiększania Tg oraz zwiększania wytrzymałości i twardości. Proces ten służy między innymi do wzmacniania kauczuków w procesie znanym jako wulkanizacja, który polega na sieciowaniu siarką. Na przykład opony samochodowe mają wysoką wytrzymałość i sieciowanie, aby zmniejszyć przeciek powietrza i zwiększyć ich trwałość. Guma natomiast nie jest usieciowana, co pozwala na odklejanie się gumy i zapobiega uszkodzeniu papieru. Polimeryzacja czystej siarki w wyższych temperaturach wyjaśnia również, dlaczego staje się ona bardziej lepka w wyższych temperaturach w stanie stopionym.
Siatka
Wysoce usieciowana cząsteczka polimeru nazywana jest siecią P. Wystarczająco wysoki stosunek usieciowania do nici (C) może prowadzić do powstania tak zwanej nieskończonej sieci lub żelu, w którym każde takie rozgałęzienie jest połączone z co najmniej jednym innym.
Wraz z ciągłym rozwojem żyjącej polimeryzacji, synteza tych substancji o określonej architekturze staje się łatwiejsza. Możliwe są architektury takie jak gwiazda, grzebień, szczotka, dendronizacja, dendrymery i polimery pierścieniowe. Te związki chemiczne o złożonej architekturze można syntetyzować albo przy użyciu specjalnie dobranych związków wyjściowych, albo najpierw poprzez syntezę liniowych łańcuchów, które przechodzą dalsze reakcje łączące się ze sobą. Wiązane Ps składają się z wielu wewnątrzcząsteczkowych cyklizacjiogniwa w jednym łańcuchu P (PC).
Oddział
Ogólnie rzecz biorąc, im wyższy stopień rozgałęzienia, tym bardziej zwarty łańcuch polimerowy. Wpływają również na splątanie łańcuchów, zdolność do przesuwania się obok siebie, co z kolei wpływa na właściwości fizyczne masy. Odkształcenia długołańcuchowe mogą poprawić wytrzymałość polimeru, wiązkość i temperaturę zeszklenia (Tg) ze względu na wzrost liczby wiązań w związku. Z drugiej strony losowa i krótka wartość Z może zmniejszyć wytrzymałość materiału z powodu naruszenia zdolności łańcuchów do wzajemnego oddziaływania lub krystalizacji, co jest spowodowane strukturą cząsteczek polimeru.
Przykład wpływu rozgałęzień na właściwości fizyczne można znaleźć w polietylenie. Polietylen wysokiej gęstości (HDPE) ma bardzo niski stopień rozgałęzienia, jest stosunkowo sztywny i jest używany do produkcji np. kamizelek kuloodpornych. Z drugiej strony polietylen o małej gęstości (LDPE) ma znaczną ilość długich i krótkich pasm, jest stosunkowo elastyczny i jest używany w zastosowaniach takich jak folie z tworzyw sztucznych. Właśnie takim aplikacjom sprzyja budowa chemiczna polimerów.
Dendrimery
Dendrimery to szczególny przypadek rozgałęzionego polimeru, w którym każda jednostka monomeryczna jest również punktem rozgałęzienia. Prowadzi to do zmniejszenia splątania i krystalizacji łańcuchów międzycząsteczkowych. Pokrewna architektura, polimer dendrytyczny, nie jest doskonale rozgałęziony, ale ma podobne właściwości do dendrymerówze względu na ich wysoki stopień rozgałęzienia.
Stopień złożoności strukturalnej występujący podczas polimeryzacji może zależeć od funkcjonalności użytych monomerów. Na przykład w wolnorodnikowej polimeryzacji styrenu dodanie diwinylobenzenu, który ma funkcyjność 2, doprowadzi do powstania rozgałęzionego P.
Polimery inżynieryjne
Skonstruowane polimery obejmują materiały naturalne, takie jak guma, syntetyki, tworzywa sztuczne i elastomery. Są bardzo użytecznymi surowcami, ponieważ ich strukturę można zmieniać i dostosowywać do produkcji materiałów:
- z szeregiem właściwości mechanicznych;
- w szerokiej gamie kolorów;
- z różnymi właściwościami przezroczystości.
Struktura molekularna polimerów
Polimer składa się z wielu prostych cząsteczek, które powtarzają jednostki strukturalne zwane monomerami (M). Jedna cząsteczka tej substancji może składać się z setek do milionów M i mieć strukturę liniową, rozgałęzioną lub sieciową. Wiązania kowalencyjne utrzymują razem atomy, a wiązania drugorzędowe utrzymują razem grupy łańcuchów polimerowych, tworząc polimateriał. Kopolimery to rodzaje tej substancji, składające się z dwóch lub więcej różnych rodzajów M.
Polimer jest materiałem organicznym, a podstawą każdego tego typu substancji jest łańcuch atomów węgla. Atom węgla ma cztery elektrony w zewnętrznej powłoce. Każdy z tych elektronów walencyjnych może tworzyć kowalencjęwiązanie z innym atomem węgla lub z obcym atomem. Kluczem do zrozumienia struktury polimeru jest to, że dwa atomy węgla mogą mieć do trzech wspólnych wiązań i nadal wiązać się z innymi atomami. Pierwiastki najczęściej występujące w tym związku chemicznym i ich liczby walencyjne to: H, F, Cl, Bf i I z 1 elektronem walencyjnym; O i S z 2 elektronami walencyjnymi; n z 3 elektronami walencyjnymi oraz C i Si z 4 elektronami walencyjnymi.
Przykład polietylenu
Zdolność cząsteczek do tworzenia długich łańcuchów jest niezbędna do wytworzenia polimeru. Weźmy pod uwagę polietylen, który jest wykonany z gazowego etanu, C2H6. Gaz etanowy ma dwa atomy węgla w łańcuchu, a każdy z nich ma dwa elektrony walencyjne. Jeśli dwie cząsteczki etanu są połączone razem, jedno z wiązań węglowych w każdej cząsteczce może zostać zerwane, a dwie cząsteczki mogą być połączone wiązaniem węgiel-węgiel. Po połączeniu dwóch metrów, dwa kolejne wolne elektrony walencyjne pozostają na każdym końcu łańcucha, aby połączyć inne metry lub nici P. Proces jest w stanie kontynuować łączenie ze sobą większej liczby metrów i polimerów, dopóki nie zostanie zatrzymany przez dodanie innej substancji chemicznej (terminatora), która wypełnia dostępne wiązanie na każdym końcu cząsteczki. Nazywa się to polimerem liniowym i jest elementem budulcowym związków termoplastycznych.
Łańcuch polimeru jest często przedstawiany w dwóch wymiarach, ale należy zauważyć, że mają one trójwymiarową strukturę polimeru. Każde ogniwo jest pod kątem 109° donastępnie, a zatem szkielet węglowy biegnie przez przestrzeń jak skręcony łańcuch TinkerToys. Po przyłożeniu napięcia łańcuchy te rozciągają się, a wydłużenie P może być tysiące razy większe niż w strukturach krystalicznych. Oto cechy strukturalne polimerów.
