Struktura polymerů: složení, základní vlastnosti, vlastnosti

Mnoho lidí se zajímá o otázku, jakou strukturu mají polymery. Odpověď na to bude uvedena v tomto článku. Vlastnosti polymeru (dále jen - N) jsou obecně rozděleny do několika tříd v závislosti na měřítku, ve kterém je vlastnost definována, a také na jeho fyzickém základu. Nejzákladnější kvalitou těchto látek je identita monomerů, které ji tvoří (M). Druhá sada vlastností, známá jako mikrostruktura, v podstatě označuje uspořádání těchto m v n v měřítku jednoho C. Tyto základní strukturální vlastnosti hrají hlavní role při určování objemových fyzikálních vlastností těchto látek, které ukazují, jak N chová jako makroskopický materiál. Chemické vlastnosti v nanoměřítku popisují, jak řetězce interagují prostřednictvím různých fyzikálních sil. V makroměru ukazují, jak hlavní P interaguje s jinými chemikáliemi a rozpouštědly.

Identita

Identita opakujících se odkazů, které tvoří N, je jeho prvním a nejdůležitějším atributem. Nomenklatura těchto látek je obvykle založena na typu monomerních zbytků, které tvoří N. Polymery, které obsahují pouze jeden typ opakujících se jednotek, J ou známé jako homo-P. Současně N obsahující dva nebo více typů opakujících se jednotek jsou známé jako kopolymery. Terpolymery obsahují tři typy opakujících se jednotek.

Polystyren například sestává pouze ze zbytků styrenového m, a proto je klasifikován jako homo-P. Ethylenvinylacetát na druhé straně obsahuje více než jeden druh opakujících se jednotek, a je tedy kopolymerem. Některé biologické N se skládají z mnoha různých, ale strukturně vázaných monomerních zbytků; například polynukleotidy, jako je DNA, se skládají ze čtyř typů nukleotidových podjednotek.

Je známa polymerní molekula obsahující ionizovatelné podjednotky jako polyelektrolyt nebo ionomer.

Mikrostruktura

Mikrostruktura polymeru (někdy nazývaná konfigurace) souvisí s fyzickým uspořádáním zbytků m podél hlavního řetězce. Jedná se o prvky struktury N, které vyžadují přerušení kovalentní vazby ke změně. Struktura má silný vliv na další vlastnosti P. Například dva vzorky přírodního kaučuku mohou vykazovat různou trvanlivost, i když jejich molekuly obsahují stejné monomery.

Struktura a vlastnosti polymerů

Tento bod je nesmírně důležité objasnit. Důležitým mikrostrukturálním rysem struktury polymeru je jeho architektura a tvar, které souvisejí s tím, jak body větvení vedou k odchylce od jednoduchého lineárního řetězce. Rozvětvená molekula této látky se skládá z hlavního řetězce s jedním nebo více postranními řetězci nebo větvemi substituentu. Typy rozvětvených P zahrnují hvězdicovité, hřebenové P, kartáčované P, dendronizované, žebříkové a dendrimery. Existují také dvourozměrné polymery, které se skládají z topologicky plochých opakujících se jednotek. Různé techniky mohou být použity pro syntézu P-materiálu s různými typy zařízení, jako je živá polymerace.

Další vlastnosti

Složení a struktura polymerů ve vědě o nich souvisí s tím, jak rozvětvení vede k odchylce od přísně lineárního n-řetězce. Větvení může nastat náhodně nebo reakce mohou být navrženy tak, aby cílily na konkrétní architektury. Toto je důležitý mikrostrukturální rys. Architektura polymeru ovlivňuje mnoho jeho fyzikálních vlastností, včetně viskozity roztoku, taveniny, rozpustnosti v různých formulacích, teploty skelného přechodu a velikosti jednotlivých N-cívek v roztoku. To je důležité pro studium obsažených složek a struktury polymerů.

Větvení

Větve se mohou tvořit, když je rostoucí konec molekuly polymeru ukotven buď (a) zpět na sebe, nebo (B) na jiný P-řetězec a oba jsou díky vodíkovému odtoku schopni vytvořit růstovou zónu středního řetězce.

Účinek spojený s větvením - chemické zesítění - tvorba kovalentních vazeb mezi řetězci. Šití má tendenci zvyšovat TG a zvyšovat pevnost a houževnatost. Mezi další aplikace se tento proces používá k posílení kaučuků v procesu známém jako vulkanizace, který je založen na zesíťování sírou. Například pneumatiky pro automobily mají vysokou pevnost a stupeň sešívání, aby se snížil únik vzduchu a zvýšila se jejich životnost. Elastický materiál na druhé straně není šitý, což umožňuje odlupování gumy a zabraňuje poškození papíru. Polymerace čisté síry při vyšších teplotách také vysvětluje, proč se stává viskóznější při zvýšených teplotách v roztaveném stavu.

Mřížka

Polymerní Molekula s vysokým stupněm zesítění se nazývá n-mřížka. Dostatečně vysoký poměr zesítění k řetězci (C) může vést k vytvoření takzvané nekonečné sítě nebo gelu, ve kterém je každá taková větev spojena alespoň s jednou další.

S neustálým vývojem živé polymerace je syntéza těchto látek s určitou architekturou stále snazší. Jsou možné architektury, jako jsou hvězdicovité, hřebenové, kartáčované, dendronizované, dendrimery a kruhové polymery. Tyto chemické sloučeniny se složitou architekturou mohou být syntetizovány buď pomocí speciálně vybraných zdrojových sloučenin, nebo nejprve syntézou lineárních řetězců, které procházejí dalšími reakcemi pro vzájemné spojení. Vázané N se skládají z mnoha intramolekulárních cyklizačních jednotek V jednom P-řetězci (PC).

Větvení

Obecně platí, že čím vyšší je stupeň větvení, tím kompaktnější je polymerní řetězec. Ovlivňují také zapletení řetězu, schopnost klouzat kolem sebe, což zase ovlivňuje objemové fyzikální vlastnosti. Deformace s dlouhým řetězcem mohou zlepšit pevnost polymeru, houževnatost a teplotu skelného přechodu (Tg) v důsledku zvýšeného počtu vazeb ve sloučenině. Na druhé straně náhodná a krátká hodnota C může snížit pevnost materiálu v důsledku narušení schopnosti řetězců vzájemně interagovat nebo krystalizovat, což je způsobeno strukturou molekul polymerů.

Příklad vlivu větvení na fyzikální vlastnosti lze nalézt v polyethylenu. Polyethylen s vysokou hustotou (HDPE) má velmi nízký stupeň rozvětvení, je relativně tuhý a používá se při výrobě např. Na druhé straně polyethylen s nízkou hustotou (PENP) má značný počet dlouhých a krátkých větví, je relativně flexibilní a používá se v oblastech, jako jsou plastové fólie. Chemická struktura polymerů přispívá právě k jejich použití.

Dendrimery

Dendrimery jsou zvláštním případem rozvětveného polymeru, kde každá monomerní jednotka je také rozvětvovacím bodem. To má tendenci snižovat propletení intermolekulárních řetězců a krystalizaci. Související Architektura, dendritický polymer, není dokonale rozvětvená, ale má podobné vlastnosti jako dendrimery kvůli jejich vysokému stupni rozvětvení.

Stupeň formování složitosti struktury, ke kterému dochází během polymerace, může záviset na funkčnosti použitých monomerů. Například při volné radikálové polymeraci styrenu bude přidání divinylbenzenu, který má funkčnost 2, produkovat rozvětvený P.

Inženýrské polymery

Inženýrské polymery zahrnují přírodní materiály, jako je guma, syntetické materiály, plasty a elastomery. Jsou velmi užitečnou surovinou, protože jejich struktury mohou být upraveny a přizpůsobeny pro výrobu materiálů:

• s rozsahem mechanických vlastností;
• v široké škále barev;
• s různými vlastnostmi průhlednosti.

Molekulární struktura polymerů

Polymer se skládá z mnoha jednoduchých molekul, které opakují strukturální jednotky zvané monomery (m). Jedna molekula této látky může sestávat z množství stovek až milionu m a může mít lineární, rozvětvenou nebo síťovou strukturu. Kovalentní vazby drží atomy pohromadě a sekundární vazby pak drží skupiny polymerních řetězců pohromadě a vytvářejí polymaterial. Kopolymery jsou typy této látky složené ze dvou nebo více různých typů m.

Polymer je organický materiál a základem jakéhokoli tohoto typu látky je řetězec atomů uhlíku. Atom uhlíku má ve vnějším obalu čtyři elektrony. Každý z těchto valenčních elektronů může tvořit kovalentní vazbu s jiným atomem uhlíku nebo s cizím atomem. Klíčem k pochopení struktury polymeru je, že dva atomy uhlíku mohou mít až tři společné vazby a stále se vázat na jiné atomy. Prvky nejčastěji nalezené v této chemické sloučenině a jejich valenční čísla jsou H, F, Cl, Bf a I s 1 valenčním elektronem; O A S S 2 valenčními elektrony; n se 3 valenčními elektrony a C a Si se 4 valenčními elektrony.

Příklad polyethylenu

Schopnost molekul tvořit dlouhé řetězce je životně důležitá pro výrobu polymeru. Zvažte materiál polyethylen, který je vyroben z etanového plynu, C2H6. Ethan plyn má dva atomy uhlíku v řetězci a každý má dva valenční elektrony s druhým. Pokud jsou dvě molekuly ethanu spojeny dohromady, může být jedna z uhlíkových vazeb v každé molekule přerušena a obě molekuly mohou být spojeny vazbou uhlík-uhlík. Po připojení dvou metrů zůstávají na každém konci obvodu další dva volné valenční elektrony, které spojují další metery nebo P-řetězce. Tento proces je schopen pokračovat ve spojování více meterů a polymerů dohromady, dokud není zastaven přidáním jiné chemické látky( terminátoru), která vyplňuje dostupnou vazbu na každém konci molekuly. Toto se nazývá lineární polymer a je stavebním kamenem pro termoplastické druhy sloučenin.

Polymerní řetězec je často zobrazen ve dvou rozměrech, ale je třeba poznamenat, že mají trojrozměrnou strukturu polymerů. Každé spojení Nachází se pod úhel 109° k dalšímu, a proto uhlíková kostra prochází prostorem jako zkroucený řetěz TinkerToys. Při použití napětí se tyto obvody protahují a prodloužení N může být tisíckrát větší než v krystalických strukturách. To jsou vlastnosti struktury polymerů.