Mnoge zanima pitanje kakvu strukturu imaju polimeri. Odgovor na njega bit će dan u ovom članku. Svojstva polimera (u daljnjem tekstu - P) općenito se dijele u nekoliko klasa ovisno o mjerilu na kojem je svojstvo definirano, kao i o njegovoj fizičkoj osnovi. Najosnovnija kvaliteta ovih tvari je identitet njihovih sastavnih monomera (M). Drugi skup svojstava, poznat kao mikrostruktura, u biti označava raspored tih Ms u P na skali od jednog Z. Ove osnovne strukturne karakteristike igraju glavnu ulogu u određivanju ukupnih fizičkih svojstava ovih tvari, koje pokazuju kako se P ponaša kao makroskopski materijal. Kemijska svojstva na nanoskali opisuju kako lanci međusobno djeluju kroz različite fizičke sile. Na makro ljestvici pokazuju kako osnovni P stupa u interakciju s drugim kemikalijama i otapalima.
Identitet
Identitet poveznica koje se ponavljaju koje čine P je njegov prvi inajvažniji atribut. Nomenklatura ovih tvari obično se temelji na vrsti monomernih ostataka koji čine P. Polimeri koji sadrže samo jednu vrstu ponavljajuće jedinice poznati su kao homo-P. U isto vrijeme, Ps koji sadrži dvije ili više vrsta 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 klasificiran kao Homo-P. Etilen vinil acetat, s druge strane, sadrži više od jedne vrste ponavljajućih jedinica i stoga je kopolimer. Neki biološki Ps sastavljeni su od mnogo različitih, ali strukturno povezanih monomernih ostataka; na primjer, polinukleotidi kao što je DNK sastoje se od četiri vrste nukleotidnih podjedinica.
Molekula polimera koja sadrži podjedinice koje se mogu ionizirati poznata je kao polielektrolit ili ionomer.
Mikrostruktura
Mikrostruktura polimera (ponekad se naziva konfiguracija) povezana je s 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 trajnost čak i ako njihove molekule sadrže iste monomere.
Struktura i svojstva polimera
Ovu je točku iznimno važno razjasniti. Važna mikrostrukturna značajka polimerne strukture je njena arhitektura i oblik, koji su povezani s tim kakotočke grananja dovode do odstupanja od jednostavnog linearnog lanca. Razgranata molekula ove tvari sastoji se od glavnog lanca s jednim ili više bočnih lanaca ili supstituentskih grana. Vrste razgranatih Ps uključuju zvjezdaste Ps, češljaste Ps, Ps četke, dendronizirane Ps, ljestve Ps i dendrimere. Postoje i dvodimenzionalni polimeri koji se sastoje od topološki ravnih ponavljajućih jedinica. Različite tehnike mogu se koristiti za sintetizaciju P-materijala s različitim vrstama uređaja, kao što je živa polimerizacija.
Druge kvalitete
Sastav i struktura polimera u znanosti o polimerima povezani su s time kako grananje dovodi do odstupanja od strogo linearnog P-lanca. Grananje se može dogoditi nasumično ili se reakcije mogu osmisliti da ciljaju specifične arhitekture. Ovo je važna mikrostrukturna značajka. Arhitektura polimera utječe na mnoga njegova fizička svojstva, uključujući viskoznost otopine i taline, topljivost u različitim sastavima, temperaturu staklastog prijelaza i veličinu pojedinačnih P-zavojnica u otopini. Ovo je važno za proučavanje sadržanih komponenti i strukture polimera.
Razgranavanje
Grane se mogu formirati kada se rastući kraj polimerne molekule veže ili (a) natrag na sebe ili (b) na drugi P-lanac, od kojih oba, kroz povlačenje vodika, mogu stvoriti zonu rasta za sredinu lanac.
Učinak grananja - kemijsko umrežavanje -stvaranje kovalentnih veza između lanaca. Poprečno povezivanje ima tendenciju povećanja Tg i povećanja čvrstoće i žilavosti. Između ostalih upotreba, ovaj se proces koristi za jačanje gume u procesu poznatom kao vulkanizacija, koji se oslanja na umrežavanje sumpora. Auto gume, na primjer, imaju visoku čvrstoću i poprečno povezivanje kako bi se smanjilo propuštanje zraka i povećala njihova trajnost. Guma, s druge strane, nije umrežena, što omogućuje gumi da se ljušti i sprječava oštećenje papira. Polimerizacija čistog sumpora na višim temperaturama također objašnjava zašto on postaje viskozniji na višim temperaturama u rastaljenom stanju.
Mreža
Molekula visoko umreženog polimera naziva se P-mreža. Dovoljno visok omjer umreženosti i lanca (C) može dovesti do stvaranja takozvane beskonačne mreže ili gela, u kojem je svaka takva grana povezana s barem jednom drugom.
S kontinuiranim razvojem žive polimerizacije, sinteza ovih tvari sa specifičnom arhitekturom postaje sve lakša. Moguće su arhitekture kao što su zvijezda, češalj, četka, dendronizirani, dendrimeri i prstenasti polimeri. Ovi kemijski spojevi složene arhitekture mogu se sintetizirati ili korištenjem posebno odabranih početnih spojeva, ili najprije sintetiziranjem linearnih lanaca koji prolaze daljnje reakcije kako bi se međusobno povezali. Čvorovi Ps sastoje se od mnogih intramolekularnih ciklizacijaveze u jednom P-lancu (PC).
Razgranavanje
Općenito, što je veći stupanj grananja, to je polimerni lanac kompaktniji. Oni također utječu na isprepletenost lanaca, sposobnost klizanja jedan pored drugog, što zauzvrat utječe na fizička svojstva mase. Dugalančani sojevi mogu poboljšati čvrstoću 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 kršenja sposobnosti lanaca da međusobno djeluju ili kristaliziraju, što je posljedica strukture polimernih molekula.
Primjer učinka grananja na fizička svojstva može se naći u polietilenu. Polietilen visoke gustoće (HDPE) ima vrlo nizak stupanj grananja, relativno je krut i koristi se u proizvodnji, na primjer, pancirnih prsluka. S druge strane, polietilen niske gustoće (LDPE) ima značajnu količinu dugih i kratkih niti, relativno je fleksibilan i koristi se u aplikacijama kao što su plastične folije. Kemijska struktura polimera pogoduje upravo takvim primjenama.
Dendrimeri
Dendrimeri su poseban slučaj razgranatog polimera, gdje je svaka monomerna jedinica također točka grananja. To nastoji smanjiti isprepletenost međumolekularnih lanaca i kristalizaciju. Srodna arhitektura, dendritski polimer, nije savršeno razgranat, ali ima slična svojstva kao i dendrimerizbog visokog stupnja grananja.
Stupanj strukturne složenosti koji se javlja tijekom polimerizacije može ovisiti o funkcionalnosti korištenih 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:
- s nizom mehaničkih svojstava;
- u širokom rasponu boja;
- s različitim svojstvima transparentnosti.
Molekularna struktura polimera
Polimer se sastoji od mnogo jednostavnih molekula koje ponavljaju strukturne jedinice zvane monomeri (M). Jedna molekula ove tvari može se sastojati od stotina do milijuna M i imati linearnu, razgranatu ili mrežastu strukturu. Kovalentne veze drže atome zajedno, a sekundarne veze zatim drže skupine polimernih lanaca zajedno da tvore polimaterijal. Kopolimeri su vrste ove tvari, koje se sastoje od dvije ili više različitih vrsta M.
Polimer je organski materijal, a osnova svake takve vrste tvari je lanac ugljikovih atoma. Atom ugljika ima četiri elektrona u svojoj vanjskoj ljusci. Svaki od ovih valentnih elektrona može tvoriti kovalentnuveza 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 kemijskom spoju i njihovi valentni brojevi su: H, F, Cl, Bf i I s 1 valentnim elektronom; O i S s 2 valentna elektrona; n s 3 valentna elektrona i C i Si s 4 valentna elektrona.
Primjer polietilena
Sposobnost molekula da tvore duge lance ključna je za stvaranje polimera. Uzmite u obzir materijal polietilen, koji je napravljen od plina etana, C2H6. Plin etan ima dva atoma ugljika u lancu, a svaki ima dva valentna elektrona s drugim. Ako su dvije molekule etana povezane zajedno, jedna od ugljikovih veza u svakoj molekuli može biti prekinuta, a dvije molekule mogu biti spojene vezom ugljik-ugljik. Nakon što su dva metra spojena, na svakom kraju lanca ostaju još dva slobodna valentna elektrona za spajanje drugih mjerača ili P-lanaca. Proces može nastaviti spajati više mjerača i polimera zajedno dok se ne zaustavi dodavanjem druge kemikalije (terminator) koja ispunjava dostupnu vezu na svakom kraju molekule. To 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 kutom od 109° dosljedeći, i stoga karbonska okosnica prolazi kroz svemir poput upletenog lanca TinkerToys. Kada se primijeni napon, ti se lanci rastežu, a produljenje P može biti tisuće puta veće nego u kristalnim strukturama. Ovo su strukturne značajke polimera.
