Львів
C
» » Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Багатьох цікавить питання, яке будова у полімерів. Відповідь на нього буде дано в цій статті. Властивості полімеру (далі - П) в цілому поділяються на кілька класів у залежності від масштабу, в якому визначається властивість, а також від його фізичної основи. Самим основним якістю цих речовин є ідентичність складових його мономерів (М). Другий набір властивостей, відомий як мікроструктура, по суті позначає розташування цих М у П у масштабі однієї Ц. Ці основні структурні характеристики відіграють головну роль у визначенні об'ємних фізичних властивостей цих речовин, які показують, як П веде себе як макроскопічного матеріалу. Хімічні властивості в наномасштабі описують, як ланцюга взаємодіють через різні фізичні сили. У макромасштабе вони показують, як основної П взаємодіє з іншими хімічними речовинами та розчинниками.


Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Ідентичність

Ідентичність повторюваних ланок, складових П, є його першим і найбільш важливим атрибутом. Номенклатура цих речовин зазвичай базується на типі мономерних залишків, складових П. Полімери, які містять лише один тип повторюваних ланок, відомі як гомо-П. В той же час П, що містять два або більше типів повторюваних ланок, відомі як сополімери. Терполимеры містять три типи повторюваних ланок. Полістирол, наприклад, складається тільки із залишків стирольного М і тому класифікується як гомо-П. Етиленвінілацетат, з іншого боку, містить більше одного виду повторюваних ланок і, таким чином, є сополімером. Деякі біологічні П складаються з безлічі різних, але структурно пов'язаних мономерних залишків; наприклад, полінуклеотиди, такі як ДНК, що складаються з чотирьох типів нуклеотидних субодиниць.


Полімерна молекула, що містить ионизируемые субодиниці, відома як поліелектроліт або іономір.
Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Мікроструктура

Мікроструктура полімеру (іноді звана конфігурацією) пов'язана з фізичним розташуванням залишків М вздовж основного ланцюга. Це елементи структури П, які вимагають розриву ковалентного зв'язку, щоб змінитися. Будова надає сильний вплив на інші властивості П. Наприклад, два зразка натурального каучуку можуть демонструвати різну довговічність, навіть якщо їх молекули містять однакові мономери.

Будова і властивості полімерів

Цей момент надзвичайно важливо прояснити. Важливою микроструктурной 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 однією або декількома бічними ланцюгами або відгалуженнями заступника. Типи розгалужених П включають зіркоподібні, гребінчасті П, щіткові П, дендронизированные, сходові і дендримери. Існують також двовимірні полімери, які складаються з топологічно плоских повторюваних ланок. Різноманітні методики можуть бути використані для синтезу П-матеріалу з різними типами пристрої, наприклад, живий полімеризацією.
Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Інші якості

Склад і будова полімерів в науці про них пов'язане з тим, як розгалуження веде до відхилення від строго лінійною П-ланцюга. Розгалуження може відбуватися випадковим чином, або реакції можуть бути спроектовані таким чином, щоб націлюватися на конкретні архітектури. Це важлива микроструктурная особливість. Архітектура полімеру впливає на його фізичні властивості, включаючи в'язкість розчину, розплаву, розчинність у різних складах, температуру склування і розмір окремих П-котушок в розчині. Це важливо для вивчення містяться компонентів і будови полімерів.
Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

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 відведення 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 в процесі, відомому як вулканізація, який заснований на зшиванні сіркою. Автомобільні шини, наприклад, володіють високою міцністю і ступенем зшивання, щоб зменшити витік повітря і збільшити їх довговічність. Гумка, з іншого боку, не зшита, що допускає відшарування гуми і запобігає пошкодження паперу. Полімеризація чистої сірки при більш високих температурах також пояснює, чому вона стає більш в'язкою при підвищених температурах у розплавленому стані.

Сітка

Полімерна молекула з високим ступенем зшивання називається П-сіткою. Досить високе відношення зшивання до ланцюга (Ц) може призвести до утворення так званої нескінченної мережі або гелю, в якій кожна така гілка пов'язана щонайменше з однієї іншої.
Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості
З безперервним розвитком живої полімеризації синтез цих речовин з певною архітектурою стає все більш легким. Можливі такі архітектури, як зіркоподібні, гребінчасті, щіткові, дендронизированные, дендримери і 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 реакцій для з'єднання один з одним. Зав'язані П складаються з безлічі внутрішньомолекулярних циклизационных ланок в одній П-ланцюга (ПЦ).

Розгалуження

У 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) з-за збільшення числа зв'язків у з'єднанні. З іншого боку, випадкова і коротка величина Ц може знизити міцність матеріалу за порушення здібності 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 низьку ступінь розгалуження, є відносно жорстким і використовується у виробництві, наприклад, бронежилетів. З іншого боку, поліетилен низької щільності (ПЕНЩ) 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 застосування.
Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості

Дендримери

Дендримери являють собою особливий випадок розгалуженого полімеру, де кожна мономерна одиниця також є точкою розгалуження. Це має тенденцію зменшувати переплетення міжмолекулярних ланцюгів і кристалізацію. Споріднена архітектура, із дендритних полімер, не є ідеально розгалуженим, але володіє подібними властивостями з дендримерами з-за їх високої ступеня розгалуженості. Ступінь складності формування структури, яка відбувається під час полімеризації, може залежати від функціональності використовуються мономерів. Наприклад, при вільнорадикальної полімеризації стиролу додавання дивінілбензолу, який має функціональність 2 призведе до утворення розгалуженої П.

Інженерні полімери

Інженерні полімери включають природні матеріали, такі як гума, синтетичні матеріали, пластмаси та еластомери. Вони є дуже корисним сировиною, тому що їх структури можуть бути змінені та адаптовані для виробництва матеріалів:
  • з діапазоном механічних властивостей;
  • в широкому спектрі кольорів;
  • з різними властивостями прозорості.
  • Молекулярне будова полімерів

    Полімер складається з безлічі простих молекул, які повторюють структурні одиниці, які називаються мономерами (М). Одна молекула цієї речовини може складатися із кількості від сотень до мільйона М і мати лінійну, розгалужену або сітчасту структуру. Ковалентні зв'язки утримують атоми разом, а вторинні зв'язку потім утримують групи полімерних ланцюгів разом, утворюючи полиматериал. Сополімери являють собою типи цієї речовини, що складаються з двох або більше різних типів М.
    Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості
    Полімер – це органічний матеріал, а основа будь-якого такого типу речовини – ланцюг атомів вуглецю. Атом вуглецю має чотири електрона в зовнішній оболонці. Кожен з цих валентних електронів може утворювати ковалентную зв'язок з іншим атомом вуглецю або з чужорідним атомом. Ключем до розуміння будови полімеру є те, що два атоми вуглецю можуть мати до трьох загальних зв'язків і все ще зв'язуватися з іншими атомами. Елементи, що найбільш часто зустрічаються в цьому хімічному з'єднанні, і 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 та 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. Етан-газ має два атоми вуглецю в ланцюзі, і кожен з них має два валентних електрона з іншим. Якщо дві молекули етану з'єднані разом, одна з вуглецевих зв'язків в кожній молекулі може бути розірваний, і дві молекули можуть бути з'єднані вуглець-вуглецевим зв'язком. Після того, як два метри з'єднані, на кожному кінці ланцюга залишаються ще два вільних валентних електрона для з'єднання інших метеров або П-ланцюгів. Процес здатний продовжувати з'єднувати більше метеров і полімерів разом до тих пір, поки він не буде зупинений додаванням іншої хімічної речовини (термінатора), який заповнює доступну зв'язок на кожному кінці молекули. Це називається лінійним полімером і є будівельним блоком для термопластичних видів з'єднання.
    Будова полімерів: склад, основні властивості, особливості
    Полімерна ланцюг часто показана у двох вимірах, але слід зазначити, що вони мають тривимірне будова полімерів. Кожна зв'язок знаходиться під кутом 109° до наступної, і, отже, вуглецевий остов проходить через простір, як вита ланцюг TinkerToys. При додатку напруги ці ланцюги розтягуються, і подовження П може бути у тисячі разів більше, ніж у кристалічних структурах. Такі особливості будови полімерів.