Mnoge zanima vprašanje, kakšno strukturo imajo polimeri. Odgovor na to bo podan v tem članku. Lastnosti polimera (v nadaljnjem besedilu - P) so na splošno razdeljene v več razredov, odvisno od obsega, na katerem je lastnost definirana, pa tudi od fizične osnove. Najosnovnejša kakovost teh snovi je identiteta njihovih sestavnih monomerov (M). Drugi niz lastnosti, znanih kot mikrostruktura, v bistvu označuje razporeditev teh Ms v P na lestvici enega Z. Te osnovne strukturne značilnosti igrajo pomembno vlogo pri določanju množičnih fizikalnih lastnosti teh snovi, ki kažejo, kako se P obnaša kot makroskopski material. Kemične lastnosti na nanomerilu opisujejo, kako verige medsebojno delujejo z različnimi fizičnimi silami. Na makro lestvici kažejo, kako osnovni P medsebojno deluje z drugimi kemikalijami in topili.
Identiteta
Identiteta ponavljajočih se povezav, ki sestavljajo P, je njegova prva innajpomembnejši atribut. Nomenklatura teh snovi običajno temelji na vrsti monomernih ostankov, ki sestavljajo P. Polimeri, ki vsebujejo samo eno vrsto ponavljajoče se enote, so znani kot homo-P. Hkrati so Ps, ki vsebujejo dve ali več vrst ponavljajočih se enot, znani kot kopolimeri. Terpolimeri vsebujejo tri vrste ponavljajočih se enot.
Polistiren, na primer, je sestavljen samo iz ostankov stirena M in je zato razvrščen kot Homo-P. Po drugi strani pa etilen vinil acetat vsebuje več kot eno vrsto ponavljajočih se enot in je tako kopolimer. Nekateri biološki Ps so sestavljeni iz številnih različnih, a strukturno sorodnih monomernih ostankov; na primer, polinukleotidi, kot je DNK, so sestavljeni iz štirih vrst nukleotidnih podenot.
Molekula polimera, ki vsebuje ionizirajoče podenote, je znana kot polielektrolit ali ionomer.
Mikrostruktura
Mikrostruktura polimera (včasih imenovana konfiguracija) je povezana s fizično razporeditvijo M ostankov vzdolž glavne verige. To so elementi strukture P, ki zahtevajo prekinitev kovalentne vezi, da se spremenijo. Struktura močno vpliva na druge lastnosti P. Na primer, dva vzorca naravnega kavčuka lahko pokažeta različno obstojnost, tudi če njuni molekuli vsebujeta enake monomere.
Struktura in lastnosti polimerov
To točko je zelo pomembno pojasniti. Pomembna mikrostrukturna značilnost polimerne strukture je njena arhitektura in oblika, ki sta povezani s tem, kakorazvejane točke vodijo do odstopanja od preproste linearne verige. Razvejana molekula te snovi je sestavljena iz glavne verige z eno ali več stranskimi verigami ali nadomestnimi vejami. Vrste razvejanih Ps vključujejo zvezdast Ps, glavnik Ps, krtačo Ps, dendronizirane Ps, lestvene Ps in dendrimerje. Obstajajo tudi dvodimenzionalni polimeri, ki so sestavljeni iz topološko ravnih ponavljajočih se enot. Za sintezo P-materiala je mogoče uporabiti različne tehnike z različnimi vrstami naprav, kot je živa polimerizacija.
Druge kakovosti
Sestava in struktura polimerov v znanosti o polimerih sta povezani s tem, kako razvejanje vodi do odstopanja od strogo linearne P-verige. Razvejanje se lahko pojavi naključno ali pa so reakcije zasnovane tako, da ciljajo na določene arhitekture. To je pomembna mikrostrukturna lastnost. Arhitektura polimera vpliva na številne njegove fizikalne lastnosti, vključno z viskoznostjo raztopine in taline, topnostjo v različnih sestavah, temperaturo steklastega prehoda in velikostjo posameznih P-tuljav v raztopini. To je pomembno za preučevanje sestavin in strukture polimerov.
Večje
Veje se lahko tvorijo, ko se rastoči konec polimerne molekule pritrdi bodisi (a) nazaj nase ali (b) na drugo P-verigo, pri čemer lahko oba z odvzemom vodika ustvarita rastno območje za sredino veriga.
Učinek razvejanja - kemično zamreženje -tvorba kovalentnih vezi med verigami. Zamreženje ponavadi poveča Tg ter poveča moč in žilavost. Med drugimi uporabami se ta postopek uporablja za krepitev gume v procesu, znanem kot vulkanizacija, ki temelji na zamreževanju žvepla. Avtomobilske pnevmatike, na primer, imajo visoko trdnost in navzkrižno povezovanje, da zmanjšajo uhajanje zraka in povečajo njihovo vzdržljivost. Guma po drugi strani ni premrežena, kar omogoča, da se guma odlepi in preprečuje poškodbe papirja. Polimerizacija čistega žvepla pri višjih temperaturah tudi pojasnjuje, zakaj postane pri višjih temperaturah v staljenem stanju bolj viskozen.
mreža
Molekula visoko zamreženega polimera se imenuje P-omrežje. Dovolj visoko razmerje med navzkrižno povezavo in verigo (C) lahko privede do tvorbe tako imenovane neskončne mreže ali gela, v katerem je vsaka taka veja povezana z vsaj eno drugo.
Z nenehnim razvojem žive polimerizacije postaja sinteza teh snovi s specifično arhitekturo vse lažja. Možne so arhitekture, kot so zvezda, glavnik, krtača, dendronizirani, dendrimeri in obročasti polimeri. Te kemične spojine s kompleksno arhitekturo je mogoče sintetizirati bodisi z uporabo posebej izbranih izhodnih spojin bodisi najprej s sintetizacijo linearnih verig, ki so podvržene nadaljnjim reakcijam, da se med seboj povežejo. Zavozlani Ps so sestavljeni iz številnih intramolekularnih ciklizacijpovezave v eni P-verigi (PC).
Večje
Na splošno velja, da višja kot je stopnja razvejanosti, bolj kompaktna je polimerna veriga. Vplivajo tudi na prepletenost verige, zmožnost drsenja drug mimo drugega, kar posledično vpliva na fizikalne lastnosti v razsutem stanju. Dolgoverižni sevi lahko izboljšajo trdnost polimera, žilavost in temperaturo steklanja (Tg) zaradi povečanja števila vezi v spojini. Po drugi strani pa lahko naključna in kratka vrednost Z zmanjša trdnost materiala zaradi kršitve sposobnosti verig, da medsebojno delujejo ali kristalizirajo, kar je posledica strukture polimernih molekul.
Primer vpliva razvejanosti na fizikalne lastnosti lahko najdemo v polietilenu. Polietilen visoke gostote (HDPE) ima zelo nizko stopnjo razvejanosti, je relativno tog in se uporablja pri izdelavi, na primer, neprebojnih jopičev. Po drugi strani ima polietilen nizke gostote (LDPE) veliko dolgih in kratkih pramenov, je relativno prožen in se uporablja v aplikacijah, kot so plastične folije. Kemična struktura polimerov daje prednost prav takšnim aplikacijam.
Dendrimers
Dendrimeri so poseben primer razvejenega polimera, kjer je vsaka monomerna enota tudi razvejena točka. To zmanjšuje prepletenost medmolekularne verige in kristalizacijo. Sorodna arhitektura, dendritični polimer, ni popolnoma razvejana, vendar ima podobne lastnosti kot dendrimerjizaradi njihove visoke stopnje razvejanosti.
Stopnja strukturne kompleksnosti, ki se pojavi med polimerizacijo, je lahko odvisna od funkcionalnosti uporabljenih monomerov. Na primer, pri prosti radikalni polimerizaciji stirena bo dodatek divinilbenzena, ki ima funkcionalnost 2, povzročil nastanek razvejanega P.
Inženirski polimeri
Inženirski polimeri vključujejo naravne materiale, kot so guma, sintetika, plastika in elastomeri. So zelo uporabne surovine, saj je njihovo strukturo mogoče spremeniti in prilagoditi za proizvodnjo materialov:
- z vrsto mehanskih lastnosti;
- v široki paleti barv;
- z različnimi lastnostmi prosojnosti.
Molekularna struktura polimerov
Polimer je sestavljen iz številnih preprostih molekul, ki ponavljajo strukturne enote, imenovane monomeri (M). Ena molekula te snovi je lahko sestavljena iz sto do milijonov M in ima linearno, razvejano ali mrežno strukturo. Kovalentne vezi držijo atome skupaj, sekundarne vezi pa nato držijo skupine polimernih verig skupaj, da tvorijo polimaterial. Kopolimeri so vrste te snovi, sestavljene iz dveh ali več različnih vrst M.
Polimer je organski material in osnova vsake take vrste snovi je veriga ogljikovih atomov. Ogljikov atom ima v svoji zunanji lupini štiri elektrone. Vsak od teh valenčnih elektronov lahko tvori kovalentnovez z drugim atomom ogljika ali s tujim atomom. Ključ do razumevanja strukture polimera je, da imata dva ogljikova atoma lahko do tri skupne vezi in se še vedno vežeta z drugimi atomi. Elementi, ki jih najpogosteje najdemo v tej kemični spojini, in njihova valenčna števila so: H, F, Cl, Bf in I z 1 valenčnim elektronom; O in S z 2 valenčnima elektronoma; n s 3 valenčnimi elektroni ter C in Si s 4 valenčnimi elektroni.
Primer polietilena
Zmožnost molekul, da tvorijo dolge verige, je ključnega pomena za izdelavo polimera. Razmislite o materialu polietilena, ki je izdelan iz plina etana, C2H6. Plin etan ima v verigi dva ogljikova atoma in vsak ima z drugim dva valenčna elektrona. Če sta dve molekuli etana povezani skupaj, se lahko ena od ogljikovih vezi v vsaki molekuli pretrga in obe molekuli se lahko povežeta z vezjo ogljik-ogljik. Ko sta dva metra povezana, ostaneta na vsakem koncu verige še dva prosta valenčna elektrona, ki povezujeta druge števce ali P-verige. Postopek lahko nadaljuje povezovanje več merilnikov in polimerov skupaj, dokler se ne ustavi z dodatkom druge kemikalije (terminatorja), ki zapolni razpoložljivo vez na vsakem koncu molekule. Temu pravimo linearni polimer in je gradnik za termoplastične spojine.
Polimerna veriga je pogosto prikazana v dveh dimenzijah, vendar je treba opozoriti, da imajo tridimenzionalno polimerno strukturo. Vsaka povezava je pod kotom 109° donaslednji in zato ogljikova hrbtenica teče skozi vesolje kot zvita veriga igrač TinkerToys. Ko se uporabi napetost, se te verige raztegnejo, raztezek P pa je lahko tisočkrat večji kot pri kristalnih strukturah. To so strukturne značilnosti polimerov.
