Mnohých zaujíma otázka, akú štruktúru majú polyméry. Odpoveď na ňu bude uvedená v tomto článku. Vlastnosti polyméru (ďalej - P) sa vo všeobecnosti delia do niekoľkých tried v závislosti od rozsahu, v ktorom je vlastnosť definovaná, ako aj od fyzikálneho základu. Najzákladnejšou kvalitou týchto látok je identita ich monomérov (M). Druhý súbor vlastností, známy ako mikroštruktúra, v podstate označuje usporiadanie týchto Ms v P na stupnici jednej Z. Tieto základné štruktúrne charakteristiky hrajú hlavnú úlohu pri určovaní objemových fyzikálnych vlastností týchto látok, ktoré ukazujú, ako sa P správa ako makroskopický materiál. Chemické vlastnosti v nanoúrovni opisujú, ako reťazce interagujú prostredníctvom rôznych fyzikálnych síl. Na makroúrovni ukazujú, ako základný P interaguje s inými chemikáliami a rozpúšťadlami.
Identita
Identita opakujúcich sa odkazov, ktoré tvoria P, je jeho prvým anajdôležitejší atribút. Nomenklatúra týchto látok je zvyčajne založená na type monomérnych zvyškov, ktoré tvoria P. Polyméry, ktoré obsahujú iba jeden typ opakujúcej sa jednotky, sú známe ako homo-P. Súčasne Ps obsahujúce dva alebo viac typov opakujúcich sa jednotiek sú známe ako kopolyméry. Terpolyméry obsahujú tri typy opakujúcich sa jednotiek.
Napríklad polystyrén pozostáva iba zo zvyškov styrénu M, a preto je klasifikovaný ako Homo-P. Etylénvinylacetát na druhej strane obsahuje viac ako jeden typ opakujúcej sa jednotky a je teda kopolymérom. Niektoré biologické P sú zložené z mnohých rôznych, ale štruktúrne príbuzných monomérnych zvyškov; napríklad polynukleotidy ako DNA sa skladajú zo štyroch typov nukleotidových podjednotiek.
Molekula polyméru obsahujúca ionizovateľné podjednotky je známa ako polyelektrolyt alebo ionomér.
Mikroštruktúra
Mikroštruktúra polyméru (niekedy nazývaná konfigurácia) súvisí s fyzikálnym usporiadaním M zvyškov pozdĺž hlavného reťazca. Sú to prvky štruktúry P, ktoré vyžadujú prerušenie kovalentnej väzby, aby sa zmenili. Štruktúra má silný vplyv na ďalšie vlastnosti P. Napríklad dve vzorky prírodného kaučuku môžu vykazovať rôznu trvanlivosť, aj keď ich molekuly obsahujú rovnaké monoméry.
Štruktúra a vlastnosti polymérov
Tento bod je mimoriadne dôležité objasniť. Dôležitým mikroštrukturálnym znakom polymérnej štruktúry je jej architektúra a tvar, ktoré súvisia s tým, akoodbočovacie body vedú k odchýlke od jednoduchého lineárneho reťazca. Rozvetvená molekula tejto látky pozostáva z hlavného reťazca s jedným alebo viacerými bočnými reťazcami alebo substitučnými vetvami. Typy rozvetvených P zahŕňajú hviezdicové P, hrebeňové P, kefové P, dendronizované P, rebríčkové P a dendriméry. Existujú aj dvojrozmerné polyméry, ktoré pozostávajú z topologicky plochých opakujúcich sa jednotiek. Na syntézu P-materiálu s rôznymi typmi zariadení, ako je živá polymerizácia, možno použiť rôzne techniky.
Iné vlastnosti
Zloženie a štruktúra polymérov vo vede o polyméroch súvisí s tým, ako vetvenie vedie k odchýlke od striktne lineárneho P-reťazca. Rozvetvenie môže nastať náhodne alebo môžu byť reakcie navrhnuté tak, aby sa zamerali na špecifické architektúry. Toto je dôležitá mikroštrukturálna vlastnosť. Architektúra polyméru ovplyvňuje mnohé z jeho fyzikálnych vlastností, vrátane viskozity roztoku a taveniny, rozpustnosti v rôznych zloženiach, teploty skleného prechodu a veľkosti jednotlivých P-zvitkov v roztoku. To je dôležité pre štúdium obsiahnutých zložiek a štruktúry polymérov.
Pobočky
Vetvy sa môžu vytvoriť, keď sa rastúci koniec molekuly polyméru pripojí buď (a) späť k sebe, alebo (b) k inému P-vláknu, pričom obe môžu prostredníctvom stiahnutia vodíka vytvoriť rastovú zónu pre stred reťaz.
Účinok vetvenia - chemické zosieťovanie -tvorba kovalentných väzieb medzi reťazcami. Zosieťovanie má tendenciu zvyšovať Tg a zvyšovať pevnosť a húževnatosť. Okrem iného sa tento proces používa na spevnenie kaučukov v procese známom ako vulkanizácia, ktorý sa spolieha na zosieťovanie sírou. Pneumatiky pre autá majú napríklad vysokú pevnosť a zosieťovanie, aby sa znížil únik vzduchu a zvýšila sa ich životnosť. Guma na druhej strane nie je zosieťovaná, čo umožňuje odlepenie gumy a zabraňuje poškodeniu papiera. Polymerizácia čistej síry pri vyšších teplotách tiež vysvetľuje, prečo sa pri vyšších teplotách v roztavenom stave stáva viskóznejšou.
Grid
Vysoko zosieťovaná molekula polyméru sa nazýva P-sieť. Dostatočne vysoký pomer priečnych väzieb k reťazcu (C) môže viesť k vytvoreniu takzvanej nekonečnej siete alebo gélu, v ktorom je každá takáto vetva spojená aspoň s jednou ďalšou.
S neustálym rozvojom živej polymerizácie je syntéza týchto látok so špecifickou architektúrou stále jednoduchšia. Sú možné architektúry ako hviezdicové, hrebeňové, kefové, dendronizované, dendriméry a prstencové polyméry. Tieto chemické zlúčeniny s komplexnou architektúrou môžu byť syntetizované buď pomocou špeciálne vybraných východiskových zlúčenín, alebo najprv syntetizáciou lineárnych reťazcov, ktoré podstupujú ďalšie reakcie, aby sa navzájom spojili. Uzlové P pozostávajú z mnohých intramolekulárnych cyklizáciíodkazy v jednom P-reťazci (PC).
Pobočky
Vo všeobecnosti platí, že čím vyšší je stupeň rozvetvenia, tým kompaktnejší je polymérny reťazec. Ovplyvňujú tiež zapletenie reťaze, schopnosť posúvať sa okolo seba, čo následne ovplyvňuje objemové fyzikálne vlastnosti. Deformácie s dlhým reťazcom môžu zlepšiť pevnosť polyméru, húževnatosť a teplotu skleného prechodu (Tg) v dôsledku zvýšenia počtu väzieb v zlúčenine. Na druhej strane, náhodná a krátka hodnota Z môže znížiť pevnosť materiálu v dôsledku narušenia schopnosti reťazcov vzájomnej interakcie alebo kryštalizácie, čo je spôsobené štruktúrou molekúl polyméru.
Príklad vplyvu vetvenia na fyzikálne vlastnosti možno nájsť v polyetyléne. Polyetylén s vysokou hustotou (HDPE) má veľmi nízky stupeň rozvetvenia, je pomerne tuhý a používa sa pri výrobe napríklad nepriestrelných viest. Na druhej strane polyetylén s nízkou hustotou (LDPE) má značné množstvo dlhých a krátkych vlákien, je relatívne flexibilný a používa sa v aplikáciách, ako sú plastové fólie. Chemická štruktúra polymérov uprednostňuje práve takéto aplikácie.
Dendrimers
Dendriméry sú špeciálnym prípadom rozvetveného polyméru, kde každá monomérna jednotka je zároveň bodom vetvenia. To má tendenciu znižovať zapletenie a kryštalizáciu medzimolekulových reťazcov. Príbuzná architektúra, dendritický polymér, nie je dokonale rozvetvený, ale má podobné vlastnosti ako dendrimérykvôli ich vysokému stupňu rozvetvenia.
Stupeň štrukturálnej zložitosti, ktorý sa vyskytuje počas polymerizácie, môže závisieť od funkčnosti použitých monomérov. Napríklad pri radikálovej polymerizácii styrénu povedie pridanie divinylbenzénu, ktorý má funkčnosť 2, k vytvoreniu rozvetveného P.
Inžinierske polyméry
Skonštruované polyméry zahŕňajú prírodné materiály, ako je guma, syntetika, plasty a elastoméry. Sú to veľmi užitočné suroviny, pretože ich štruktúru možno meniť a prispôsobovať na výrobu materiálov:
- s radom mechanických vlastností;
- v širokej škále farieb;
- s rôznymi vlastnosťami priehľadnosti.
Molekulárna štruktúra polymérov
Polymér sa skladá z mnohých jednoduchých molekúl, ktoré opakujú štruktúrne jednotky nazývané monoméry (M). Jedna molekula tejto látky môže pozostávať zo stoviek až miliónov M a môže mať lineárnu, rozvetvenú alebo sieťovú štruktúru. Kovalentné väzby držia atómy pohromade a sekundárne väzby potom držia skupiny polymérnych reťazcov spolu, aby vytvorili polymateriál. Kopolyméry sú typy tejto látky pozostávajúce z dvoch alebo viacerých rôznych typov M.
Polymér je organický materiál a základom každého takéhoto typu látky je reťazec atómov uhlíka. Atóm uhlíka má vo vonkajšom obale štyri elektróny. Každý z týchto valenčných elektrónov môže tvoriť kovalentväzba s iným atómom uhlíka alebo s cudzím atómom. Kľúčom k pochopeniu štruktúry polyméru je, že dva atómy uhlíka môžu mať až tri spoločné väzby a stále sa viažu s inými atómami. Prvky, ktoré sa najčastejšie vyskytujú v tejto chemickej zlúčenine a ich valenčné čísla sú: H, F, Cl, Bf a I s 1 valenčným elektrónom; O a S s 2 valenčnými elektrónmi; n s 3 valenčnými elektrónmi a C a Si so 4 valenčnými elektrónmi.
Príklad polyetylénu
Schopnosť molekúl vytvárať dlhé reťazce je životne dôležitá pre výrobu polyméru. Zoberme si materiál polyetylén, ktorý je vyrobený z etánového plynu, C2H6. Etánový plyn má dva atómy uhlíka v reťazci a každý má dva valenčné elektróny s druhým. Ak sú dve molekuly etánu spojené dohromady, jedna z uhlíkových väzieb v každej molekule môže byť prerušená a tieto dve molekuly môžu byť spojené väzbou uhlík-uhlík. Po pripojení dvoch meračov zostanú na každom konci reťazca ďalšie dva voľné valenčné elektróny, aby sa spojili ďalšie merače alebo P-vlákna. Proces je schopný pokračovať v spájaní ďalších meračov a polymérov dohromady, kým sa nezastaví pridaním ďalšej chemikálie (terminátora), ktorá vyplní dostupnú väzbu na každom konci molekuly. Toto sa nazýva lineárny polymér a je stavebným kameňom pre termoplastické zlúčeniny.
Polymérny reťazec sa často zobrazuje v dvoch rozmeroch, ale treba poznamenať, že majú trojrozmernú polymérnu štruktúru. Každý článok je pod uhlom 109° kďalej, a teda uhlíková chrbtica prechádza priestorom ako skrútená reťaz TinkerToys. Keď sa použije napätie, tieto reťazce sa natiahnu a predĺženie P môže byť tisíckrát väčšie ako v kryštalických štruktúrach. Toto sú štrukturálne vlastnosti polymérov.
