Mange er interesserede i spørgsmålet om, hvilken struktur polymerer har. Svaret på det vil blive givet i denne artikel. Polymeregenskaber (herefter - P) er generelt opdelt i flere klasser afhængigt af den skala, som egenskaben er defineret i, samt på dens fysiske grundlag. Den mest grundlæggende kvalitet af disse stoffer er identiteten af deres monomerer (M). Det andet sæt egenskaber, kendt som mikrostruktur, betegner i det væsentlige arrangementet af disse M'er i P på en skala fra et Z. Disse grundlæggende strukturelle egenskaber spiller en stor rolle i bestemmelsen af de fysiske hovedegenskaber af disse stoffer, som viser, hvordan P opfører sig som et makroskopisk materiale. Kemiske egenskaber på nanoskala beskriver, hvordan kæder interagerer gennem forskellige fysiske kræfter. På en makroskala viser de, hvordan grundlæggende P interagerer med andre kemikalier og opløsningsmidler.
Identity
Identiteten af de gentagne links, der udgør P'et, er dens første ogden vigtigste egenskab. Nomenklaturen af disse stoffer er norm alt baseret på typen af monomerrester, der udgør P. Polymerer, der kun indeholder én type gentagende enhed, er kendt som homo-P. På samme tid er Ps, der indeholder to eller flere typer gentagne enheder, kendt som copolymerer. Terpolymerer indeholder tre typer gentagne enheder.
Polystyren, for eksempel, består kun af styren M-rester og er derfor klassificeret som Homo-P. Ethylenvinylacetat indeholder på den anden side mere end én type gentagende enhed og er således en copolymer. Nogle biologiske P'er er sammensat af mange forskellige, men strukturelt beslægtede monomere rester; for eksempel består polynukleotider såsom DNA af fire typer nukleotidunderenheder.
Et polymermolekyle, der indeholder ioniserbare underenheder, er kendt som en polyelektrolyt eller ionomer.
Mikrostruktur
Mikrostrukturen af en polymer (nogle gange kaldet konfiguration) er relateret til det fysiske arrangement af M rester langs hovedkæden. Disse er elementer i P-strukturen, der kræver brydning af en kovalent binding for at ændre sig. Strukturen har en stærk indflydelse på andre egenskaber af P. For eksempel kan to prøver af naturgummi vise forskellig holdbarhed, selvom deres molekyler indeholder de samme monomerer.
Struktur og egenskaber af polymerer
Dette punkt er ekstremt vigtigt at afklare. Et vigtigt mikrostrukturelt træk ved polymerstrukturen er dens arkitektur og form, som er relateret til hvordanforgreningspunkter fører til en afvigelse fra en simpel lineær kæde. Det forgrenede molekyle af dette stof består af en hovedkæde med en eller flere sidekæder eller substituentgrene. Typer af forgrenede Ps omfatter stjerne Ps, kam Ps, børste Ps, dendroniserede Ps, stige Ps og dendrimerer. Der er også todimensionelle polymerer, der består af topologisk flade gentagne enheder. En række forskellige teknikker kan bruges til at syntetisere P-materiale med forskellige enhedstyper, såsom levende polymerisation.
Andre kvaliteter
Sammensætningen og strukturen af polymerer i polymervidenskab er relateret til, hvordan forgrening fører til afvigelse fra en strengt lineær P-kæde. Forgreninger kan forekomme tilfældigt, eller reaktioner kan designes til at målrette mod specifikke arkitekturer. Dette er et vigtigt mikrostrukturelt træk. Arkitekturen af en polymer påvirker mange af dens fysiske egenskaber, herunder opløsnings- og smelteviskositet, opløselighed i forskellige sammensætninger, glasovergangstemperatur og størrelsen af individuelle P-spoler i opløsning. Dette er vigtigt for at studere de indeholdte komponenter og strukturen af polymerer.
Branching
Grene kan dannes, når den voksende ende af et polymermolekyle binder sig enten (a) tilbage til sig selv eller (b) til en anden P-streng, som begge gennem hydrogentilbagetrækning kan skabe en vækstzone for midten kæde.
Forgreningseffekt - kemisk tværbinding -dannelse af kovalente bindinger mellem kæder. Tværbinding har en tendens til at øge Tg og øge styrke og sejhed. Blandt andre anvendelser bruges denne proces til at styrke gummier i en proces kendt som vulkanisering, som er afhængig af svovltværbinding. Bildæk har for eksempel høj styrke og tværbinding for at reducere luftlækage og øge deres holdbarhed. Gummiet er derimod ikke tværbundet, hvilket gør, at gummiet kan skalle af og forhindrer skader på papiret. Polymerisationen af rent svovl ved højere temperaturer forklarer også, hvorfor det bliver mere tyktflydende ved højere temperaturer i smeltet tilstand.
Grid
Et stærkt tværbundet polymermolekyle kaldes et P-netværk. Et tilstrækkeligt højt tværbinding-til-streng-forhold (C) kan føre til dannelsen af et såkaldt uendeligt netværk eller gel, hvor hver sådan gren er forbundet med mindst én anden.
Med den kontinuerlige udvikling af levende polymerisation bliver syntesen af disse stoffer med en specifik arkitektur lettere. Arkitekturer såsom stjerne, kam, børste, dendroniserede, dendrimerer og ringpolymerer er mulige. Disse kemiske forbindelser med kompleks arkitektur kan syntetiseres enten ved hjælp af specielt udvalgte udgangsforbindelser eller først ved at syntetisere lineære kæder, der gennemgår yderligere reaktioner for at forbinde med hinanden. Knyttede P'er består af mange intramolekylære cykliseringerled i én P-kæde (PC).
Branching
Generelt, jo højere grad af forgrening, jo mere kompakt er polymerkæden. De påvirker også kædesammenfiltring, evnen til at glide forbi hinanden, hvilket igen påvirker bulk fysiske egenskaber. Langkædede spændinger kan forbedre polymerstyrke, sejhed og glasovergangstemperatur (Tg) på grund af en stigning i antallet af bindinger i forbindelsen. På den anden side kan en tilfældig og kort værdi af Z reducere materialets styrke på grund af en krænkelse af kædernes evne til at interagere med hinanden eller krystallisere, hvilket skyldes strukturen af polymermolekyler.
Et eksempel på virkningen af forgrening på fysiske egenskaber kan findes i polyethylen. High density polyethylen (HDPE) har en meget lav grad af forgrening, er relativt stiv og bruges til fremstilling af fx skudsikre veste. På den anden side har lavdensitetspolyethylen (LDPE) en betydelig mængde af lange og korte tråde, er relativt fleksibel og bruges i applikationer såsom plastfilm. Den kemiske struktur af polymerer favoriserer netop sådanne anvendelser.
Dendrimers
Dendrimerer er et speci altilfælde af en forgrenet polymer, hvor hver monomer enhed også er et forgreningspunkt. Dette har en tendens til at reducere intermolekylær kædesammenfiltring og krystallisation. En beslægtet arkitektur, den dendritiske polymer, er ikke perfekt forgrenet, men har lignende egenskaber som dendrimererpå grund af deres høje grad af forgrening.
Graden af strukturel kompleksitet, der opstår under polymerisation, kan afhænge af funktionaliteten af de anvendte monomerer. For eksempel vil tilsætning af divinylbenzen, som har en funktionalitet på 2, ved fri radikal polymerisation af styren føre til dannelsen af forgrenet P.
Engineering polymerer
Konstruerede polymerer omfatter naturlige materialer såsom gummi, syntetiske materialer, plast og elastomerer. De er meget nyttige råmaterialer, fordi deres strukturer kan ændres og tilpasses til at producere materialer:
- med en række mekaniske egenskaber;
- i en bred vifte af farver;
- med forskellige gennemsigtighedsegenskaber.
Molekylær struktur af polymerer
En polymer består af mange simple molekyler, der gentager strukturelle enheder kaldet monomerer (M). Et molekyle af dette stof kan bestå af hundreder til millioner af M og har en lineær, forgrenet eller netværksstruktur. Kovalente bindinger holder atomerne sammen, og sekundære bindinger holder derefter grupperne af polymerkæder sammen for at danne polymaterialet. Copolymerer er typer af dette stof, der består af to eller flere forskellige typer M.
En polymer er et organisk materiale, og grundlaget for enhver sådan type stof er en kæde af kulstofatomer. Et kulstofatom har fire elektroner i sin ydre skal. Hver af disse valenselektroner kan danne en kovalenten binding med et andet carbonatom eller med et fremmed atom. Nøglen til at forstå strukturen af en polymer er, at to carbonatomer kan have op til tre bindinger til fælles og stadig binde med andre atomer. De grundstoffer, der oftest findes i denne kemiske forbindelse, og deres valenstal er: H, F, Cl, Bf og I med 1 valenselektron; O og S med 2 valenselektroner; n med 3 valenselektroner og C og Si med 4 valenselektroner.
Eksempel på polyethylen
Molekylers evne til at danne lange kæder er afgørende for fremstilling af en polymer. Overvej materialet polyethylen, som er lavet af ethan, C2H6. Ethan har to kulstofatomer i kæden, og hver har to valenselektroner med den anden. Hvis to ethanmolekyler er bundet sammen, kan en af kulstofbindingerne i hvert molekyle brydes, og de to molekyler kan være forbundet med en kulstof-kulstofbinding. Efter at to meter er forbundet, forbliver to frie valenselektroner mere i hver ende af kæden for at forbinde andre meter eller P-strenge. Processen er i stand til at fortsætte med at forbinde flere målere og polymerer sammen, indtil den stoppes ved tilsætning af et andet kemikalie (terminator), der udfylder den tilgængelige binding i hver ende af molekylet. Dette kaldes en lineær polymer og er byggestenen til termoplastiske forbindelser.
Polymerkæden vises ofte i to dimensioner, men det skal bemærkes, at de har en tredimensionel polymerstruktur. Hvert led er i en vinkel på 109° tilnæste, og derfor løber kulstofrygraden gennem rummet som en snoet kæde af TinkerToys. Når spænding påføres, strækkes disse kæder, og forlængelsen P kan være tusindvis af gange større end i krystallinske strukturer. Disse er de strukturelle træk ved polymerer.
