Daudzus interesē jautājums par to, kāda ir polimēru struktūra. Atbilde uz to tiks sniegta šajā rakstā. Polimēru īpašības (turpmāk - P) parasti tiek iedalītas vairākās klasēs atkarībā no mēroga, kādā īpašība tiek definēta, kā arī no tā fiziskā pamata. Šo vielu pamatkvalitāte ir to monomēru (M) identitāte. Otrā īpašību kopa, kas pazīstama kā mikrostruktūra, būtībā apzīmē šo Ms izkārtojumu P skalā ar vienu Z. Šīm pamata strukturālajām īpašībām ir liela nozīme, nosakot šo vielu kopējās fizikālās īpašības, kas parāda, kā P uzvedas kā makroskopisks materiāls. Ķīmiskās īpašības nanomērogā raksturo to, kā ķēdes mijiedarbojas ar dažādu fizisko spēku palīdzību. Makro mērogā tie parāda, kā pamata P mijiedarbojas ar citām ķīmiskām vielām un šķīdinātājiem.
Identitāte
Atkārtoto saišu identitāte, kas veido P, ir tās pirmā unsvarīgākais atribūts. Šo vielu nomenklatūra parasti balstās uz monomēra atlikumu veidu, kas veido P. Polimērus, kas satur tikai viena veida atkārtotas vienības, sauc par homo-P. Tajā pašā laikā P, kas satur divu vai vairāku veidu atkārtotas vienības, ir pazīstami kā kopolimēri. Terpolimēri satur trīs veidu atkārtotas vienības.
Piemēram, polistirols sastāv tikai no stirola M atliekām, un tāpēc tas ir klasificēts kā Homo-P. No otras puses, etilēna vinilacetāts satur vairāk nekā viena veida atkārtotas vienības un tādējādi ir kopolimērs. Daži bioloģiskie P sastāv no daudziem dažādiem, bet strukturāli saistītiem monomēru atlikumiem; piemēram, polinukleotīdi, piemēram, DNS, sastāv no četru veidu nukleotīdu apakšvienībām.
Polimēra molekula, kas satur jonizējamas apakšvienības, ir pazīstama kā polielektrolīts vai jonomērs.
Mikrostruktūra
Polimēra mikrostruktūra (dažreiz saukta par konfigurāciju) ir saistīta ar M atlieku fizisko izvietojumu galvenajā ķēdē. Tie ir P struktūras elementi, kuru maiņai nepieciešams pārraut kovalento saiti. Struktūrai ir spēcīga ietekme uz citām P īpašībām. Piemēram, diviem dabiskā kaučuka paraugiem var būt atšķirīga izturība, pat ja to molekulas satur vienādus monomērus.
Polimēru struktūra un īpašības
Šo punktu ir ārkārtīgi svarīgi precizēt. Svarīga polimēra struktūras mikrostrukturāla iezīme ir tās arhitektūra un forma, kas ir saistītas ar to, kāzaru punkti noved pie novirzes no vienkāršas lineāras ķēdes. Šīs vielas sazarotā molekula sastāv no galvenās ķēdes ar vienu vai vairākām sānu ķēdēm vai aizvietotāju zariem. Sazaroto Ps veidi ietver zvaigznes Ps, ķemmes Ps, otu Ps, dendronizētus Ps, kāpnes Ps un dendrimerus. Ir arī divdimensiju polimēri, kas sastāv no topoloģiski plakanām atkārtotām vienībām. P-materiāla sintezēšanai ar dažādu veidu ierīcēm var izmantot dažādas metodes, piemēram, dzīvo polimerizāciju.
Citas īpašības
Polimēru sastāvs un struktūra polimēru zinātnē ir saistīta ar to, kā sazarojums noved pie novirzes no stingri lineāras P-ķēdes. Sazarojums var notikt nejauši, vai reakcijas var būt izstrādātas, lai mērķētu uz konkrētām arhitektūrām. Šī ir svarīga mikrostrukturāla iezīme. Polimēra arhitektūra ietekmē daudzas tā fizikālās īpašības, tostarp šķīduma un kausējuma viskozitāti, šķīdību dažādās kompozīcijās, stiklošanās temperatūru un atsevišķu P spoļu izmēru šķīdumā. Tas ir svarīgi, lai pētītu polimēru sastāvā esošās sastāvdaļas un struktūru.
Atzarošana
Zari var veidoties, kad polimēra molekulas augošais gals piestiprinās (a) atpakaļ pie sevis vai (b) pie citas P-šķiedras, kuras abas ar ūdeņraža izvadīšanu var izveidot augšanas zonu vidum. ķēde.
Sazarojuma efekts - ķīmiskā šķērssaistīšana -kovalento saišu veidošanās starp ķēdēm. Šķērssaistīšanai ir tendence palielināt Tg un palielināt izturību un stingrību. Cita starpā šis process tiek izmantots, lai stiprinātu gumijas procesā, kas pazīstams kā vulkanizācija, kas balstās uz sēra šķērssaistīšanu. Piemēram, automašīnu riepām ir augsta izturība un šķērssavienojumi, lai samazinātu gaisa noplūdi un palielinātu to izturību. Savukārt gumijai nav šķērssavienojumu, kas ļauj gumijai nolobīties un novērš papīra bojājumus. Tīra sēra polimerizācija augstākās temperatūrās arī izskaidro, kāpēc tas kļūst viskozāks augstākās temperatūrās izkausētā stāvoklī.
Režģis
Ļoti šķērssaistītu polimēra molekulu sauc par P-tīklu. Pietiekami augsta šķērssaites attiecība pret virkni (C) var izraisīt tā sauktā bezgalīgā tīkla vai želejas veidošanos, kurā katrs šāds atzars ir saistīts ar vismaz vienu otru.
Nepārtraukti attīstoties dzīvajai polimerizācijai, šo vielu ar specifisku arhitektūru sintēze kļūst vieglāka. Ir iespējamas tādas arhitektūras kā zvaigzne, ķemme, suka, dendronizēti, dendrimēri un gredzenveida polimēri. Šos ķīmiskos savienojumus ar sarežģītu arhitektūru var sintezēt, vai nu izmantojot īpaši atlasītus izejas savienojumus, vai arī vispirms sintezējot lineāras ķēdes, kurās tiek veiktas turpmākas reakcijas, lai savienotos savā starpā. Mezglotie P sastāv no daudzām intramolekulārām ciklizācijassaites vienā P ķēdē (PC).
Atzarošana
Kopumā, jo augstāka ir sazarojuma pakāpe, jo kompaktāka ir polimēru ķēde. Tie ietekmē arī ķēdes sapīšanu, spēju slīdēt viens otram garām, kas savukārt ietekmē lielapjoma fiziskās īpašības. Garās ķēdes celmi var uzlabot polimēra izturību, stingrību un stiklošanās temperatūru (Tg), jo savienojumā palielinās saišu skaits. No otras puses, nejauša un īsa Z vērtība var samazināt materiāla izturību, jo tiek pārkāpta ķēžu spēja mijiedarboties savā starpā vai kristalizēties, ko izraisa polimēru molekulu struktūra.
Piemēru sazarojuma ietekmei uz fizikālajām īpašībām var atrast polietilēnā. Augsta blīvuma polietilēnam (ABPE) ir ļoti zema atzarojuma pakāpe, tas ir salīdzinoši stingrs un tiek izmantots, piemēram, ložu necaurlaidīgu vestu ražošanā. No otras puses, zema blīvuma polietilēnam (LDPE) ir ievērojams daudzums garu un īsu pavedienu, tas ir salīdzinoši elastīgs un tiek izmantots tādos lietojumos kā plastmasas plēves. Polimēru ķīmiskā struktūra dod priekšroku tieši šādiem lietojumiem.
Dendrimers
Dendrimeri ir īpašs sazarota polimēra gadījums, kur katra monomēra vienība ir arī atzarojuma punkts. Tam ir tendence samazināt starpmolekulāro ķēžu sapīšanu un kristalizāciju. Saistītā arhitektūra, dendritiskais polimērs, nav perfekti sazarots, bet tam ir līdzīgas īpašības kā dendrimeriemto augstās sazarojuma pakāpes dēļ.
Strukturālās sarežģītības pakāpe, kas rodas polimerizācijas laikā, var būt atkarīga no izmantoto monomēru funkcionalitātes. Piemēram, stirola brīvo radikāļu polimerizācijā divinilbenzola pievienošana, kura funkcionalitāte ir 2, novedīs pie sazarota P.
Inženierpolimēri
Inženierijas polimēri ietver dabiskos materiālus, piemēram, gumiju, sintētiku, plastmasu un elastomērus. Tie ir ļoti noderīgi izejmateriāli, jo to struktūras var mainīt un pielāgot materiālu ražošanai:
- ar virkni mehānisku īpašību;
- plašā krāsu gammā;
- ar dažādām caurspīdīguma īpašībām.
Polimēru molekulārā struktūra
Polimērs sastāv no daudzām vienkāršām molekulām, kas atkārto struktūrvienības, ko sauc par monomēriem (M). Viena šīs vielas molekula var sastāvēt no simtiem līdz miljoniem M, un tai ir lineāra, sazarota vai tīkla struktūra. Kovalentās saites satur atomus kopā, un sekundārās saites satur polimēru ķēžu grupas kopā, veidojot polimateriālu. Kopolimēri ir šīs vielas veidi, kas sastāv no diviem vai vairākiem dažādiem M.
Polimērs ir organisks materiāls, un jebkura šāda veida vielu pamatā ir oglekļa atomu ķēde. Oglekļa atoma ārējā apvalkā ir četri elektroni. Katrs no šiem valences elektroniem var veidot kovalentusaite ar citu oglekļa atomu vai ar svešu atomu. Galvenais, lai izprastu polimēra struktūru, ir tas, ka diviem oglekļa atomiem var būt līdz pat trīs kopīgas saites un tie joprojām ir saistīti ar citiem atomiem. Šajā ķīmiskajā savienojumā visbiežāk sastopamie elementi un to valences skaitļi ir: H, F, Cl, Bf un I ar 1 valences elektronu; O un S ar 2 valences elektroniem; n ar 3 valences elektroniem un C un Si ar 4 valences elektroniem.
Polietilēna piemērs
Molekulu spēja veidot garas ķēdes ir ļoti svarīga polimēra izgatavošanai. Apsveriet materiālu polietilēnu, kas izgatavots no etāna gāzes, C2H6. Etāna gāzei ķēdē ir divi oglekļa atomi, un katram ir divi valences elektroni ar otru. Ja divas etāna molekulas ir savienotas kopā, viena no oglekļa saitēm katrā molekulā var tikt pārrauta un abas molekulas var tikt savienotas ar oglekļa-oglekļa saiti. Pēc tam, kad ir pievienoti divi skaitītāji, katrā ķēdes galā paliek vēl divi brīvi valences elektroni, lai savienotu citus skaitītājus vai P-virknes. Process var turpināt savienot vairāk skaitītāju un polimēru, līdz tas tiek apturēts, pievienojot citu ķīmisku vielu (terminatoru), kas aizpilda pieejamo saiti katrā molekulas galā. To sauc par lineāru polimēru, un tas ir termoplastisku savienojumu pamatelements.
Polimēru ķēde bieži tiek parādīta divās dimensijās, taču jāņem vērā, ka tām ir trīsdimensiju polimēra struktūra. Katra saite atrodas 109° leņķī pretnākamais, un līdz ar to oglekļa mugurkauls iet cauri telpai kā savīta TinkerToys ķēde. Pieliekot spriegumu, šīs ķēdes stiepjas, un pagarinājums P var būt tūkstošiem reižu lielāks nekā kristāliskajās struktūrās. Šīs ir polimēru struktūras iezīmes.
