Daugelį domina polimerų sandaros klausimas. Atsakymas į jį bus pateiktas šiame straipsnyje. Polimero savybės (toliau – P) paprastai skirstomos į kelias klases, priklausomai nuo to, kokio masto savybė apibrėžiama, taip pat nuo jos fizinio pagrindo. Pagrindinė šių medžiagų savybė yra jas sudarančių monomerų (M) tapatybė. Antrasis savybių rinkinys, žinomas kaip mikrostruktūra, iš esmės reiškia šių M išsidėstymą P pagal vieno Z skalę. Šios pagrindinės struktūrinės charakteristikos atlieka svarbų vaidmenį nustatant šių medžiagų masines fizines savybes, kurios parodo, kaip P elgiasi kaip makroskopinė medžiaga. Cheminės nanoskalės savybės apibūdina, kaip grandinės sąveikauja per įvairias fizines jėgas. Makro skalėje jie parodo, kaip pagrindinis P sąveikauja su kitomis cheminėmis medžiagomis ir tirpikliais.
Tapatybė
Pasikartojančių nuorodų, sudarančių P, tapatybė yra pirmoji irsvarbiausias atributas. Šių medžiagų nomenklatūra paprastai grindžiama monomerų likučių, sudarančių P, tipu. Polimerai, kuriuose yra tik vieno tipo pasikartojantys vienetai, yra žinomi kaip homo-P. Tuo pačiu metu P, kuriuose yra dviejų ar daugiau tipų pasikartojančių vienetų, yra žinomi kaip kopolimerai. Terpolimeruose yra trijų tipų pasikartojantys vienetai.
Pvz., polistirenas susideda tik iš stireno M likučių, todėl yra klasifikuojamas kaip Homo-P. Kita vertus, etileno vinilo acetate yra daugiau nei vieno tipo pasikartojantys vienetai, todėl jis yra kopolimeras. Kai kurie biologiniai P yra sudaryti iš daugybės skirtingų, bet struktūriškai susijusių monomerinių liekanų; pavyzdžiui, polinukleotidai, tokie kaip DNR, yra sudaryti iš keturių tipų nukleotidų subvienetų.
Polimero molekulė, turinti jonizuojamų subvienetų, yra žinoma kaip polielektrolitas arba jonomeras.
Mikrostruktūra
Polimero mikrostruktūra (kartais vadinama konfigūracija) yra susijusi su fiziniu M liekanų išsidėstymu pagrindinėje grandinėje. Tai yra P struktūros elementai, kuriems norint pasikeisti reikia nutraukti kovalentinį ryšį. Struktūra turi didelę įtaką kitoms P savybėms. Pavyzdžiui, dviejų natūralios gumos pavyzdžių patvarumas gali skirtis, net jei jų molekulėse yra tų pačių monomerų.
Polimerų struktūra ir savybės
Šį dalyką labai svarbu išsiaiškinti. Svarbi polimero struktūros mikrostruktūrinė ypatybė yra jos architektūra ir forma, kurios yra susijusios su kaipšakos taškai lemia nukrypimą nuo paprastos linijinės grandinės. Šios medžiagos šakotoji molekulė susideda iš pagrindinės grandinės su viena ar daugiau šoninių grandinių arba pakaitų šakų. Šakotosios Ps rūšys yra žvaigždės Ps, šukos Ps, šepetys Ps, dendronizuoti Ps, kopėčios Ps ir dendrimeriai. Taip pat yra dvimačių polimerų, susidedančių iš topologiškai plokščių pasikartojančių vienetų. P medžiagai sintetinti su įvairių tipų įrenginiais galima naudoti įvairius metodus, pvz., gyvąją polimerizaciją.
Kitos savybės
Polimerų sudėtis ir struktūra polimerų moksle yra susijusi su tuo, kaip išsišakojimas lemia nukrypimą nuo griežtai tiesinės P grandinės. Išsišakojimas gali įvykti atsitiktinai arba reakcijos gali būti skirtos konkrečioms architektūroms. Tai svarbi mikrostruktūrinė savybė. Polimero architektūra turi įtakos daugeliui jo fizinių savybių, įskaitant tirpalo ir lydalo klampumą, tirpumą įvairiose kompozicijose, stiklėjimo temperatūrą ir atskirų P ritinių dydį tirpale. Tai svarbu tiriant polimerų sudėtines dalis ir struktūrą.
Atšakos
Šakos gali susidaryti, kai augantis polimero molekulės galas prisitvirtina (a) atgal prie savęs arba (b) prie kitos P grandinės, kurios abi dėl vandenilio pašalinimo gali sukurti augimo zoną viduriui. grandinėlė.
Išsišakojimas – cheminis kryžminis ryšys –kovalentinių ryšių susidarymas tarp grandinių. Kryžminis ryšys padidina Tg ir padidina stiprumą bei kietumą. Be kitų naudojimo būdų, šis procesas naudojamas gumoms stiprinti procese, vadinamame vulkanizavimu, kuris priklauso nuo sieros susiejimo. Pavyzdžiui, automobilių padangos pasižymi dideliu stiprumu ir kryžminiu ryšiu, kad sumažintų oro nuotėkį ir padidintų jų ilgaamžiškumą. Kita vertus, guma nėra kryžminė, todėl guma gali nusilupti ir neleidžia pažeisti popieriaus. Grynos sieros polimerizacija aukštesnėje temperatūroje taip pat paaiškina, kodėl ji tampa klampesnė esant aukštesnei temperatūrai išlydyta būsena.
Tinklelis
Labai skersiniais ryšiais susieta polimero molekulė vadinama P tinklu. Pakankamai didelis kryžminio ryšio ir grandinės santykis (C) gali lemti vadinamojo begalinio tinklo arba gelio susidarymą, kuriame kiekviena tokia šaka yra susieta bent su viena kita.
Nuolat plėtojant gyvąją polimerizaciją, šių specifinės architektūros medžiagų sintezė tampa vis lengvesnė. Galimos tokios architektūros kaip žvaigždė, šukos, šepetys, dendronai, dendrimeriai ir žiediniai polimerai. Šiuos sudėtingos architektūros cheminius junginius galima susintetinti arba naudojant specialiai parinktus pradinius junginius, arba pirmiausia susintetinant linijines grandines, kurios toliau reaguoja, kad susijungtų viena su kita. Surištas Ps susideda iš daugelio intramolekulinių ciklizacijųnuorodos vienoje P grandinėje (PC).
Atšakos
Apskritai, kuo didesnis šakojimosi laipsnis, tuo kompaktiškesnė polimero grandinė. Jie taip pat turi įtakos grandinės įsipainiojimui, gebėjimui slysti vienas pro šalį, o tai savo ruožtu paveikia masines fizines savybes. Ilgos grandinės deformacijos gali pagerinti polimero stiprumą, kietumą ir stiklėjimo temperatūrą (Tg), nes junginyje padidėja jungčių skaičius. Kita vertus, atsitiktinė ir trumpa Z reikšmė gali sumažinti medžiagos stiprumą dėl grandinių gebėjimo sąveikauti tarpusavyje arba kristalizuotis pažeidimo, kuris atsiranda dėl polimero molekulių struktūros.
Polietilene galima rasti šakojimosi įtakos fizinėms savybėms pavyzdį. Didelio tankio polietilenas (DTPE) turi labai mažą išsišakojimą, yra gana tvirtas ir naudojamas, pavyzdžiui, neperšaunamų liemenių gamyboje. Kita vertus, mažo tankio polietilenas (LDPE) turi daug ilgų ir trumpų gijų, yra gana lankstus ir naudojamas tokiose srityse kaip plastikinės plėvelės. Cheminė polimerų struktūra yra palanki tokiam naudojimui.
Dendrimers
Dendrimerai yra ypatingas šakotojo polimero atvejis, kai kiekvienas monomerinis vienetas taip pat yra šakos taškas. Tai sumažina tarpmolekulinės grandinės įsipainiojimą ir kristalizaciją. Susijusi architektūra, dendritinis polimeras, nėra tobulai išsišakojusios, bet turi panašių savybių kaip dendrimeriaidėl jų didelio išsišakojimo laipsnio.
Struktūrinio sudėtingumo laipsnis, atsirandantis polimerizacijos metu, gali priklausyti nuo naudojamų monomerų funkcionalumo. Pavyzdžiui, polimerizuojant stireną laisvaisiais radikalais, pridėjus divinilbenzeno, kurio funkcionalumas yra 2, susidarys šakotas P.
Inžineriniai polimerai
Sukurti polimerai apima natūralias medžiagas, tokias kaip guma, sintetika, plastikai ir elastomerai. Tai labai naudingos žaliavos, nes jų struktūras galima keisti ir pritaikyti medžiagų gamybai:
- su įvairiomis mechaninėmis savybėmis;
- įvairios spalvos;
- su skirtingomis skaidrumo savybėmis.
Polimerų molekulinė struktūra
Polimerą sudaro daugybė paprastų molekulių, kurios atkartoja struktūrinius vienetus, vadinamus monomerais (M). Vieną šios medžiagos molekulę gali sudaryti nuo šimtų iki milijonų M ir jos struktūra yra linijinė, šakota arba tinklinė. Kovalentiniai ryšiai laiko atomus kartu, o antriniai ryšiai kartu sulaiko polimerų grandinių grupes, kad sudarytų polimedžiagą. Kopolimerai yra šios medžiagos tipai, sudaryti iš dviejų ar daugiau skirtingų tipų M.
Polimeras yra organinė medžiaga, o bet kurios tokio tipo medžiagos pagrindas yra anglies atomų grandinė. Anglies atomo išoriniame apvalkale yra keturi elektronai. Kiekvienas iš šių valentinių elektronų gali sudaryti kovalentąryšys su kitu anglies atomu arba su svetimu atomu. Norint suprasti polimero struktūrą, svarbu tai, kad du anglies atomai gali turėti iki trijų bendrų ryšių ir vis tiek jungtis su kitais atomais. Šiame cheminiame junginyje dažniausiai randami elementai ir jų valentiniai skaičiai: H, F, Cl, Bf ir I su 1 valentiniu elektronu; O ir S su 2 valentiniais elektronais; n su 3 valentiniais elektronais ir C ir Si su 4 valentiniais elektronais.
Polietileno pavyzdys
Molekulių gebėjimas sudaryti ilgas grandines yra gyvybiškai svarbus polimerui gaminti. Apsvarstykite medžiagą polietileną, pagamintą iš etano dujų, C2H6. Etano dujos grandinėje turi du anglies atomus, o kiekvienas turi du valentinius elektronus su kitu. Jei dvi etano molekulės yra sujungtos kartu, vienas iš anglies jungčių kiekvienoje molekulėje gali nutrūkti, o dvi molekulės gali būti sujungtos anglies-anglies ryšiu. Sujungus du metrus, kiekviename grandinės gale lieka dar du laisvi valentiniai elektronai, kad būtų galima sujungti kitus matuoklius arba P grandines. Procesas gali ir toliau sujungti daugiau skaitiklių ir polimerų, kol jis sustabdomas pridedant kitą cheminę medžiagą (terminatorių), kuri užpildo turimą ryšį kiekviename molekulės gale. Tai vadinama linijiniu polimeru ir yra termoplastinių junginių statybinis blokas.
Polimerinė grandinė dažnai rodoma dviem matmenimis, tačiau reikia pažymėti, kad jos turi trimatę polimero struktūrą. Kiekviena jungtis yra 109° kamputoliau, taigi anglies stuburas eina per erdvę kaip susukta TinkerToys grandinėlė. Įjungus įtampą, šios grandinės išsitempia, o pailgėjimas P gali būti tūkstančius kartų didesnis nei kristalinėse struktūrose. Tai yra polimerų struktūrinės savybės.
