Πολλοί ενδιαφέρονται για το ερώτημα ποια δομή έχουν τα πολυμερή. Η απάντηση σε αυτό θα δοθεί σε αυτό το άρθρο. Οι ιδιότητες πολυμερών (εφεξής - P) χωρίζονται γενικά σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με την κλίμακα στην οποία ορίζεται η ιδιότητα, καθώς και με τη φυσική της βάση. Η πιο βασική ποιότητα αυτών των ουσιών είναι η ταυτότητα των συστατικών μονομερών τους (Μ). Το δεύτερο σύνολο ιδιοτήτων, γνωστό ως μικροδομή, υποδηλώνει ουσιαστικά τη διάταξη αυτών των Ms σε P σε κλίμακα ενός Z. Αυτά τα βασικά δομικά χαρακτηριστικά παίζουν σημαντικό ρόλο στον καθορισμό των φυσικών ιδιοτήτων του όγκου αυτών των ουσιών, οι οποίες δείχνουν πώς συμπεριφέρεται το P ως ένα μακροσκοπικό υλικό. Οι χημικές ιδιότητες στη νανοκλίμακα περιγράφουν πώς αλληλεπιδρούν οι αλυσίδες μέσω διαφόρων φυσικών δυνάμεων. Σε μακροοικονομική κλίμακα, δείχνουν πώς το βασικό P αλληλεπιδρά με άλλες χημικές ουσίες και διαλύτες.
Ταυτότητα
Η ταυτότητα των επαναλαμβανόμενων συνδέσμων που απαρτίζουν το P είναι το πρώτο καιτο πιο σημαντικό χαρακτηριστικό. Η ονοματολογία αυτών των ουσιών βασίζεται συνήθως στον τύπο των υπολειμμάτων μονομερών που συνθέτουν το P. Τα πολυμερή που περιέχουν μόνο έναν τύπο επαναλαμβανόμενης μονάδας είναι γνωστά ως homo-P. Ταυτόχρονα, τα P που περιέχουν δύο ή περισσότερους τύπους επαναλαμβανόμενων μονάδων είναι γνωστά ως συμπολυμερή. Τα τριπολυμερή περιέχουν τρεις τύπους επαναλαμβανόμενων μονάδων.
Το
Το πολυστυρένιο, για παράδειγμα, αποτελείται μόνο από υπολείμματα στυρενίου Μ και επομένως ταξινομείται ως Homo-P. Ο οξικός βινυλεστέρας αιθυλενίου, από την άλλη πλευρά, περιέχει περισσότερους από έναν τύπους επαναλαμβανόμενων μονάδων και επομένως είναι ένα συμπολυμερές. Ορισμένα βιολογικά Ps αποτελούνται από πολλά διαφορετικά αλλά δομικά σχετικά μονομερή υπολείμματα. για παράδειγμα, τα πολυνουκλεοτίδια όπως το DNA αποτελούνται από τέσσερις τύπους νουκλεοτιδικών υπομονάδων.
Ένα μόριο πολυμερούς που περιέχει ιονιζόμενες υπομονάδες είναι γνωστό ως πολυηλεκτρολύτης ή ιονομερές.
Μικροδομή
Η μικροδομή ενός πολυμερούς (μερικές φορές ονομάζεται διαμόρφωση) σχετίζεται με τη φυσική διάταξη των υπολειμμάτων Μ κατά μήκος της κύριας αλυσίδας. Αυτά είναι στοιχεία της δομής P που απαιτούν τη διάσπαση ενός ομοιοπολικού δεσμού για να αλλάξουν. Η δομή έχει ισχυρή επιρροή σε άλλες ιδιότητες του P. Για παράδειγμα, δύο δείγματα φυσικού καουτσούκ μπορούν να παρουσιάσουν διαφορετική ανθεκτικότητα ακόμα κι αν τα μόριά τους περιέχουν τα ίδια μονομερή.
Δομή και ιδιότητες πολυμερών
Αυτό το σημείο είναι εξαιρετικά σημαντικό να διευκρινιστεί. Ένα σημαντικό μικροδομικό χαρακτηριστικό της δομής του πολυμερούς είναι η αρχιτεκτονική και το σχήμα της, που σχετίζονται με το πώςτα σημεία διακλάδωσης οδηγούν σε απόκλιση από μια απλή γραμμική αλυσίδα. Το διακλαδισμένο μόριο αυτής της ουσίας αποτελείται από μια κύρια αλυσίδα με μία ή περισσότερες πλευρικές αλυσίδες ή υποκαταστάτες κλάδους. Οι τύποι διακλαδισμένων Ps περιλαμβάνουν τα αστέρια Ps, τα comb Ps, τα brush Ps, τα δενδρονισμένα Ps, τα ladder Ps και τα δενδριμερή. Υπάρχουν επίσης δισδιάστατα πολυμερή που αποτελούνται από τοπολογικά επίπεδες επαναλαμβανόμενες μονάδες. Μια ποικιλία τεχνικών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σύνθεση P-υλικού με διάφορους τύπους συσκευών, όπως ο ζωντανός πολυμερισμός.
Άλλες ιδιότητες
Η σύνθεση και η δομή των πολυμερών στην επιστήμη των πολυμερών σχετίζεται με το πώς η διακλάδωση οδηγεί σε απόκλιση από μια αυστηρά γραμμική αλυσίδα P. Η διακλάδωση μπορεί να συμβεί τυχαία ή οι αντιδράσεις μπορεί να σχεδιαστούν για να στοχεύουν συγκεκριμένες αρχιτεκτονικές. Αυτό είναι ένα σημαντικό μικροδομικό χαρακτηριστικό. Η αρχιτεκτονική ενός πολυμερούς επηρεάζει πολλές από τις φυσικές του ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένου του ιξώδους του διαλύματος και του τήγματος, της διαλυτότητας σε διάφορες συνθέσεις, της θερμοκρασίας μετάπτωσης υάλου και του μεγέθους των μεμονωμένων πηνίων Ρ στο διάλυμα. Αυτό είναι σημαντικό για τη μελέτη των συστατικών που περιέχονται και της δομής των πολυμερών.
Κλάδος
Μπορούν να σχηματιστούν κλαδιά όταν το αναπτυσσόμενο άκρο ενός μορίου πολυμερούς προσκολλάται είτε (α) πίσω στον εαυτό του είτε (β) σε άλλο κλώνο P, και τα δύο, μέσω της απόσυρσης του υδρογόνου, μπορούν να δημιουργήσουν μια ζώνη ανάπτυξης για τη μέση αλυσίδα.
Φαινόμενο διακλάδωσης - χημική διασύνδεση -σχηματισμός ομοιοπολικών δεσμών μεταξύ των αλυσίδων. Η διασταύρωση τείνει να αυξάνει το Tg και να αυξάνει τη δύναμη και τη σκληρότητα. Μεταξύ άλλων χρήσεων, αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των καουτσούκ σε μια διαδικασία γνωστή ως βουλκανισμός, η οποία βασίζεται στη διασταυρούμενη σύνδεση θείου. Τα ελαστικά αυτοκινήτων, για παράδειγμα, έχουν υψηλή αντοχή και διασταυρούμενη σύνδεση για μείωση της διαρροής αέρα και αύξηση της αντοχής τους. Το λάστιχο, από την άλλη πλευρά, δεν είναι διασταυρωμένο, γεγονός που επιτρέπει στο λάστιχο να ξεκολλήσει και αποτρέπει τη ζημιά στο χαρτί. Ο πολυμερισμός του καθαρού θείου σε υψηλότερες θερμοκρασίες εξηγεί επίσης γιατί γίνεται πιο παχύρρευστο σε υψηλότερες θερμοκρασίες στην τετηγμένη κατάσταση.
Πλέγμα
Ένα πολυμερές μόριο υψηλής διασύνδεσης ονομάζεται δίκτυο P. Ένας αρκετά υψηλός λόγος διασταυρούμενης σύνδεσης προς κλώνο (C) μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό ενός λεγόμενου άπειρου δικτύου ή γέλης, στο οποίο κάθε τέτοιος κλάδος συνδέεται με τουλάχιστον έναν άλλο.
Με τη συνεχή ανάπτυξη του ζωντανού πολυμερισμού, η σύνθεση αυτών των ουσιών με συγκεκριμένη αρχιτεκτονική γίνεται ευκολότερη. Αρχιτεκτονικές όπως αστέρι, χτένα, βούρτσα, δενδρονισμένη, δενδριμερή και πολυμερή δακτυλίου είναι δυνατές. Αυτές οι χημικές ενώσεις με πολύπλοκη αρχιτεκτονική μπορούν να συντεθούν είτε χρησιμοποιώντας ειδικά επιλεγμένες αρχικές ενώσεις είτε πρώτα με σύνθεση γραμμικών αλυσίδων που υφίστανται περαιτέρω αντιδράσεις για να συνδεθούν μεταξύ τους. Τα Knotted Ps αποτελούνται από πολλές ενδομοριακές κυκλοποιήσειςσύνδεσμοι σε μία αλυσίδα P (PC).
Κλάδος
Γενικά, όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός διακλάδωσης, τόσο πιο συμπαγής είναι η αλυσίδα του πολυμερούς. Επηρεάζουν επίσης την εμπλοκή της αλυσίδας, την ικανότητα να γλιστρούν το ένα δίπλα στο άλλο, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει τις φυσικές ιδιότητες του όγκου. Τα στελέχη μακράς αλυσίδας μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή του πολυμερούς, τη σκληρότητα και τη θερμοκρασία μετάπτωσης υάλου (Tg) λόγω της αύξησης του αριθμού των δεσμών στην ένωση. Από την άλλη πλευρά, μια τυχαία και μικρή τιμή του Z μπορεί να μειώσει την αντοχή του υλικού λόγω παραβίασης της ικανότητας των αλυσίδων να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ή να κρυσταλλώνονται, κάτι που οφείλεται στη δομή των μορίων πολυμερούς.
Ένα παράδειγμα της επίδρασης της διακλάδωσης στις φυσικές ιδιότητες μπορεί να βρεθεί στο πολυαιθυλένιο. Το πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) έχει πολύ χαμηλό βαθμό διακλάδωσης, είναι σχετικά άκαμπτο και χρησιμοποιείται στην κατασκευή, για παράδειγμα, αλεξίσφαιρων γιλέκων. Από την άλλη πλευρά, το πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) έχει σημαντική ποσότητα μακριών και κοντών κλώνων, είναι σχετικά εύκαμπτο και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπως πλαστικές μεμβράνες. Η χημική δομή των πολυμερών ευνοεί ακριβώς τέτοιες εφαρμογές.
Δενδριμερή
Τα δενδριμερή είναι μια ειδική περίπτωση διακλαδισμένου πολυμερούς, όπου κάθε μονομερής μονάδα είναι επίσης ένα σημείο διακλάδωσης. Αυτό τείνει να μειώνει την εμπλοκή και την κρυστάλλωση της διαμοριακής αλυσίδας. Μια σχετική αρχιτεκτονική, το δενδριτικό πολυμερές, δεν είναι τέλεια διακλαδισμένη αλλά έχει παρόμοιες ιδιότητες με τα δενδριμερήλόγω του υψηλού βαθμού διακλάδωσής τους.
Ο βαθμός δομικής πολυπλοκότητας που εμφανίζεται κατά τον πολυμερισμό μπορεί να εξαρτάται από τη λειτουργικότητα των μονομερών που χρησιμοποιούνται. Για παράδειγμα, στον πολυμερισμό του στυρενίου από ελεύθερες ρίζες, η προσθήκη διβινυλοβενζολίου, το οποίο έχει λειτουργικότητα 2, θα οδηγήσει στον σχηματισμό διακλαδισμένου P.
Πολυμερή μηχανικής
Τα κατασκευασμένα πολυμερή περιλαμβάνουν φυσικά υλικά όπως καουτσούκ, συνθετικά, πλαστικά και ελαστομερή. Είναι πολύ χρήσιμες πρώτες ύλες επειδή οι δομές τους μπορούν να αλλάξουν και να προσαρμοστούν για την παραγωγή υλικών:
- με μια σειρά από μηχανικές ιδιότητες;
- σε μεγάλη γκάμα χρωμάτων;
- με διαφορετικές ιδιότητες διαφάνειας.
Μοριακή δομή πολυμερών
Ένα πολυμερές αποτελείται από πολλά απλά μόρια που επαναλαμβάνουν δομικές μονάδες που ονομάζονται μονομερή (M). Ένα μόριο αυτής της ουσίας μπορεί να αποτελείται από εκατοντάδες έως εκατομμύρια M και να έχει γραμμική, διακλαδισμένη ή δικτυακή δομή. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί συγκρατούν τα άτομα μαζί και οι δευτερεύοντες δεσμοί στη συνέχεια συγκρατούν τις ομάδες των πολυμερών αλυσίδων μαζί για να σχηματίσουν το πολυυλικό. Τα συμπολυμερή είναι τύποι αυτής της ουσίας, που αποτελούνται από δύο ή περισσότερους διαφορετικούς τύπους Μ.
Ένα πολυμερές είναι ένα οργανικό υλικό και η βάση οποιουδήποτε τέτοιου τύπου ουσίας είναι μια αλυσίδα ατόμων άνθρακα. Ένα άτομο άνθρακα έχει τέσσερα ηλεκτρόνια στο εξωτερικό του περίβλημα. Κάθε ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια σθένους μπορεί να σχηματίσει ένα ομοιοπολικόδεσμός με άλλο άτομο άνθρακα ή με ξένο άτομο. Το κλειδί για την κατανόηση της δομής ενός πολυμερούς είναι ότι δύο άτομα άνθρακα μπορούν να έχουν έως και τρεις κοινούς δεσμούς και να παραμένουν δεσμοί με άλλα άτομα. Τα στοιχεία που βρίσκονται πιο συχνά σε αυτή τη χημική ένωση και οι αριθμοί σθένους τους είναι: H, F, Cl, Bf και I με 1 ηλεκτρόνιο σθένους. O και S με 2 ηλεκτρόνια σθένους. n με 3 ηλεκτρόνια σθένους και C και Si με 4 ηλεκτρόνια σθένους.
Παράδειγμα πολυαιθυλενίου
Η ικανότητα των μορίων να σχηματίζουν μακριές αλυσίδες είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή ενός πολυμερούς. Εξετάστε το υλικό πολυαιθυλένιο, το οποίο είναι κατασκευασμένο από αέριο αιθάνιο, C2H6. Το αέριο αιθάνιο έχει δύο άτομα άνθρακα στην αλυσίδα και το καθένα έχει δύο ηλεκτρόνια σθένους με το άλλο. Εάν δύο μόρια αιθανίου συνδέονται μεταξύ τους, ένας από τους δεσμούς άνθρακα σε κάθε μόριο μπορεί να σπάσει και τα δύο μόρια μπορεί να ενωθούν με έναν δεσμό άνθρακα-άνθρακα. Αφού συνδεθούν δύο μέτρα, δύο ακόμη ηλεκτρόνια ελεύθερου σθένους παραμένουν σε κάθε άκρο της αλυσίδας για να συνδέσουν άλλους μετρητές ή κλώνους P. Η διαδικασία μπορεί να συνεχίσει να συνδέει περισσότερους μετρητές και πολυμερή μαζί μέχρι να σταματήσει με την προσθήκη μιας άλλης χημικής ουσίας (τερματιστής) που γεμίζει τον διαθέσιμο δεσμό σε κάθε άκρο του μορίου. Αυτό ονομάζεται γραμμικό πολυμερές και είναι το δομικό στοιχείο για τις θερμοπλαστικές ενώσεις.
Η αλυσίδα πολυμερούς εμφανίζεται συχνά σε δύο διαστάσεις, αλλά πρέπει να σημειωθεί ότι έχουν τρισδιάστατη δομή πολυμερούς. Κάθε σύνδεσμος βρίσκεται υπό γωνία 109° προςστη συνέχεια, και ως εκ τούτου η ραχοκοκαλιά άνθρακα διατρέχει το διάστημα σαν μια στριμμένη αλυσίδα TinkerToys. Όταν εφαρμόζεται τάση, αυτές οι αλυσίδες τεντώνονται και η επιμήκυνση P μπορεί να είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από ό,τι στις κρυσταλλικές δομές. Αυτά είναι τα δομικά χαρακτηριστικά των πολυμερών.
