Mange er interessert i spørsmålet om hvilken struktur polymerer har. Svaret på det vil bli gitt i denne artikkelen. Polymeregenskaper (heretter - P) er generelt delt inn i flere klasser avhengig av skalaen som egenskapen er definert i, samt på dens fysiske basis. Den mest grunnleggende kvaliteten til disse stoffene er identiteten til deres monomerer (M). Det andre settet med egenskaper, kjent som mikrostruktur, betegner i hovedsak arrangementet av disse M-ene i P på en skala fra én Z. Disse grunnleggende strukturelle egenskapene spiller en viktig rolle i å bestemme de fysiske hovedegenskapene til disse stoffene, som viser hvordan P oppfører seg som et makroskopisk materiale. Kjemiske egenskaper på nanoskala beskriver hvordan kjeder samhandler gjennom ulike fysiske krefter. På en makroskala viser de hvordan grunnleggende P interagerer med andre kjemikalier og løsemidler.
Identity
Identiteten til de repeterende lenkene som utgjør P-en, er dens første ogden viktigste egenskapen. Nomenklaturen til disse stoffene er vanligvis basert på typen monomerrester som utgjør P. Polymerer som inneholder bare én type repeterende enhet er kjent som homo-P. Samtidig er Ps som inneholder to eller flere typer repeterende enheter kjent som kopolymerer. Terpolymerer inneholder tre typer repeterende enheter.
Polystyren, for eksempel, består kun av styren M-rester og er derfor klassifisert som Homo-P. Etylenvinylacetat inneholder derimot mer enn én type repeterende enhet og er dermed en kopolymer. Noen biologiske P-er er sammensatt av mange forskjellige, men strukturelt beslektede monomere rester; for eksempel består polynukleotider som DNA av fire typer nukleotidunderenheter.
Et polymermolekyl som inneholder ioniserbare underenheter er kjent som en polyelektrolytt eller ionomer.
Mikrostruktur
Mikrostrukturen til en polymer (noen ganger k alt konfigurasjon) er relatert til det fysiske arrangementet av M-rester langs hovedkjeden. Dette er elementer i P-strukturen som krever brudd av en kovalent binding for å endre seg. Strukturen har sterk innflytelse på andre egenskaper til P. For eksempel kan to prøver av naturgummi vise ulik holdbarhet selv om molekylene deres inneholder de samme monomerene.
Struktur og egenskaper til polymerer
Dette punktet er ekstremt viktig å avklare. Et viktig mikrostrukturelt trekk ved polymerstrukturen er dens arkitektur og form, som er relatert til hvordangrenpunkter fører til et avvik fra en enkel lineær kjede. Det forgrenede molekylet til dette stoffet består av en hovedkjede med en eller flere sidekjeder eller substituentgrener. Typer forgrenede Ps inkluderer stjerne Ps, kam Ps, pensel Ps, dendroniserte Ps, stige Ps og dendrimerer. Det finnes også todimensjonale polymerer som består av topologisk flate repeterende enheter. En rekke teknikker kan brukes til å syntetisere P-materiale med forskjellige enhetstyper, for eksempel levende polymerisering.
Andre kvaliteter
Sammensetningen og strukturen til polymerer i polymervitenskap er relatert til hvordan forgrening fører til avvik fra en strengt lineær P-kjede. Forgreninger kan skje tilfeldig, eller reaksjoner kan utformes for å målrette mot spesifikke arkitekturer. Dette er en viktig mikrostrukturell funksjon. Arkitekturen til en polymer påvirker mange av dens fysiske egenskaper, inkludert løsnings- og smelteviskositet, løselighet i forskjellige sammensetninger, glassovergangstemperatur og størrelsen på individuelle P-spoler i løsning. Dette er viktig for å studere komponentene og strukturen til polymerer.
Branching
Grener kan dannes når den voksende enden av et polymermolekyl fester seg enten (a) tilbake til seg selv eller (b) til en annen P-streng, som begge, gjennom hydrogenuttak, kan skape en vekstsone for midten kjede.
Forgreningseffekt - kjemisk tverrbinding -dannelse av kovalente bindinger mellom kjeder. Tverrbinding har en tendens til å øke Tg og øke styrke og seighet. Blant annet brukes denne prosessen til å styrke gummier i en prosess kjent som vulkanisering, som er avhengig av svoveltverrbinding. Bildekk har for eksempel høy styrke og tverrbinding for å redusere luftlekkasje og øke holdbarheten. Gummien er derimot ikke tverrbundet, noe som gjør at gummien kan flasse av og forhindrer skade på papiret. Polymerisasjonen av rent svovel ved høyere temperaturer forklarer også hvorfor det blir mer tyktflytende ved høyere temperaturer i smeltet tilstand.
Grid
Et sterkt tverrbundet polymermolekyl kalles et P-nettverk. Et tilstrekkelig høyt tverrbinding-til-tråd-forhold (C) kan føre til dannelsen av et såk alt uendelig nettverk eller gel, der hver slik gren er koblet til minst én annen.
Med den kontinuerlige utviklingen av levende polymerisasjon, blir syntesen av disse stoffene med en bestemt arkitektur lettere. Arkitekturer som stjerne, kam, børste, dendroniserte, dendrimerer og ringpolymerer er mulige. Disse kjemiske forbindelsene med kompleks arkitektur kan syntetiseres enten ved å bruke spesielt utvalgte utgangsforbindelser, eller først ved å syntetisere lineære kjeder som gjennomgår ytterligere reaksjoner for å knyttes til hverandre. Knyttede Ps består av mange intramolekylære cykliseringerlenker i én P-kjede (PC).
Branching
Generelt, jo høyere grad av forgrening, jo mer kompakt er polymerkjeden. De påvirker også kjedesammenfiltring, evnen til å gli forbi hverandre, som igjen påvirker bulkfysiske egenskaper. Langkjedede tøyninger kan forbedre polymerstyrke, seighet og glassovergangstemperatur (Tg) på grunn av en økning i antall bindinger i forbindelsen. På den annen side kan en tilfeldig og kort verdi på Z redusere styrken til materialet på grunn av et brudd på evnen til kjeder til å samhandle med hverandre eller krystallisere, noe som skyldes strukturen til polymermolekyler.
Et eksempel på effekten av forgrening på fysiske egenskaper finnes i polyetylen. Høydensitetspolyetylen (HDPE) har en svært lav grad av forgrening, er relativt stiv og brukes til fremstilling av for eksempel skuddsikre vester. På den annen side har lavdensitetspolyetylen (LDPE) en betydelig mengde lange og korte tråder, er relativt fleksibel og brukes i applikasjoner som plastfilmer. Den kjemiske strukturen til polymerer favoriserer nettopp slike bruksområder.
Dendrimers
Dendrimerer er et spesi altilfelle av en forgrenet polymer, der hver monomerenhet også er et forgreningspunkt. Dette har en tendens til å redusere intermolekylær kjedesammenfiltring og krystallisering. En beslektet arkitektur, den dendrittiske polymeren, er ikke perfekt forgrenet, men har lignende egenskaper som dendrimererpå grunn av deres høye grad av forgrening.
Graden av strukturell kompleksitet som oppstår under polymerisering kan avhenge av funksjonaliteten til monomerene som brukes. For eksempel, ved friradikalpolymerisering av styren, vil tilsetning av divinylbenzen, som har en funksjonalitet på 2, føre til dannelse av forgrenet P.
Engineering polymers
Konstruerte polymerer inkluderer naturlige materialer som gummi, syntetiske stoffer, plast og elastomerer. De er svært nyttige råvarer fordi strukturene deres kan endres og tilpasses for å produsere materialer:
- med en rekke mekaniske egenskaper;
- i et bredt utvalg av farger;
- med forskjellige gjennomsiktighetsegenskaper.
Molekylær struktur av polymerer
En polymer består av mange enkle molekyler som gjentar strukturelle enheter k alt monomerer (M). Ett molekyl av dette stoffet kan bestå av hundrevis til millioner av M og ha en lineær, forgrenet eller nettverksstruktur. Kovalente bindinger holder atomene sammen og sekundære bindinger holder deretter gruppene av polymerkjeder sammen for å danne polymaterialet. Kopolymerer er typer av dette stoffet, bestående av to eller flere forskjellige typer M.
En polymer er et organisk materiale, og grunnlaget for enhver slik type stoff er en kjede av karbonatomer. Et karbonatom har fire elektroner i sitt ytre skall. Hver av disse valenselektronene kan danne en kovalenten binding med et annet karbonatom eller med et fremmed atom. Nøkkelen til å forstå strukturen til en polymer er at to karbonatomer kan ha opptil tre bindinger til felles og fortsatt binde seg til andre atomer. Grunnstoffene som oftest finnes i denne kjemiske forbindelsen og deres valensnummer er: H, F, Cl, Bf og I med 1 valenselektron; O og S med 2 valenselektroner; n med 3 valenselektroner og C og Si med 4 valenselektroner.
Eksempel på polyetylen
Molekylenes evne til å danne lange kjeder er avgjørende for å lage en polymer. Tenk på materialet polyetylen, som er laget av etangass, C2H6. Etangass har to karbonatomer i kjeden, og hver har to valenselektroner med den andre. Hvis to etanmolekyler er bundet sammen, kan en av karbonbindingene i hvert molekyl brytes, og de to molekylene kan være forbundet med en karbon-karbonbinding. Etter at to meter er koblet sammen, gjenstår to frie valenselektroner til i hver ende av kjeden for å koble andre meter eller P-tråder. Prosessen er i stand til å fortsette å koble flere målere og polymerer sammen til den stoppes ved tilsetning av et annet kjemikalie (terminator) som fyller den tilgjengelige bindingen i hver ende av molekylet. Dette kalles en lineær polymer og er byggesteinen for termoplastiske forbindelser.
Polymerkjeden vises ofte i to dimensjoner, men det skal bemerkes at de har en tredimensjonal polymerstruktur. Hvert ledd er i en vinkel på 109° tilneste, og derfor løper karbonryggraden gjennom verdensrommet som en vridd kjede av TinkerToys. Når spenning påføres, strekker disse kjedene seg, og forlengelsen P kan være tusenvis av ganger større enn i krystallinske strukturer. Dette er de strukturelle egenskapene til polymerer.
