Mnoge zanima pitanje kakvu strukturu imaju polimeri. Odgovor na to će biti dat u ovom članku. Svojstva polimera (u daljem tekstu - P) se generalno dijele u nekoliko klasa u zavisnosti od skale na kojoj je svojstvo definirano, kao i od njegove fizičke osnove. Najosnovniji kvalitet ovih supstanci je identitet njihovih sastavnih monomera (M). Drugi skup svojstava, poznat kao mikrostruktura, u suštini označava raspored ovih M u P na skali od jednog Z. Ove osnovne strukturne karakteristike igraju glavnu ulogu u određivanju fizičkih svojstava ovih supstanci, koje pokazuju kako se P ponaša kao makroskopski materijal. Hemijska svojstva na nanoskali opisuju kako lanci međusobno djeluju kroz različite fizičke sile. Na makro skali, oni pokazuju kako osnovni P interaguje sa drugim hemikalijama i rastvaračima.
Identitet
Identitet ponavljajućih veza koje čine P je njegov prvi inajvažniji atribut. Nomenklatura ovih supstanci se obično zasniva na vrsti monomernih ostataka koji čine P. Polimeri koji sadrže samo jednu vrstu ponavljajuće jedinice poznati su kao homo-P. Istovremeno, Ps koji sadrži dva ili više tipova ponavljajućih jedinica poznati su kao kopolimeri. Terpolimeri sadrže tri vrste ponavljajućih jedinica.
Polistiren se, na primjer, sastoji samo od ostataka stirena M i stoga je klasifikovan kao Homo-P. Etilen vinil acetat, s druge strane, sadrži više od jedne vrste ponavljajućih jedinica i stoga je kopolimer. Neki biološki Ps se sastoje od mnogo različitih, ali strukturno povezanih monomernih ostataka; na primjer, polinukleotidi kao što je DNK se sastoje od četiri tipa nukleotidnih podjedinica.
Molekul polimera koji sadrži jonizujuće podjedinice poznat je kao polielektrolit ili jonomer.
Mikrostruktura
Mikrostruktura polimera (ponekad se naziva konfiguracija) povezana je sa fizičkim rasporedom M ostataka duž glavnog lanca. To su elementi P strukture koji zahtijevaju prekid kovalentne veze da bi se promijenili. Struktura ima snažan utjecaj na druga svojstva P. Na primjer, dva uzorka prirodne gume mogu pokazati različitu izdržljivost čak i ako njihovi molekuli sadrže iste monomere.
Struktura i svojstva polimera
Ovu stvar je izuzetno važno razjasniti. Važna mikrostrukturna karakteristika polimerne strukture je njena arhitektura i oblik, koji su povezani s tim kakotačke grananja dovode do odstupanja od jednostavnog linearnog lanca. Razgranati molekul ove supstance sastoji se od glavnog lanca sa jednim ili više bočnih lanaca ili supstituentskih grana. Tipovi razgranatih Ps uključuju zvijezda Ps, češalj Ps, četkasti Ps, dendronizirani Ps, ljestve Ps i dendrimere. Postoje i dvodimenzionalni polimeri koji se sastoje od topološki ravnih ponavljajućih jedinica. Različite tehnike se mogu koristiti za sintetizaciju P-materijala s različitim tipovima uređaja, kao što je živa polimerizacija.
Ostali kvaliteti
Sastav i struktura polimera u nauci o polimerima povezani su sa načinom na koji grananje dovodi do odstupanja od striktno linearnog P-lanca. Grananje se može dogoditi nasumično, ili reakcije mogu biti dizajnirane da ciljaju specifične arhitekture. Ovo je važna mikrostrukturna karakteristika. Arhitektura polimera utiče na mnoga njegova fizička svojstva, uključujući viskoznost rastvora i taline, rastvorljivost u različitim sastavima, temperaturu staklastog prelaza i veličinu pojedinačnih P-kalemova u rastvoru. Ovo je važno za proučavanje sadržanih komponenti i strukture polimera.
Branching
Grane se mogu formirati kada se rastući kraj polimerne molekule veže ili (a) nazad za sebe ili (b) za drugi P-lanac, od kojih oba, kroz povlačenje vodika, mogu stvoriti zonu rasta za sredinu lanac.
Efekat grananja - hemijsko umrežavanje -formiranje kovalentnih veza između lanaca. Umrežavanje ima tendenciju povećanja Tg i povećanja čvrstoće i žilavosti. Između ostalih upotreba, ovaj proces se koristi za jačanje gume u procesu poznatom kao vulkanizacija, koji se oslanja na umrežavanje sumpora. Auto gume, na primjer, imaju visoku čvrstoću i umreženost kako bi se smanjilo curenje zraka i povećala njihova trajnost. Guma, s druge strane, nije umrežena, što omogućava gumi da se ljušti i sprečava oštećenje papira. Polimerizacija čistog sumpora na višim temperaturama takođe objašnjava zašto on postaje viskozniji na višim temperaturama u rastopljenom stanju.
Mreža
Molekul visoko umreženog polimera naziva se P-mreža. Dovoljno visok omjer umreženosti i lanca (C) može dovesti do formiranja takozvane beskonačne mreže ili gela, u kojem je svaka takva grana povezana s najmanje jednom drugom.
Sa kontinuiranim razvojem žive polimerizacije, sinteza ovih supstanci sa specifičnom arhitekturom postaje sve lakša. Moguće su arhitekture kao što su zvijezda, češalj, četka, dendronizirani, dendrimeri i prstenasti polimeri. Ova hemijska jedinjenja sa složenom arhitekturom mogu se sintetisati ili korišćenjem posebno odabranih polaznih jedinjenja, ili prvo sintetizacijom linearnih lanaca koji prolaze dalje reakcije da bi se međusobno povezali. Čvorovi Ps se sastoje od mnogih intramolekularnih ciklizacijaveze u jednom P-lancu (PC).
Branching
Uopšteno govoreći, što je veći stepen grananja, to je polimerni lanac kompaktniji. Oni također utječu na zaplitanje lanca, sposobnost klizanja jedan pored drugog, što zauzvrat utiče na fizička svojstva mase. Dugi lanci mogu poboljšati snagu polimera, žilavost i temperaturu staklastog prijelaza (Tg) zbog povećanja broja veza u spoju. S druge strane, slučajna i kratka vrijednost Z može smanjiti čvrstoću materijala zbog narušavanja sposobnosti lanaca da međusobno djeluju ili kristaliziraju, što je posljedica strukture molekula polimera.
Primjer efekta grananja na fizička svojstva može se naći u polietilenu. Polietilen visoke gustine (HDPE) ima vrlo nizak stepen grananja, relativno je krut i koristi se u proizvodnji, na primjer, pancira. S druge strane, polietilen niske gustine (LDPE) ima značajnu količinu dugih i kratkih niti, relativno je fleksibilan i koristi se u aplikacijama kao što su plastične folije. Hemijska struktura polimera favorizira upravo takve primjene.
Dendrimers
Dendrimeri su poseban slučaj razgranatog polimera, gdje je svaka monomerna jedinica također tačka grananja. Ovo ima tendenciju da smanji intermolekularno zaplitanje i kristalizaciju. Srodna arhitektura, dendritski polimer, nije savršeno razgranat, ali ima slična svojstva kao dendrimerizbog visokog stepena grananja.
Stepen strukturne složenosti koji se javlja tokom polimerizacije može zavisiti od funkcionalnosti korišćenih monomera. Na primjer, u polimerizaciji stirena slobodnim radikalima, dodavanje divinilbenzena, koji ima funkcionalnost 2, dovest će do stvaranja razgranatog P.
Inženjerski polimeri
Proizvedeni polimeri uključuju prirodne materijale kao što su guma, sintetika, plastika i elastomeri. Vrlo su korisne sirovine jer se njihova struktura može mijenjati i prilagođavati za proizvodnju materijala:
- sa nizom mehaničkih svojstava;
- u širokom spektru boja;
- sa različitim svojstvima transparentnosti.
Molekularna struktura polimera
Polimer se sastoji od mnogo jednostavnih molekula koji ponavljaju strukturne jedinice zvane monomeri (M). Jedan molekul ove supstance može se sastojati od stotina do miliona M i imati linearnu, razgranatu ili mrežastu strukturu. Kovalentne veze drže atome zajedno, a sekundarne veze zatim drže grupe polimernih lanaca zajedno da formiraju polimaterijal. Kopolimeri su vrste ove supstance, koje se sastoje od dva ili više različitih tipova M.
Polimer je organski materijal, a osnova svake takve vrste tvari je lanac atoma ugljika. Atom ugljika ima četiri elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. Svaki od ovih valentnih elektrona može formirati kovalentnuvezu s drugim atomom ugljika ili sa stranim atomom. Ključ za razumijevanje strukture polimera je da dva atoma ugljika mogu imati do tri zajedničke veze i još uvijek biti vezana s drugim atomima. Elementi koji se najčešće nalaze u ovom hemijskom jedinjenju i njihovi valentni brojevi su: H, F, Cl, Bf i I sa 1 valentnim elektronom; O i S sa 2 valentna elektrona; n sa 3 valentna elektrona i C i Si sa 4 valentna elektrona.
Primjer polietilena
Sposobnost molekula da formiraju dugačke lance je od vitalnog značaja za stvaranje polimera. Uzmite u obzir materijal polietilen, koji je napravljen od gasa etana, C2H6. Plin etan ima dva atoma ugljika u lancu, a svaki ima dva valentna elektrona s drugim. Ako su dva molekula etana povezana zajedno, jedna od ugljičnih veza u svakom molekulu može biti prekinuta, a dva molekula mogu biti spojena vezom ugljik-ugljik. Nakon što su dva metra povezana, još dva slobodna valentna elektrona ostaju na svakom kraju lanca za povezivanje drugih mjerača ili P-lanaca. Proces može nastaviti povezivanje više mjerača i polimera zajedno dok se ne zaustavi dodavanjem druge kemikalije (terminatora) koja ispunjava dostupnu vezu na svakom kraju molekula. Ovo se zove linearni polimer i gradivni je blok za termoplastične spojeve.
Polimerni lanac se često prikazuje u dvije dimenzije, ali treba napomenuti da imaju trodimenzionalnu polimernu strukturu. Svaka karika je pod uglom od 109° dosljedeći, i stoga karbonska kičma prolazi kroz svemir kao uvrnuti lanac TinkerToys. Kada se primijeni napon, ovi se lanci rastežu, a elongacija P može biti hiljadama puta veća nego u kristalnim strukturama. Ovo su strukturne karakteristike polimera.
