Monet ovat kiinnostuneita polymeerien rakenteesta. Vastaus siihen annetaan tässä artikkelissa. Polymeerin ominaisuudet (tästä eteenpäin - P) jaetaan yleensä useisiin luokkiin riippuen siitä, missä mittakaavassa ominaisuus määritellään, sekä sen fysikaalisesta perustasta. Näiden aineiden perusominaisuus on niiden monomeerien tunnistetiedot (M). Toinen ominaisuuksien joukko, joka tunnetaan nimellä mikrorakenne, merkitsee pohjimmiltaan näiden M:iden järjestystä P:ssä yhden Z:n asteikolla. Näillä rakenteellisilla perusominaisuuksilla on suuri merkitys määritettäessä näiden aineiden massafysikaalisia ominaisuuksia, jotka osoittavat, kuinka P käyttäytyy makroskooppinen materiaali. Kemialliset ominaisuudet nanomittakaavassa kuvaavat ketjujen vuorovaikutusta erilaisten fyysisten voimien kautta. Makromittakaavassa ne osoittavat, kuinka perus-P on vuorovaikutuksessa muiden kemikaalien ja liuottimien kanssa.
Identiteetti
P:n muodostavien toistuvien linkkien identiteetti on sen ensimmäinen jatärkein ominaisuus. Näiden aineiden nimikkeistö perustuu yleensä P:n muodostavien monomeeritähteiden tyyppiin. Polymeerit, jotka sisältävät vain yhden tyyppisen toistuvan yksikön, tunnetaan nimellä homo-P. Samanaikaisesti P:t, jotka sisältävät kahden tai useamman tyyppisiä toistuvia yksiköitä, tunnetaan kopolymeereinä. Terpolymeerit sisältävät kolmenlaisia toistuvia yksiköitä.
Esimerkiksi polystyreeni koostuu vain styreeni M -jäämistä ja siksi se luokitellaan Homo-P:ksi. Eteenivinyyliasetaatti sen sijaan sisältää useamman kuin yhden tyyppisen toistuvan yksikön ja on siten kopolymeeri. Jotkut biologiset P:t koostuvat monista erilaisista mutta rakenteellisesti samank altaisista monomeeritähteistä; esimerkiksi polynukleotidit, kuten DNA, koostuvat neljän tyyppisistä nukleotidialayksiköistä.
Ionisoituvia alayksiköitä sisältävä polymeerimolekyyli tunnetaan polyelektrolyytinä tai ionomeerinä.
Mikrorakenne
Polymeerin mikrorakenne (kutsutaan joskus konfiguraatioksi) liittyy M-tähteen fyysiseen järjestykseen pääketjussa. Nämä ovat P-rakenteen elementtejä, jotka vaativat kovalenttisen sidoksen katkeamisen muuttuakseen. Rakenteella on voimakas vaikutus P:n muihin ominaisuuksiin. Esimerkiksi kahdella luonnonkuminäytteellä voi olla erilainen kestävyys, vaikka niiden molekyylit sisältävät samoja monomeerejä.
Polymeerien rakenne ja ominaisuudet
Tämä kohta on erittäin tärkeä selventää. Polymeerirakenteen tärkeä mikrorakenneominaisuus on sen arkkitehtuuri ja muoto, jotka liittyvät mitenhaarapisteet johtavat poikkeamiseen yksinkertaisesta lineaarisesta ketjusta. Tämän aineen haarautunut molekyyli koostuu pääketjusta, jossa on yksi tai useampi sivuketju tai substituenttihaara. Haaroittuneiden P:iden tyyppejä ovat tähti-Ps, kampa-Ps, harja-Ps, dendronisoidut P:t, tikapuut Ps:t ja dendrimeerit. On myös kaksiulotteisia polymeerejä, jotka koostuvat topologisesti litteistä toistuvista yksiköistä. P-materiaalin syntetisoimiseen eri laitetyypeillä voidaan käyttää erilaisia tekniikoita, kuten elävää polymerointia.
Muut ominaisuudet
Polymeerien koostumus ja rakenne polymeeritieteessä liittyvät siihen, kuinka haarautuminen johtaa poikkeamiseen tiukasti lineaarisesta P-ketjusta. Haaroittumista voi tapahtua satunnaisesti tai reaktiot voidaan suunnitella kohdistumaan tiettyihin arkkitehtuureihin. Tämä on tärkeä mikrorakenneominaisuus. Polymeerin arkkitehtuuri vaikuttaa moniin sen fysikaalisiin ominaisuuksiin, mukaan lukien liuos- ja sulaviskositeetti, liukoisuus erilaisiin koostumuksiin, lasittumislämpötila ja yksittäisten P-kelojen koko liuoksessa. Tämä on tärkeää polymeerien sisältämien komponenttien ja rakenteen tutkimisen kann alta.
Haarautuminen
Osaa voi muodostua, kun polymeerimolekyylin kasvava pää kiinnittyy joko (a) takaisin itseensä tai (b) toiseen P-säikeeseen, jotka molemmat voivat vetypoiston kautta luoda kasvuvyöhykkeen keskelle ketju.
Haarautuva vaikutus - kemiallinen silloitus -kovalenttisten sidosten muodostuminen ketjujen välille. Silloittamisella on taipumus lisätä Tg:tä ja lisätä lujuutta ja sitkeyttä. Muiden käyttötarkoitusten ohella tätä menetelmää käytetään kumien lujittamiseen vulkanoinnina tunnetussa prosessissa, joka perustuu rikkisilloituksiin. Esimerkiksi autonrenkaissa on korkea lujuus ja silloitus, joka vähentää ilmavuotoja ja lisää niiden kestävyyttä. Kumi sen sijaan ei ole silloitettu, mikä mahdollistaa kumin irtoamisen ja estää paperin vahingoittumisen. Puhtaan rikin polymeroituminen korkeammissa lämpötiloissa selittää myös sen, miksi se muuttuu viskoosimmaksi korkeammissa lämpötiloissa sulassa tilassa.
Grid
Erittäin silloitettua polymeerimolekyyliä kutsutaan P-verkoksi. Riittävän korkea silloitus-säikesuhde (C) voi johtaa niin sanotun äärettömän verkon tai geelin muodostumiseen, jossa jokainen tällainen haara on linkitetty ainakin yhteen toiseen.
Elävän polymeroinnin jatkuvan kehityksen myötä näiden aineiden synteesi, joilla on tietty arkkitehtuuri, on helpottunut. Arkkitehtuurit, kuten tähti-, kampa-, harja-, dendronisoidut, dendrimeerit ja rengaspolymeerit, ovat mahdollisia. Nämä kemialliset yhdisteet, joilla on monimutkainen arkkitehtuuri, voidaan syntetisoida joko käyttämällä erityisesti valittuja lähtöyhdisteitä tai ensin syntetisoimalla lineaarisia ketjuja, jotka käyvät läpi lisäreaktioita liittyäkseen toisiinsa. Solmuiset P:t koostuvat monista molekyylinsisäisistä syklisaatioistalinkit yhdessä P-ketjussa (PC).
Haarautuminen
Yleensä mitä korkeampi haarautumisaste, sitä kompaktimpi polymeeriketju on. Ne vaikuttavat myös ketjun takertumiseen, kykyyn liukua toistensa ohi, mikä puolestaan vaikuttaa massafysikaalisiin ominaisuuksiin. Pitkäketjuiset jännitykset voivat parantaa polymeerin lujuutta, sitkeyttä ja lasittumislämpötilaa (Tg) johtuen yhdisteen sidosten lukumäärän lisääntymisestä. Toisa alta satunnainen ja lyhyt Z:n arvo voi heikentää materiaalin lujuutta, koska se rikkoo ketjujen kykyä olla vuorovaikutuksessa keskenään tai kiteytyä, mikä johtuu polymeerimolekyylien rakenteesta.
Esimerkki haarautumisen vaikutuksesta fysikaalisiin ominaisuuksiin löytyy polyeteenistä. High density polyeteenillä (HDPE) on erittäin alhainen haarautumisaste, se on suhteellisen jäykkää ja sitä käytetään esimerkiksi luodinkestävän liivien valmistukseen. Toisa alta matalatiheyksisessä polyeteenissä (LDPE) on huomattava määrä pitkiä ja lyhyitä säikeitä, se on suhteellisen joustava ja sitä käytetään sovelluksissa, kuten muovikalvoissa. Polymeerien kemiallinen rakenne suosii juuri tällaisia sovelluksia.
Dendrimers
Dendrimeerit ovat erikoistapaus haarautuneesta polymeeristä, jossa jokainen monomeeriyksikkö on myös haarautumispiste. Tällä on taipumus vähentää molekyylien välistä ketjun kietoutumista ja kiteytymistä. Siihen liittyvä arkkitehtuuri, dendriittipolymeeri, ei ole täydellisesti haarautunut, mutta sillä on samanlaiset ominaisuudet kuin dendrimeereilläniiden korkean haarautumisasteen vuoksi.
Polymeroinnin aikana esiintyvä rakenteellisen monimutkaisuuden aste voi riippua käytettyjen monomeerien toimivuudesta. Esimerkiksi styreenin vapaaradikaalipolymeroinnissa divinyylibentseenin lisääminen, jonka funktionaalisuus on 2, johtaa haarautuneiden P:n muodostumiseen.
Insinööripolymeerit
Suunniteltuja polymeerejä ovat luonnonmateriaalit, kuten kumi, synteettiset materiaalit, muovit ja elastomeerit. Ne ovat erittäin hyödyllisiä raaka-aineita, koska niiden rakenteita voidaan muuttaa ja mukauttaa materiaalien valmistukseen:
- joukolla mekaanisia ominaisuuksia;
- laajassa värivalikoimassa;
- erilaisilla läpinäkyvyysominaisuuksilla.
Polymeerien molekyylirakenne
Polymeeri koostuu monista yksinkertaisista molekyyleistä, jotka toistavat rakenneyksiköitä, joita kutsutaan monomeereiksi (M). Yksi tämän aineen molekyyli voi koostua sadoista tai miljoonista M:stä ja sillä voi olla lineaarinen, haarautunut tai verkkorakenne. Kovalenttiset sidokset pitävät atomit yhdessä ja toissijaiset sidokset pitävät sitten polymeeriketjujen ryhmät yhdessä muodostaen polymateriaalin. Kopolymeerit ovat tämän aineen tyyppejä, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta eri tyypistä M.
Polymeeri on orgaaninen materiaali, ja minkä tahansa tällaisen aineen perusta on hiiliatomien ketju. Hiiliatomin ulkokuoressa on neljä elektronia. Jokainen näistä valenssielektroneista voi muodostaa kovalentinsidos toisen hiiliatomin tai vieraan atomin kanssa. Avain polymeerin rakenteen ymmärtämiseen on, että kahdella hiiliatomilla voi olla jopa kolme yhteistä sidosta ja silti ne voivat sitoutua muihin atomeihin. Tästä kemiallisesta yhdisteestä yleisimmin löydetyt alkuaineet ja niiden valenssiluvut ovat: H, F, Cl, Bf ja I, jossa on 1 valenssielektroni; O ja S 2 valenssielektronilla; n 3 valenssielektronilla ja C ja Si 4 valenssielektronilla.
Esimerkki polyeteenistä
Molekyylien kyky muodostaa pitkiä ketjuja on elintärkeää polymeerin valmistuksessa. Harkitse materiaalia polyeteeni, joka on valmistettu etaanikaasusta, C2H6. Etaanikaasun ketjussa on kaksi hiiliatomia, ja kummallakin on kaksi valenssielektronia toisen kanssa. Jos kaksi etaanimolekyyliä on sitoutunut yhteen, yksi kunkin molekyylin hiilisidoksesta voi katketa ja kaksi molekyyliä voivat liittyä hiili-hiili-sidoksella. Kun kaksi mittaria on liitetty, ketjun molempiin päihin jää vielä kaksi vapaata valenssielektronia yhdistämään muita mittareita tai P-säikeitä. Prosessi pystyy jatkamaan useiden mittareiden ja polymeerien yhdistämistä toisiinsa, kunnes se pysäytetään lisäämällä toinen kemikaali (terminaattori), joka täyttää käytettävissä olevan sidoksen molekyylin molemmissa päissä. Tätä kutsutaan lineaariseksi polymeeriksi ja se on kestomuoviyhdisteiden rakennuspalikka.
Polymeeriketju esitetään usein kahdessa ulottuvuudessa, mutta on huomattava, että niillä on kolmiulotteinen polymeerirakenne. Jokainen linkki on 109°:n kulmassaseuraavaksi, ja siksi hiilirunko kulkee avaruuden halki kuin kierretty TinkerToys-ketju. Kun jännitettä käytetään, nämä ketjut venyvät ja venymä P voi olla tuhansia kertoja suurempi kuin kiderakenteissa. Nämä ovat polymeerien rakenteellisia ominaisuuksia.
