Štruktúra polymérov: zloženie, základné vlastnosti, vlastnosti

Mnoho ľudí sa zaujíma o otázku, aká je štruktúra polymérov. Odpoveď na to bude uvedená v tomto článku. Vlastnosti polyméru (ďalej len P) sú všeobecne rozdelené do niekoľkých tried v závislosti od stupnice, v ktorej je vlastnosť určená, ako aj od jej fyzikálneho základu. Najzákladnejšou kvalitou týchto látok je identita jej základných monomérov (M). Druhá sada vlastností, známa ako mikroštruktúra, v podstate označuje ich umiestnenie M v N na stupnici jedného C. Tieto základné štrukturálne charakteristiky hrajú hlavná úloha pri určovaní objemových fyzikálnych vlastností týchto látok, ktoré ukazujú, ako sa p správa ako makroskopický materiál. Chemické vlastnosti v nanorozmere opisujú, ako reťazce interagujú prostredníctvom rôznych fyzikálnych síl. Na makro stupnici ukazujú, ako základné P interaguje s inými chemikáliami a rozpúšťadlami.

Identita

Identita opakujúcich sa odkazov, ktoré tvoria P, je jeho prvým a najdôležitejším atribútom. Nomenklatúra týchto látok je zvyčajne založená na type monomérnych zvyškov, ktoré tvoria. Polyméry, ktoré obsahujú iba jeden typ opakujúcich sa jednotiek, sú známe ako homo-P. Súčasne p obsahujúce dva alebo viac typov opakujúcich sa jednotiek sú známe ako kopolyméry. Terpolyméry obsahujú tri typy opakujúcich sa odkazov.

Napríklad polystyrén pozostáva iba zo zvyškov styrénu M, a preto sa klasifikuje ako homo-P. Etylénvinylacetát na druhej strane obsahuje viac ako jeden typ opakujúcich sa jednotiek, a je teda kopolymérom. Niektoré biologické zlúčeniny pozostávajú z mnohých rôznych, ale štrukturálne príbuzných monomérnych zvyškov; napríklad polynukleotidy, ako je DNA, pozostávajú zo štyroch typov nukleotidových podjednotiek.

Je známa molekula polyméru obsahujúca ionizovateľné podjednotky ako polyelektrolyt alebo ionomér.

Mikroštruktúra

Mikroštruktúra polyméru (niekedy nazývaná konfigurácia) súvisí s fyzickým umiestnením zvyškov M pozdĺž hlavného reťazca. Toto sú prvky n štruktúry, ktoré vyžadujú prerušenie kovalentnej väzby, aby sa mohli zmeniť. Štruktúra má silný vplyv na ďalšie vlastnosti. Napríklad dve vzorky prírodného kaučuku môžu vykazovať odlišnú trvanlivosť, aj keď ich molekuly obsahujú rovnaké monoméry.

Štruktúra a vlastnosti polymérov

Tento bod je mimoriadne dôležitý na objasnenie. Dôležitým mikroštruktúrnym znakom polymérnej štruktúry je jej architektúra a tvar, ktoré súvisia s tým, ako vetviace body vedú k odchýlke od jednoduchého lineárneho reťazca. Rozvetvená molekula tejto látky pozostáva z hlavného reťazca s jedným alebo viacerými bočnými reťazcami alebo vetvami substituenta. Typy rozvetvených N zahŕňajú hviezdicovité, hrebeňovité N, kefové N, dendronizované, rebríkové a dendriméry. Existujú tiež dvojrozmerné polyméry, ktoré pozostávajú z topologicky plochých opakujúcich sa väzieb. Na syntézu p-materiálu s rôznymi typmi zariadení je možné použiť rôzne techniky, napríklad živú polymerizáciu.

Ďalšie vlastnosti

Zloženie a štruktúra polymérov vo vede o nich súvisí s tým, ako vetvenie vedie k odchýlke od striktne lineárneho p-reťazca. Vetvenie môže nastať náhodne alebo môžu byť navrhnuté reakcie zamerané na konkrétne architektúry. Toto je dôležitá mikroštruktúrna vlastnosť. Architektúra polyméru ovplyvňuje mnohé z jeho fyzikálnych vlastností, vrátane viskozity roztoku, taveniny, rozpustnosti v rôznych kompozíciách, teploty skleného prechodu a veľkosti jednotlivých p-cievok v roztoku. To je dôležité na štúdium obsiahnutých zložiek a štruktúry polymérov.

Vetvenia

Vetvy sa môžu vytvárať, keď je rastúci koniec molekuly polyméru fixovaný buď (a) späť na seba, alebo (b) na iný p-reťazec, pričom oba sú vďaka odstráneniu vodíka schopné vytvoriť rastovú zónu stredný reťazec.

Efekt vetvenia-chemické zosieťovanie-tvorba kovalentných väzieb medzi reťazcami. Zosieťovanie má tendenciu zvyšovať Tg a zvyšovať pevnosť a húževnatosť. Okrem iných aplikácií sa tento proces používa na spevnenie kaučukov v procese známom ako vulkanizácia, ktorý je založený na zosieťovaní síry. Napríklad pneumatiky pre automobily majú vysokú pevnosť a stupeň prešívania, aby sa znížil únik vzduchu a zvýšila sa ich životnosť. Elastický pás na druhej strane nie je šitý, čo umožňuje odlupovanie gumy a zabraňuje poškodeniu papiera. Polymerizácia čistej síry pri vyšších teplotách tiež vysvetľuje, prečo sa stáva viskóznejšou pri zvýšených teplotách v roztavenom stave.

Mriežka

Molekula polyméru s vysokým stupňom zosieťovania sa nazýva P-mriežka. Dostatočne vysoký pomer zosieťovania k reťazcu (C) môže viesť k vytvoreniu takzvanej nekonečnej siete alebo gélu, v ktorej je každá takáto vetva spojená aspoň s jednou ďalšou.

S neustálym rozvojom živej polymerizácie sa syntéza týchto látok s určitou architektúrou stáva ľahšou a ľahšou. Možné sú architektúry ako hviezdicovité, česané, kartáčované, dendronizované, dendriméry a kruhové polyméry. Tieto chemické zlúčeniny so zložitou architektúrou je možné syntetizovať buď pomocou špeciálne vybraných východiskových zlúčenín, alebo najskôr syntézou lineárnych reťazcov, ktoré prechádzajú ďalšími reakciami na vzájomné spojenie. Viazané P pozostávajú z mnohých intramolekulárnych cyklizačných článkov v jednom p-reťazci (PC).

Vetvenia

Všeobecne platí, že čím vyšší je stupeň vetvenia, tým kompaktnejší je polymérny reťazec. Ovplyvňujú tiež zapletenie reťazca, schopnosť kĺzať sa okolo seba, čo zase ovplyvňuje objemové fyzikálne vlastnosti. Deformácie s dlhým reťazcom môžu zlepšiť pevnosť polyméru, húževnatosť a teplotu skleného prechodu (Tg) v dôsledku zvýšenia počtu väzieb v zlúčenine. Na druhej strane náhodná a krátka hodnota C môže znížiť pevnosť materiálu v dôsledku porušenia schopnosti reťazcov navzájom interagovať alebo kryštalizovať, čo je spôsobené štruktúrou molekúl polyméru.

Príklad účinku vetvenia na fyzikálne vlastnosti možno nájsť v polyetyléne. Polyetylén s vysokou hustotou (HDPE) má veľmi nízky stupeň rozvetvenia, je relatívne tuhý a používa sa napríklad pri výrobe nepriestrelnej vesty. Na druhej strane polyetylén s nízkou hustotou (LDPE) má značný počet dlhých a krátkych vetiev, je relatívne flexibilný a používa sa v oblastiach, ako sú plastové fólie. Chemická štruktúra polymérov prispieva práve k ich použitiu.

Dendriméry

Dendriméry sú špeciálnym prípadom rozvetveného polyméru, kde každá monomérna jednotka je tiež vetviacim bodom. To má tendenciu znižovať zapletenie a kryštalizáciu intermolekulárneho reťazca. Príbuzná architektúra, dendritický polymér, nie je dokonale rozvetvená, ale má podobné vlastnosti ako dendriméry kvôli vysokému stupňu rozvetvenia.

Stupeň tvorby zložitosti štruktúry, ku ktorému dochádza počas polymerizácie, môže závisieť od funkčnosti použitých monomérov. Napríklad pri polymerizácii styrénu voľnými radikálmi bude pridanie divinylbenzénu, ktorý má funkčnosť 2, viesť k tvorbe rozvetveného N.

Inžinierske polyméry

Inžinierske polyméry zahŕňajú prírodné materiály, ako je guma, syntetické materiály, plasty a elastoméry. Sú to veľmi užitočné suroviny, pretože ich štruktúry je možné upravovať a prispôsobovať na výrobu materiálov

• s radom mechanických vlastností;
• v širokej škále farieb;
• s rôznymi vlastnosťami priehľadnosti.

Molekulárna štruktúra polymérov

Polymér pozostáva z mnohých jednoduchých molekúl, ktoré opakujú štruktúrne jednotky nazývané monoméry (M). Jedna molekula tejto látky môže pozostávať z množstva od stoviek do milióna metrov a má lineárnu, rozvetvenú alebo sieťovú štruktúru. Kovalentné väzby držia atómy pohromade a sekundárne väzby potom držia skupiny polymérnych reťazcov pohromade, aby vytvorili polymateriál. Kopolyméry sú typy tejto látky pozostávajúce z dvoch alebo viacerých rôznych typov M.

Polymér je organický materiál a základom každého takého typu látky je reťazec atómov uhlíka. Atóm uhlíka má vo svojom vonkajšom obale štyri elektróny. Každý z týchto valenčných elektrónov môže vytvoriť kovalentnú väzbu s iným atómom uhlíka alebo s cudzím atómom. Kľúčom k pochopeniu štruktúry polyméru je, že dva atómy uhlíka môžu mať až tri spoločné väzby a stále sa viažu na iné atómy. Prvky, ktoré sa najčastejšie nachádzajú v tejto chemickej zlúčenine a ich valenčné čísla, sú: H, F, Cl, Bf a I s 1 valenčným elektrónom; o A S S 2 valenčnými elektrónmi; n s 3 valenčnými elektrónmi a C a Si so 4 valenčnými elektrónmi.

Príklad polyetylénu

Schopnosť molekúl vytvárať dlhé reťazce je životne dôležitá pre výrobu polymérov. Zvážte materiál polyetylén, ktorý je vyrobený z etánového plynu, C2H6. Etánový plyn má dva atómy uhlíka v reťazci a každý z nich má dva valenčné elektróny s druhým. Ak sú dve molekuly etánu spojené, jedna z uhlíkových väzieb v každej molekule môže byť prerušená a tieto dve molekuly môžu byť spojené väzbou uhlík-uhlík. Po pripojení dvoch metrov zostanú na každom konci reťazca ďalšie dva voľné valenčné elektróny, ktoré spoja ďalšie metre alebo p-reťazce. Proces je schopný pokračovať v spájaní ďalších metrov a polymérov dohromady, až kým sa nezastaví pridaním ďalšej chemikálie (terminátora), ktorá vyplní dostupnú väzbu na každom konci molekuly. Toto sa nazýva lineárny polymér a je stavebným kameňom pre termoplastické typy zlúčenín.

Polymérny reťazec je často znázornený v dvoch rozmeroch, ale treba poznamenať, že majú trojrozmernú štruktúru polymérov. Každá väzba je na uhol 109° k ďalšiemu, a preto uhlíková chrbtica prechádza priestorom ako skrútený reťazec TinkerToys. Pri použití napätia sa tieto obvody natiahnu a predĺženie N môže byť tisíckrát väčšie ako v kryštálových štruktúrach. Toto sú štrukturálne vlastnosti polymérov.