Мнозина се интересуват от въпроса каква структура имат полимерите. Отговорът на него ще бъде даден в тази статия. Свойствата на полимера (по-нататък - P) обикновено се разделят на няколко класа в зависимост от мащаба, в който е определено свойството, както и от неговата физическа основа. Най-основното качество на тези вещества е идентичността на съставните им мономери (М). Вторият набор от свойства, известен като микроструктура, по същество обозначава подреждането на тези Ms в P в скала от една Z. Тези основни структурни характеристики играят основна роля при определянето на обемните физични свойства на тези вещества, които показват как P се държи като макроскопичен материал. Химичните свойства на наномащаба описват как веригите взаимодействат чрез различни физически сили. В макро мащаб те показват как основният P взаимодейства с други химикали и разтворители.
Идентичност
Идентичността на повтарящите се връзки, които съставляват P, е първата инай-важният атрибут. Номенклатурата на тези вещества обикновено се основава на вида на мономерните остатъци, които изграждат P. Полимерите, които съдържат само един тип повтаряща се единица, са известни като хомо-P. В същото време Ps, съдържащи два или повече типа повтарящи се единици, са известни като кополимери. Терполимерите съдържат три вида повтарящи се единици.
Полистиролът, например, се състои само от остатъци от стирен М и следователно е класифициран като Homo-P. Етиленвинилацетатът, от друга страна, съдържа повече от един тип повтаряща се единица и по този начин е съполимер. Някои биологични Ps са съставени от много различни, но структурно свързани мономерни остатъци; например, полинуклеотиди като ДНК са изградени от четири типа нуклеотидни субединици.
Полимерна молекула, съдържаща йонизиращи се субединици, е известна като полиелектролит или йономер.
Микроструктура
Микроструктурата на полимера (наричана понякога конфигурация) е свързана с физическото подреждане на M остатъци по протежение на основната верига. Това са елементи от P структурата, които изискват разкъсване на ковалентна връзка, за да се променят. Структурата оказва силно влияние върху други свойства на P. Например, две проби от естествен каучук могат да покажат различна издръжливост, дори ако техните молекули съдържат едни и същи мономери.
Структура и свойства на полимерите
Този момент е изключително важен за изясняване. Важна микроструктурна особеност на полимерната структура е нейната архитектура и форма, които са свързани с това какточките на разклонение водят до отклонение от обикновена линейна верига. Разклонената молекула на това вещество се състои от главна верига с една или повече странични вериги или заместващи разклонения. Типовете разклонени Ps включват звезда Ps, гребен Ps, четка Ps, дендронизиран Ps, стълба Ps и дендримери. Съществуват и двуизмерни полимери, които се състоят от топологично плоски повтарящи се единици. Могат да се използват различни техники за синтезиране на P-материал с различни типове устройства, като жива полимеризация.
Други качества
Съставът и структурата на полимерите в науката за полимерите са свързани с това как разклоняването води до отклонение от строго линейна P-верига. Разклоняването може да се случи на случаен принцип или реакциите могат да бъдат проектирани за насочване към специфични архитектури. Това е важна микроструктурна характеристика. Архитектурата на полимера влияе върху много от неговите физически свойства, включително вискозитет на разтвора и стопилката, разтворимост в различни състави, температура на встъкляване и размер на отделните P-намотки в разтвор. Това е важно за изучаване на съдържащите се компоненти и структурата на полимерите.
Разклоняване
Разклонения могат да се образуват, когато растящият край на полимерна молекула се прикрепи или (а) обратно към себе си, или (b) към друга P-верига, като и двете, чрез изтегляне на водород, могат да създадат зона на растеж за средата верига.
Ефект на разклоняване - химическо омрежване -образуване на ковалентни връзки между веригите. Омрежването има тенденция да увеличава Tg и да увеличава здравината и издръжливостта. Наред с други приложения, този процес се използва за укрепване на каучуците в процес, известен като вулканизация, който разчита на омрежване на сяра. Автомобилните гуми, например, имат висока якост и кръстосано свързване, за да намалят изтичането на въздух и да увеличат тяхната издръжливост. Каучукът, от друга страна, не е омрежен, което позволява на гумата да се отлепи и предотвратява увреждането на хартията. Полимеризацията на чистата сяра при по-високи температури също обяснява защо тя става по-вискозна при по-високи температури в стопено състояние.
Решетка
Силно омрежена полимерна молекула се нарича P-мрежа. Достатъчно високо съотношение на кръстосано свързване към верига (C) може да доведе до образуването на така наречената безкрайна мрежа или гел, в който всеки такъв клон е свързан с поне един друг.
С непрекъснатото развитие на жива полимеризация, синтезът на тези вещества със специфична архитектура става все по-лесен. Възможни са архитектури като звезда, гребен, четка, дендронизирани, дендримери и пръстеновидни полимери. Тези химични съединения със сложна архитектура могат да бъдат синтезирани или като се използват специално подбрани изходни съединения, или първо чрез синтезиране на линейни вериги, които претърпяват допълнителни реакции за свързване помежду си. Възлите Ps се състоят от много вътрешномолекулни циклизациивръзки в една P-верига (PC).
Разклоняване
Общо взето, колкото по-висока е степента на разклоняване, толкова по-компактна е полимерната верига. Те също така влияят на заплитането на веригата, способността да се плъзгат един през друг, което от своя страна се отразява на физическите свойства на обема. Дълговерижните щамове могат да подобрят здравината на полимера, издръжливостта и температурата на встъкляване (Tg) поради увеличаване на броя на връзките в съединението. От друга страна, произволна и къса стойност на Z може да намали здравината на материала поради нарушаване на способността на веригите да взаимодействат една с друга или да кристализират, което се дължи на структурата на полимерните молекули.
Пример за ефекта на разклоняването върху физическите свойства може да се намери в полиетилена. Полиетиленът с висока плътност (HDPE) има много ниска степен на разклоняване, сравнително твърд е и се използва при производството, например, на бронежилетки. От друга страна, полиетиленът с ниска плътност (LDPE) има значително количество дълги и къси нишки, относително е гъвкав и се използва в приложения като пластмасови филми. Химическата структура на полимерите благоприятства точно такива приложения.
Dendrimers
Дендримерите са специален случай на разклонен полимер, където всяка мономерна единица също е точка на разклонение. Това води до намаляване на междумолекулното заплитане и кристализация. Сродната архитектура, дендритният полимер, не е идеално разклонена, но има подобни свойства на дендримеритепоради високата им степен на разклоняване.
Степента на структурна сложност, която възниква по време на полимеризацията, може да зависи от функционалността на използваните мономери. Например, при свободната радикална полимеризация на стирол, добавянето на дивинилбензен, който има функционалност 2, ще доведе до образуването на разклонен P.
Инженерни полимери
Инженерните полимери включват естествени материали като гума, синтетика, пластмаси и еластомери. Те са много полезни суровини, защото техните структури могат да бъдат променяни и адаптирани за производство на материали:
- с набор от механични свойства;
- в широка гама от цветове;
- с различни свойства на прозрачност.
Молекулна структура на полимерите
Полимерът се състои от много прости молекули, които повтарят структурни единици, наречени мономери (М). Една молекула от това вещество може да се състои от стотици до милиони М и да има линейна, разклонена или мрежова структура. Ковалентните връзки държат атомите заедно, а вторичните връзки след това държат групите от полимерни вериги заедно, за да образуват полиматериала. Съполимерите са видове на това вещество, състоящи се от два или повече различни вида M.
Полимерът е органичен материал и основата на всеки такъв тип вещество е верига от въглеродни атоми. Въглеродният атом има четири електрона във външната си обвивка. Всеки от тези валентни електрони може да образува ковалентвръзка с друг въглероден атом или с чужд атом. Ключът към разбирането на структурата на полимера е, че два въглеродни атома могат да имат до три общи връзки и все още да се свързват с други атоми. Най-често срещаните елементи в това химично съединение и техните валентни числа са: 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.
Пример за полиетилен
Способността на молекулите да образуват дълги вериги е жизненоважна за производството на полимер. Помислете за материала полиетилен, който е направен от газ етан, C2H6. Газът етан има два въглеродни атома във веригата и всеки има два валентни електрона с другия. Ако две молекули на етан са свързани заедно, една от въглеродните връзки във всяка молекула може да бъде разкъсана и двете молекули могат да бъдат свързани чрез връзка въглерод-въглерод. След като два метра са свързани, още два свободни валентни електрона остават във всеки край на веригата, за да свържат други измервателни уреди или P-вериги. Процесът може да продължи да свързва повече измервателни уреди и полимери заедно, докато не бъде спрян чрез добавяне на друг химикал (терминатор), който запълва наличната връзка във всеки край на молекулата. Това се нарича линеен полимер и е градивният елемент за термопластичните съединения.
Полимерната верига често се показва в две измерения, но трябва да се отбележи, че те имат триизмерна полимерна структура. Всяка връзка е под ъгъл от 109° спрямоследващ и следователно въглеродният гръбнак минава през пространството като усукана верига от TinkerToys. Когато се приложи напрежение, тези вериги се разтягат и удължението P може да бъде хиляди пъти по-голямо, отколкото в кристалните структури. Това са структурните характеристики на полимерите.
