Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Багатьох цікавить питання, яка будова у полімерів. Відповідь на нього буде дана в цій статті. Властивості полімеру (далі - П) в цілому діляться на кілька класів в залежності від масштабу, в якому визначається властивість, а також від його фізичної основи. Найголовнішим якістю цих речовин є ідентичність складових його мономерів (М). Другий набір властивостей, відомий як мікроструктура, по суті позначає розташування цих М в П в масштабі однієї Ц. Ці основні структурні характеристики грають головну роль у визначенні об`ємних фізичних властивостей цих речовин, які показують, як П поводиться як макроскопічний матеріал. Хімічні властивості в наномасштабі описують, як ланцюги взаємодіють через різні фізичні сили. У макромасштабі вони показують, як основний П взаємодіє з іншими хімічними речовинами та розчинниками.

Ідентичність

Ідентичність повторюваних одиниць, що складають N, є його першим і найважливішим атрибутом. Номенклатура цих речовин, як правило, базується на типі мономерних залишків, що складають П. Полімери, які містять лише один тип повторюваних одиниць, відомі як гомо-П. У той же час П, що містять два або більше типів повторюваних одиниць, відомі як сополімери. Терполімери містять три типи повторюваних одиниць.

Полістирол, наприклад, складається лише із залишків стиролу М і тому класифікується як гомо-П. Етиленвінілацетат, з іншого боку, містить більше одного виду повторюваних одиниць і, таким чином, є сополімером. Деякі біологічні N складаються з багатьох різних, але структурно пов`язаних мономерних залишків; наприклад, полінуклеотиди, такі як ДНК, складаються з чотирьох типів нуклеотидних субодиниць.

Полімерна молекула, що містить іонізовані субодиниці, відома як поліелектроліт або іономер.

Мікроструктура

Мікроструктура полімеру (іноді її називають конфігурацією) пов`язана з фізичним розташуванням залишків М уздовж основи. Це елементи структури П, які вимагають розриву ковалентного зв`язку, щоб змінитися. Будова робить сильний вплив на інші властивості П. Наприклад, два зразки натурального каучуку можуть демонструвати різну довговічність, навіть якщо їх молекули містять однакові мономери.

Будова і властивості полімерів

Цей момент надзвичайно важливо прояснити. Важливою мікроструктурної особливістю будови полімеру є його архітектура і форма, які пов`язані з тим, як точки розгалуження призводять до відхилення від простої лінійної ланцюга. Розгалужена молекула цієї речовини складається з основного ланцюга з одним або кількома бічними ланцюгами або гілками заступника. Типи розгалужених П включають зіркоподібні, гребінчасті П, щіткові П, дендронізовані, сходові і Дендримери. Існують також двовимірні полімери, які складаються з топологічно плоских повторюваних одиниць. Різноманітні методики можуть бути використані для синтезу П-матеріалу з різними типами пристрою, наприклад, живою полімеризацією.

Інші якості

Склад і будова полімерів в науці про них пов`язано з тим, як розгалуження веде до відхилення від строго лінійної П-ланцюга. Розгалуження може відбуватися випадковим чином, або реакції можуть бути розроблені для націлювання на конкретні архітектури. Це важлива мікроструктурна особливість. Архітектура полімеру впливає на багато його фізичні властивості, включаючи в`язкість розчину, розплаву, розчинність в різних складах, температуру склування і розмір окремих П-котушок в розчині. Це важливо для вивчення містяться компонентів і будови полімерів.

Розгалуження

Гілки можуть утворюватися, коли зростаючий кінець молекули полімеру закріплюється або (а) назад на себе, або (б) на іншу П-ланцюг, і те й інше, завдяки відведенню водню, здатне створити зону росту середньої ланцюга.

Ефект, пов`язаний з розгалуженням-хімічне зшивання-утворення ковалентних зв`язків між ланцюгами. Зшивання має тенденцію збільшувати Tg і підвищувати міцність і ударну в`язкість. Серед інших застосувань цей процес використовується для зміцнення каучуків у процесі, відомому як Вулканізація, який заснований на зшиванні сірки. Автомобільні шини, наприклад, мають високу міцність і ступінь зшивання, щоб зменшити витік повітря і збільшити їх довговічність. Гумка, з іншого боку, не зшита, що дозволяє відшаровувати гуму і запобігає пошкодженню паперу. Полімеризація чистої сірки при більш високих температурах також пояснює, чому вона стає більш в`язкою при підвищених температурах в розплавленому стані.

Сітка

Полімерна молекула з високим ступенем зшивання називається П-сіткою. Досить високе відношення зшивання до ланцюга (Ц) може привести до утворення так званої нескінченної мережі або гелю, в якій кожна така гілка пов`язана щонайменше з однією іншою.

З безперервним розвитком живої полімеризації синтез цих речовин з певною архітектурою стає все більш легким. Можливі такі архітектури, як зіркоподібні, гребінчасті, щіткові, дендронізовані, Дендримери та кільцеві полімери. Ці хімічні сполуки зі складною архітектурою можуть бути синтезовані або з використанням спеціально підібраних вихідних сполук, або спочатку шляхом синтезу лінійних ланцюгів, які піддаються подальшим реакціям для з`єднання один з одним. Зав`язані П складаються з безлічі внутрішньомолекулярних циклізаційних ланок в одній П-ланцюга (ПЦ).

Розгалуження

В цілому, чим вище ступінь розгалуження, тим більш компактна полімерна ланцюг. Вони також впливає на заплутування ланцюга, здатність ковзати повз один одного, що, в свою чергу, зачіпає об`ємні фізичні властивості. Довголанцюгові деформації можуть поліпшити міцність полімеру, ударну в`язкість і температуру склування (Tg) через збільшення числа зв`язків в з`єднанні. З іншого боку, випадкова і коротка величина Ц може знизити міцність матеріалу через порушення здатності ланцюгів взаємодіяти один з одним або кристалізуватися, що обумовлено будовою молекул полімерів.

Приклад впливу розгалуження на фізичні властивості можна знайти в поліетилені. Поліетилен високої щільності (HDPE) має дуже низький ступінь розгалуження, є відносно жорстким і використовується у виробництві, наприклад, бронежилетів. З іншого боку, поліетилен низької щільності (LDPE) має значну кількість довгих і коротких гілок, є відносно гнучким і використовується в таких областях, як пластикові плівки. Хімічна будова полімерів сприяє саме такому їх застосуванню.

Дендримери

Дендримери представляють особливий випадок розгалуженого полімеру, де кожна мономерна одиниця також є точкою розгалуження. Це має тенденцію зменшувати переплетення міжмолекулярних ланцюгів і кристалізацію. Споріднена Архітектура, дендритний полімер, не є ідеально розгалуженим, але має подібні властивості з дендримерами через їх високий ступінь розгалуженості.

Ступінь формування складності структури, яка відбувається під час полімеризації, може залежати від функціональності використовуваних мономерів. Наприклад, при вільнорадикальній полімеризації стиролу додавання дивінілбензолу, який має функціональність 2, призведе до утворення розгалуженого П.

Інженерні полімери

Інженерні полімери включають природні матеріали, такі як гума, синтетичні матеріали, пластмаси та еластомери. Вони є дуже корисною сировиною, оскільки їх структури можуть бути змінені та адаптовані для виробництва матеріалів:

• з діапазоном механічних властивостей;
• в широкому спектрі кольорів;
• з різними властивостями прозорості.

Молекулярна будова полімерів

Полімер складається з безлічі простих молекул, які повторюють структурні одиниці, які називаються мономерами (М). Одна молекула цієї речовини може складатися з кількості від сотень до мільйона М і мати лінійну, розгалужену або сітчасту структуру. Ковалентні зв`язки утримують атоми разом, а вторинні зв`язки потім утримують групи полімерних ланцюгів разом, утворюючи поліматеріал. Сополімери-це типи цієї речовини, що складаються з двох або більше різних типів М.

ПОЛІМЕР-це органічний матеріал, а основа будь-якого такого типу речовини-ланцюг атомів вуглецю. Атом вуглецю має чотири електрони у зовнішній оболонці. Кожен з цих валентних електронів може утворювати ковалентний зв`язок з іншим атомом вуглецю або з чужорідним атомом. Ключ до розуміння структури полімеру полягає в тому, що два атоми вуглецю можуть мати до трьох спільних зв`язків і все ще зв`язуватися з іншими атомами. Елементи, які найчастіше зустрічаються в цій хімічній сполуці, та їх валентні числа: H, F, Cl, Bf і I з 1 валентним електроном; O і S з 2 валентними електронами; n з 3 валентними електронами і C і Si з 4 валентними електронами.

Приклад поліетилену

Здатність молекул утворювати довгі ланцюги життєво важлива для отримання полімеру. Розглянемо матеріал поліетилен, який зроблений з газоподібного етану, C2H6. Етановий газ має два атоми вуглецю в ланцюзі, і кожен з них має два валентні електрони з іншим. Якщо дві молекули етану з`єднані між собою, одна з вуглецевих зв`язків у кожній молекулі може бути розірвана, а дві молекули можуть бути з`єднані вуглецево-вуглецевим зв`язком. Після того, як два метри з`єднані, на кожному кінці ланцюга залишаються ще два вільних валентних електрона для з`єднання інших метерів або П-ланцюгів. Процес здатний продовжувати з`єднувати більше метерів і полімерів разом, поки він не буде зупинений додаванням іншої хімічної речовини (Термінатора), яка заповнює доступний зв`язок на кожному кінці молекули. Це називається лінійним полімером і є будівельним блоком для термопластичних видів з`єднання.

Полімерний ланцюг часто показаний у двох вимірах, але слід зазначити, що вони мають тривимірну структуру полімерів. Кожен зв`язок знаходиться під кутом 109° до наступного, і, отже, вуглецевий остов проходить через простір, як кручений ланцюг TinkerToys. При застосуванні напруги ці ланцюги розтягуються, і подовження П може бути в тисячі разів більше, ніж у кристалічних структурах. Такі особливості будови полімерів.