Структура на полимера: състав, основни свойства, характеристики

Много хора се чудят за структурата на полимерите. На този въпрос ще бъде отговорено в настоящия документ. Свойствата на полимерите (наричани по-нататък "P") обикновено се разделят на няколко класа в зависимост от скалата, в която се определя свойството, и от физическата му основа. Най-основното качество на тези вещества е идентичността на съставящите ги мономери (M). Вторият набор от свойства, известен като микроструктура, по същество обозначава подреждането на тези M в P в мащаба на една C. Тези основни структурни характеристики играят основна роля при определяне на физичните свойства на тези вещества, които показват как P се държи като макроскопичен материал. Химичните свойства в наномащаб описват как веригите си взаимодействат чрез различни физически сили. В макромащаб те показват как основният P взаимодейства с други химикали и разтворители.

Идентичност

Идентичността на повтарящите се единици, които изграждат P, е първият и най-важен негов признак. Номенклатурата на тези вещества обикновено се основава на вида на мономерните остатъци, които съставляват P. Полимерите, които съдържат само един вид повтаряща се единица, са известни като хомо-P. От друга страна, P, съдържащи два или повече вида повтарящи се единици, са известни като съполимери. Терполимерите съдържат три вида повтарящи се единици.

Полистиренът, например, съдържа само остатъци от стирен М и затова се класифицира като хомо-P. От друга страна, етиленвинилацетатът съдържа повече от един вид повтарящи се единици и по този начин е съполимер. Някои биологични P са съставени от много различни, но структурно свързани мономерни остатъци; например полинуклеотидите, като ДНК, са съставени от четири вида нуклеотидни субединици.

Известна е полимерна молекула, съдържаща йонизиращи се субединици като полиелектролит или йономер.

Микроструктура

Микроструктурата на даден полимер (понякога наричана конфигурация) е свързана с физическото разположение на М остатъците по протежение на основната верига. Това са елементи от структурата на P, които изискват прекъсване на ковалентната връзка, за да се променят. Структурата оказва силно влияние върху другите свойства на P. Например два образеца от естествен каучук могат да проявят различна трайност, въпреки че молекулите им съдържат едни и същи мономери.

Структура и свойства на полимерите

Този момент е изключително важен за изясняване. Важна микроструктурна характеристика на полимерната структура е нейната архитектура и форма, които са свързани с начина, по който точките на разклоняване водят до отклонения от простата линейна верига. Разклонената молекула на това вещество се състои от основна верига с една или повече странични вериги или разклонения на заместителя. Видовете разклонени П включват звездообразни, гребеновидни П, четкавидни П, дендронизирани, стълбовидни и дендримерни. Съществуват и двуизмерни полимери, които се състоят от топологично равнинни повтарящи се единици. За синтезиране на Р-материали с различни видове структура могат да се използват различни техники, напр. жива полимеризация.

Други качества

Съставът и структурата на полимерите са свързани с начина, по който разклоняването води до отклонения от строго линейната Р-верига. Разклоняването може да се случи случайно или реакциите могат да бъдат проектирани така, че да се насочат към специфични архитектури. Това е важна микроструктурна характеристика. Архитектурата на полимера оказва влияние върху много от физичните му свойства, включително вискозитета на разтвора, разтопяемостта, разтворимостта в различни състави, температурата на встъкляване и размера на отделните Р-намотки в разтвора. Това е важно за изучаване на компонентите, съдържащи се в полимерите, и на тяхната структура.

Разклонения

Разклоненията могат да се образуват, когато растящият край на полимерната молекула се прикрепи или а) обратно към себе си, или б) към друга Р-верига, като и в двата случая чрез изтегляне на водород може да се създаде зона на растеж в средата на веригата.

Ефектът, свързан с разклоняването, е химическото омрежване - образуването на ковалентни връзки между веригите. Омрежването има тенденция да увеличава Tg и да увеличава якостта и ударната жилавост. Наред с други приложения, този процес се използва за подсилване на каучуци в процес, известен като вулканизация, който се основава на омрежване със сяра. Например автомобилните гуми са с висока якост и степен на омрежване, за да се намали изтичането на въздух и да се увеличи издръжливостта им. От друга страна, каучукът не е омрежен, което му позволява да се отлепя и предотвратява повреждането на хартията. Полимеризацията на чистата сяра при по-високи температури обяснява и защо тя става по-вискозна при по-високи температури в разтопено състояние.

Мрежа

Полимерна молекула с висок коефициент на омрежване се нарича Р-мрежа. Достатъчно високото съотношение между напречните връзки и веригите (C) може да доведе до образуването на т.нар. безкрайна мрежа или гел, в който всеки такъв клон е свързан с поне един друг.

С непрекъснатото развитие на живата полимеризация синтезът на тези вещества с определена архитектура става все по-лесен. Възможни са архитектури като звездообразни, гребеновидни, четкавидни, дендронизирани, дендримерни и пръстеновидни полимери. Тези химични съединения със сложна архитектура могат да бъдат синтезирани или чрез използване на специално подбрани изходни съединения, или първо чрез синтезиране на линейни вериги, които се подлагат на по-нататъшни реакции, за да се свържат помежду си. Свързаните P-вериги се състоят от много вътрешномолекулни циклични единици в една P-верига (PC).

Разклонения

Като цяло, колкото по-висока е степента на разклоняване, толкова по-компактна е полимерната верига. То влияе и върху заплитането, способността на веригите да се приплъзват една по друга, което от своя страна влияе върху физичните свойства на обема. Дългите вериги могат да подобрят здравината на полимера, неговата ударна жилавост и температурата на встъкляване (Tg) чрез увеличаване на броя на връзките в съединението. От друга страна, случайна и кратка стойност на С може да намали якостта на материала поради нарушаване на способността на веригите да взаимодействат помежду си или да кристализират, което се дължи на структурата на полимерните молекули.

Пример за влиянието на разклоняването върху физичните свойства може да се намери в полиетилена. Полиетиленът с висока плътност (HDPE) има много ниска степен на разклоняване и е сравнително твърд и се използва за производството например на бронежилетки. От друга страна, полиетиленът с ниска плътност (LDPE) има значителен брой дълги и къси разклонения, сравнително гъвкав е и се използва в приложения като пластмасови фолиа. Химичната структура на полимерите е благоприятна за точно такъв вид приложение.

дендримери

Дендримерите са специален случай на разклонени полимери, при които всяка мономерна единица е и точка на разклонение. Той има тенденция да намалява заплитането на междумолекулните вериги и кристализацията. Сродна архитектура - дендритен полимер - не е идеално разклонена, но има сходни свойства с дендримерите поради високата степен на разклоняване.

Степента на формиране на структурата по време на полимеризацията може да зависи от функционалността на използваните мономери. Например при свободна радикална полимеризация на стирен добавянето на дивинилбензен, който има функционалност 2, ще доведе до образуването на разклонени P.

Инженерни полимери

Инженерните полимери включват естествени материали като каучук, синтетични материали, пластмаси и еластомери. Те са много полезни суровини, тъй като структурата им може да бъде променяна и адаптирана за производство на материали:

• с различни механични свойства;
• в широка гама от цветове;
• с различни свойства за прозрачност.

Молекулна структура на полимерите

Полимерът се състои от много прости молекули, които повтарят структурни единици, наречени мономери (М). Една молекула на това вещество може да се състои от стотици до милиони М и може да има линейна, разклонена или мрежеста структура. Ковалентните връзки държат атомите заедно, а вторичните връзки държат групите полимерни вериги заедно, за да образуват полимер. Кополимерите са видове на това вещество, съставени от два или повече различни вида M.

Полимерът е органичен материал, а гръбнакът на всяко такова вещество е верига от въглеродни атоми. Въглеродният атом има четири електрона във външната си обвивка. Всеки от тези валентни електрони може да образува ковалентна връзка с друг въглероден атом или с чужд атом. Ключът към разбирането на структурата на полимерите е, че два въглеродни атома могат да имат до три общи връзки и въпреки това да се свързват с други атоми. Най-често срещаните елементи в това химично съединение и техните валентни числа: H, F, Cl, Bf и I с 1 валентен електрон; O и S с 2 валентни електрона; n с 3 валентни електрона и C и Si с 4 валентни електрона.

Полиетиленът е пример за това

Способността на молекулите да образуват дълги вериги е жизненоважна за създаването на полимер. Да разгледаме материала полиетилен, който се произвежда от газообразния етан, C2H6. Етанът има два въглеродни атома във веригата и всеки от тях има два валентни електрона с другия. Ако две молекули етан се съединят, една от въглеродните връзки във всяка молекула може да се разкъса и двете молекули да се съединят чрез връзка въглерод-въглерод. След като двата метана са свързани, във всеки край на веригата остават още два свободни валентни електрона, които да свържат другите метани или Р-вериги. Процесът може да продължи да свързва повече мерки и полимери, докато не бъде спрян чрез добавяне на друго химично вещество (терминатор), което запълва свободната връзка във всеки край на молекулата. Това се нарича линеен полимер и е градивен елемент за термопластичните видове свързване.

Полимерната верига често се показва в две измерения, но трябва да се отбележи, че те имат триизмерна полимерна структура. Всяка облигация се намира под под ъгъл от 109° спрямо следващия и следователно въглеродният гръбнак се движи в пространството като усукана верига TinkerToys. Когато се приложи напрежение, тези вериги се разтягат, като удължението P може да бъде хиляди пъти по-голямо, отколкото в кристалните структури. Това са особеностите на полимерната структура.