Paljud on huvitatud küsimusest, milline on polümeeride struktuur. Vastus sellele antakse selles artiklis. Polümeeri omadused (edaspidi - P) jagunevad üldiselt mitmeks klassiks sõltuv alt omaduse määratlemise skaalast, samuti selle füüsikalisest alusest. Nende ainete kõige põhilisem kvaliteet on nende koostises olevate monomeeride (M) identsus. Teine omaduste komplekt, tuntud kui mikrostruktuur, tähistab sisuliselt nende M-de paigutust P-s ühe Z skaalal. Need põhilised struktuuriomadused mängivad olulist rolli nende ainete füüsikaliste omaduste määramisel, mis näitavad, kuidas P käitub makroskoopiline materjal. Nanomõõtme keemilised omadused kirjeldavad, kuidas ahelad interakteeruvad erinevate füüsikaliste jõudude kaudu. Makroskaalal näitavad need, kuidas põhiline P interakteerub teiste kemikaalide ja lahustitega.
Identity
P moodustavate korduvate linkide identiteet on selle esimene jakõige olulisem atribuut. Nende ainete nomenklatuur põhineb tavaliselt P moodustavate monomeerijääkide tüübil. Polümeere, mis sisaldavad ainult üht tüüpi korduvaid ühikuid, nimetatakse homo-P-ks. Samal ajal nimetatakse P-sid, mis sisaldavad kahte või enamat tüüpi korduvaid ühikuid, kopolümeeridena. Terpolümeerid sisaldavad kolme tüüpi korduvaid ühikuid.
Näiteks polüstüreen koosneb ainult stüreeni M jääkidest ja on seetõttu klassifitseeritud kui Homo-P. Etüleenvinüülatsetaat seevastu sisaldab rohkem kui üht tüüpi korduvat ühikut ja on seega kopolümeer. Mõned bioloogilised P-d koosnevad paljudest erinevatest, kuid struktuurilt seotud monomeersetest jääkidest; Näiteks polünukleotiidid, nagu DNA, koosnevad nelja tüüpi nukleotiidide subühikutest.
Ioniseeritavaid subühikuid sisaldavat polümeeri molekuli nimetatakse polüelektrolüüdiks või ionomeeriks.
Mikrostruktuur
Polümeeri mikrostruktuur (mõnikord nimetatakse seda ka konfiguratsiooniks) on seotud M jääkide füüsilise paigutusega peaahelas. Need on P-struktuuri elemendid, mille muutumiseks on vaja kovalentset sidet katkestada. Struktuuril on tugev mõju P teistele omadustele. Näiteks võib kahel loodusliku kautšuki proovil olla erinev vastupidavus, isegi kui nende molekulid sisaldavad samu monomeere.
Polümeeride struktuur ja omadused
See punkt on äärmiselt oluline selgitada. Polümeeri struktuuri oluline mikrostruktuuriline tunnus on selle arhitektuur ja kuju, mis on seotud sellega, kuidashargnemispunktid viivad kõrvalekaldumiseni lihtsast lineaarsest ahelast. Selle aine hargnenud molekul koosneb põhiahelast, millel on üks või mitu kõrvalahelat või asendusharu. Hargnenud P-de tüüpide hulka kuuluvad täht-P-d, kamm-P-d, harja-P-d, dendronitud P-d, redel-P-d ja dendrimeerid. On ka kahemõõtmelisi polümeere, mis koosnevad topoloogiliselt tasapinnalistest korduvatest ühikutest. P-materjali sünteesimiseks erinevate seadmetüüpidega, näiteks eluspolümerisatsiooniga, saab kasutada mitmesuguseid tehnikaid.
Muud omadused
Polümeeride koostis ja struktuur polümeeriteaduses on seotud sellega, kuidas hargnemine viib kõrvalekaldumiseni rangelt lineaarsest P-ahelast. Hargnemine võib toimuda juhuslikult või reaktsioonid võivad olla kavandatud sihtima spetsiifilisi arhitektuure. See on oluline mikrostruktuuriline tunnus. Polümeeri arhitektuur mõjutab paljusid selle füüsikalisi omadusi, sealhulgas lahuse ja sulandi viskoossust, lahustuvust erinevates koostistes, klaasistumistemperatuuri ja üksikute P-spiraalide suurust lahuses. See on oluline sisalduvate komponentide ja polümeeride struktuuri uurimiseks.
Hargnevus
Oksud võivad tekkida siis, kui polümeeri molekuli kasvav ots kinnitub kas (a) tagasi enda külge või (b) teise P-ahela külge, mis mõlemad võivad vesiniku väljatõmbamise kaudu luua keskosale kasvutsooni kett.
Hargnevus – keemiline ristsidumine –kovalentsete sidemete moodustumine ahelate vahel. Ristsidumine suurendab Tg-d ning suurendab tugevust ja sitkust. Seda protsessi kasutatakse muu hulgas kummide tugevdamiseks protsessis, mida nimetatakse vulkaniseerimiseks, mis põhineb väävli ristsidumisel. Näiteks autorehvidel on suur tugevus ja ristsidumine, et vähendada õhuleket ja suurendada nende vastupidavust. Kumm seevastu ei ole ristseotud, mis võimaldab kummil maha kooruda ja hoiab ära paberi kahjustamise. Puhta väävli polümerisatsioon kõrgematel temperatuuridel seletab ka seda, miks see sulas olekus kõrgematel temperatuuridel viskoossemaks muutub.
Grid
Tugev alt ristseotud polümeeri molekuli nimetatakse P-võrguks. Piisav alt kõrge ristsidemete ja ahelate suhe (C) võib viia nn lõpmatu võrgu või geeli moodustumiseni, milles iga selline haru on seotud vähem alt ühe teisega.
Elav polümerisatsiooni pideva arenguga muutub nende spetsiifilise arhitektuuriga ainete süntees lihtsamaks. Võimalikud on sellised arhitektuurid nagu täht, kamm, hari, dendronitud, dendrimeerid ja ringpolümeerid. Neid keeruka arhitektuuriga keemilisi ühendeid saab sünteesida kas spetsiaalselt valitud lähteühendite abil või esm alt lineaarsete ahelate sünteesimise teel, mis läbivad täiendavaid reaktsioone, et omavahel siduda. Sõlmelised P-d koosnevad paljudest molekulisisesest tsükliseerumisestlingid ühes P-ahelas (PC).
Hargnevus
Üldiselt, mida kõrgem on hargnemisaste, seda kompaktsem on polümeerahel. Need mõjutavad ka ahela takerdumist, võimet üksteisest mööda libiseda, mis omakorda mõjutab hulgi füüsikalisi omadusi. Pika ahelaga tüved võivad parandada polümeeri tugevust, sitkust ja klaasistumistemperatuuri (Tg) sidemete arvu suurenemise tõttu ühendis. Teisest küljest võib Z juhuslik ja lühike väärtus vähendada materjali tugevust, kuna ahelate võime omavahel suhelda või kristalliseeruda on rikutud, mis on tingitud polümeeri molekulide struktuurist.
Näite hargnemise mõjust füüsikalistele omadustele võib leida polüetüleenist. Kõrge tihedusega polüetüleen (HDPE) on väga madala hargnemisastmega, suhteliselt jäik ja seda kasutatakse näiteks kuulivestide valmistamisel. Teisest küljest on madala tihedusega polüetüleenil (LDPE) märkimisväärne hulk pikki ja lühikesi kiude, see on suhteliselt paindlik ja seda kasutatakse sellistes rakendustes nagu plastkile. Polümeeride keemiline struktuur soosib just selliseid rakendusi.
Dendrimers
Dendrimeerid on hargnenud polümeeri erijuhtum, kus iga monomeerne ühik on ühtlasi hargnemispunkt. See kipub vähendama molekulidevahelise ahela takerdumist ja kristalliseerumist. Seotud arhitektuur, dendriitpolümeer, ei ole täiuslikult hargnenud, kuid sellel on dendrimeeridega sarnased omadusednende kõrge hargnemisastme tõttu.
Polümerisatsiooni käigus tekkiv struktuurse keerukuse aste võib sõltuda kasutatavate monomeeride funktsionaalsusest. Näiteks stüreeni vabade radikaalide polümerisatsioonil põhjustab divinüülbenseeni lisamine, mille funktsionaalsus on 2, hargnenud P moodustumist.
Tehnilised polümeerid
Tehniseeritud polümeeride hulka kuuluvad looduslikud materjalid, nagu kumm, sünteetika, plast ja elastomeerid. Need on väga kasulikud toorained, kuna nende struktuure saab muuta ja kohandada materjalide tootmiseks:
- rea mehaaniliste omadustega;
- laias värvivalikus;
- erinevate läbipaistvusomadustega.
Polümeeride molekulaarstruktuur
Polümeer koosneb paljudest lihtsatest molekulidest, mis kordavad struktuuriüksusi, mida nimetatakse monomeerideks (M). Üks selle aine molekul võib koosneda sadadest kuni miljonitest M-st ja omada lineaarset, hargnenud või võrgustruktuuri. Kovalentsed sidemed hoiavad aatomeid koos ja sekundaarsed sidemed hoiavad polümeeriahelate rühmi koos, moodustades polümaterjali. Kopolümeerid on selle aine tüübid, mis koosnevad kahest või enamast erinevat tüüpi M.
Polümeer on orgaaniline materjal ja iga sellist tüüpi ainete aluseks on süsinikuaatomite ahel. Süsinikuaatomi väliskestas on neli elektroni. Kõik need valentselektronid võivad moodustada kovalentseside teise süsinikuaatomiga või võõraatomiga. Polümeeri struktuuri mõistmise võti on see, et kahel süsinikuaatomil võib olla kuni kolm ühist sidet ja need võivad siiski olla seotud teiste aatomitega. Selles keemilises ühendis kõige sagedamini esinevad elemendid ja nende valentsarvud on: H, F, Cl, Bf ja I 1 valentselektroniga; O ja S 2 valentselektroniga; n 3 valentselektroniga ning C ja Si 4 valentselektroniga.
Polüetüleeni näide
Molekulide võime moodustada pikki ahelaid on polümeeri valmistamisel ülioluline. Mõelge materjaliks polüetüleen, mis on valmistatud etaangaasist C2H6. Etaangaasil on ahelas kaks süsinikuaatomit ja mõlemal on kaks valentselektroni. Kui kaks etaanimolekuli on omavahel seotud, võib iga molekuli üks süsiniksidemetest katkeda ja kaks molekuli võivad olla ühendatud süsinik-süsinik sidemega. Pärast kahe meetri ühendamist jääb ahela mõlemasse otsa veel kaks vaba valentselektroni, et ühendada teisi arvestiid või P-ahelaid. Protsess suudab jätkata rohkemate arvestite ja polümeeride ühendamist, kuni see peatatakse teise kemikaali (terminaatori) lisamisega, mis täidab olemasoleva sideme molekuli mõlemas otsas. Seda nimetatakse lineaarseks polümeeriks ja see on termoplastsete ühendite ehitusplokk.
Polümeerahelat näidatakse sageli kahemõõtmelisena, kuid tuleb märkida, et neil on kolmemõõtmeline polümeerstruktuur. Iga lüli on 109° nurga alljärgmiseks ja seega jookseb süsiniku selgroog läbi ruumi nagu TinkerToysi keerdkett. Pinge rakendamisel need ahelad venivad ja pikenemine P võib olla tuhandeid kordi suurem kui kristalsetes struktuurides. Need on polümeeride struktuurilised omadused.
