Mnoho zajímá otázka, jakou strukturu mají polymery. Odpověď na ni bude uvedena v tomto článku. Vlastnosti polymeru (dále - P) se obecně dělí do několika tříd v závislosti na měřítku, ve kterém je vlastnost definována, a také na jejím fyzikálním základě. Nejzákladnější kvalitou těchto látek je identita jejich monomerů (M). Druhý soubor vlastností, známý jako mikrostruktura, v podstatě označuje uspořádání těchto Ms v P na stupnici jedné Z. Tyto základní strukturní charakteristiky hrají hlavní roli při určování objemových fyzikálních vlastností těchto látek, které ukazují, jak se P chová jako makroskopický materiál. Chemické vlastnosti v nanoměřítku popisují, jak řetězce interagují prostřednictvím různých fyzikálních sil. V makro měřítku ukazují, jak základní P interaguje s jinými chemikáliemi a rozpouštědly.
Identita
Identita opakujících se odkazů, které tvoří P, je jeho první anejdůležitější atribut. Názvosloví těchto látek je obvykle založeno na typu monomerních zbytků, které tvoří P. Polymery, které obsahují pouze jeden typ opakujících se jednotek, jsou známé jako homo-P. Současně jsou Ps obsahující dva nebo více typů opakujících se jednotek známé jako kopolymery. Terpolymery obsahují tři typy opakujících se jednotek.
Polystyren se například skládá pouze ze zbytků styrenu M a je proto klasifikován jako Homo-P. Ethylenvinylacetát na druhé straně obsahuje více než jeden typ opakujících se jednotek a jedná se tedy o kopolymer. Některé biologické P se skládají z mnoha různých, ale strukturně příbuzných monomerních zbytků; například polynukleotidy, jako je DNA, se skládají ze čtyř typů nukleotidových podjednotek.
Molekula polymeru obsahující ionizovatelné podjednotky je známá jako polyelektrolyt nebo ionomer.
Mikrostruktura
Mikrostruktura polymeru (někdy nazývaná konfigurace) souvisí s fyzikálním uspořádáním M zbytků podél hlavního řetězce. Jedná se o prvky struktury P, které ke změně vyžadují rozbití kovalentní vazby. Struktura má silný vliv na další vlastnosti P. Například dva vzorky přírodního kaučuku mohou vykazovat různou trvanlivost, i když jejich molekuly obsahují stejné monomery.
Struktura a vlastnosti polymerů
Tento bod je nesmírně důležité objasnit. Důležitým mikrostrukturním rysem polymerní struktury je její architektura a tvar, které souvisí s tím, jakodbočovací body vedou k odchylce od jednoduchého lineárního řetězce. Rozvětvená molekula této látky se skládá z hlavního řetězce s jedním nebo více postranními řetězci nebo substitučními větvemi. Typy rozvětvených P zahrnují hvězdicové P, hřebenové P, kartáčové P, dendronizované P, žebříkové P a dendrimery. Existují také dvourozměrné polymery, které se skládají z topologicky plochých opakujících se jednotek. K syntéze P-materiálu pomocí různých typů zařízení lze použít různé techniky, jako je živá polymerace.
Další vlastnosti
Složení a struktura polymerů ve vědě o polymerech souvisí s tím, jak větvení vede k odchylce od přísně lineárního P-řetězce. Větvení se může vyskytovat náhodně nebo mohou být reakce navrženy tak, aby cílily na specifické architektury. To je důležitý mikrostrukturální rys. Architektura polymeru ovlivňuje mnoho jeho fyzikálních vlastností, včetně viskozity roztoku a taveniny, rozpustnosti v různých složeních, teploty skelného přechodu a velikosti jednotlivých P-cívek v roztoku. To je důležité pro studium obsažených složek a struktury polymerů.
Pobočka
Větve se mohou vytvořit, když se rostoucí konec molekuly polymeru připojí buď (a) zpět k sobě, nebo (b) k jinému P-vláknu, přičemž oba mohou prostřednictvím stažení vodíku vytvořit růstovou zónu pro střed řetěz.
Větvící efekt – chemické zesíťování –tvorba kovalentních vazeb mezi řetězci. Zesítění má tendenci zvyšovat Tg a zvyšovat pevnost a houževnatost. Kromě jiného použití se tento proces používá ke zpevnění kaučuků v procesu známém jako vulkanizace, který se opírá o síťování sírou. Například pneumatiky pro automobily mají vysokou pevnost a zesíťování, aby se snížil únik vzduchu a zvýšila se jejich životnost. Guma naopak není zesíťovaná, což umožňuje odlepování gumy a zabraňuje poškození papíru. Polymerace čisté síry při vyšších teplotách také vysvětluje, proč se při vyšších teplotách v roztaveném stavu stává viskóznější.
Mřížka
Vysoce zesíťovaná molekula polymeru se nazývá P-síť. Dostatečně vysoký poměr zesítění k řetězci (C) může vést k vytvoření tzv. nekonečné sítě nebo gelu, ve kterém je každá taková větev spojena alespoň s jednou další.
S neustálým rozvojem živé polymerace je syntéza těchto látek se specifickou architekturou stále snazší. Jsou možné architektury jako hvězdicové, hřebenové, kartáčové, dendronizované, dendrimery a prstencové polymery. Tyto chemické sloučeniny s komplexní architekturou mohou být syntetizovány buď pomocí speciálně vybraných výchozích sloučenin, nebo nejprve syntézou lineárních řetězců, které podléhají dalším reakcím, aby se navzájem spojily. Uzlové P sestávají z mnoha intramolekulárních cyklizacíodkazy v jednom P-řetězci (PC).
Pobočka
Obecně platí, že čím vyšší je stupeň větvení, tím kompaktnější je polymerní řetězec. Ovlivňují také zapletení řetězu, schopnost klouzat kolem sebe, což zase ovlivňuje objemové fyzikální vlastnosti. Deformace s dlouhým řetězcem mohou zlepšit pevnost polymeru, houževnatost a teplotu skelného přechodu (Tg) v důsledku zvýšení počtu vazeb ve sloučenině. Na druhou stranu náhodná a krátká hodnota Z může snížit pevnost materiálu v důsledku narušení schopnosti řetězců vzájemně interagovat nebo krystalizovat, což je způsobeno strukturou molekul polymeru.
Příklad vlivu větvení na fyzikální vlastnosti lze nalézt v polyethylenu. Vysokohustotní polyethylen (HDPE) má velmi nízký stupeň rozvětvení, je poměrně tuhý a používá se při výrobě například neprůstřelných vest. Na druhé straně polyethylen s nízkou hustotou (LDPE) má značné množství dlouhých a krátkých vláken, je relativně flexibilní a používá se v aplikacích, jako jsou plastové fólie. Chemická struktura polymerů upřednostňuje právě takové aplikace.
Dendrimers
Dendrimery jsou speciálním případem rozvětveného polymeru, kde každá monomerní jednotka je také bodem rozvětvení. To má tendenci snižovat zapletení a krystalizaci mezimolekulárních řetězců. Příbuzná architektura, dendritický polymer, není dokonale rozvětvený, ale má podobné vlastnosti jako dendrimerykvůli jejich vysokému stupni větvení.
Stupeň strukturní složitosti, ke kterému dochází během polymerace, může záviset na funkčnosti použitých monomerů. Například při radikálové polymeraci styrenu povede přidání divinylbenzenu, který má funkcionalitu 2, k vytvoření rozvětveného P.
Inženýrské polymery
Inženýrské polymery zahrnují přírodní materiály, jako je pryž, syntetika, plasty a elastomery. Jsou to velmi užitečné suroviny, protože jejich struktury lze měnit a přizpůsobovat k výrobě materiálů:
- s řadou mechanických vlastností;
- v široké škále barev;
- s různými vlastnostmi průhlednosti.
Molekulární struktura polymerů
Polymer se skládá z mnoha jednoduchých molekul, které opakují strukturní jednotky zvané monomery (M). Jedna molekula této látky se může skládat ze stovek až milionů M a mít lineární, rozvětvenou nebo síťovou strukturu. Kovalentní vazby drží atomy pohromadě a sekundární vazby pak drží skupiny polymerních řetězců pohromadě za vzniku polymateriálu. Kopolymery jsou typy této látky, které se skládají ze dvou nebo více různých typů M.
Polymer je organický materiál a základem každého takového typu látky je řetězec atomů uhlíku. Atom uhlíku má ve vnějším obalu čtyři elektrony. Každý z těchto valenčních elektronů může tvořit kovalentvazba s jiným atomem uhlíku nebo s cizím atomem. Klíčem k pochopení struktury polymeru je, že dva atomy uhlíku mohou mít až tři společné vazby a stále se vážou s jinými atomy. Prvky nejběžněji se vyskytující v této chemické sloučenině a jejich valenční čísla jsou: H, F, Cl, Bf a I s 1 valenčním elektronem; O a S se 2 valenčními elektrony; n se 3 valenčními elektrony a C a Si se 4 valenčními elektrony.
Příklad polyethylenu
Schopnost molekul tvořit dlouhé řetězce je zásadní pro výrobu polymeru. Uvažujme materiál polyethylen, který je vyroben z plynu etanu, C2H6. Ethanový plyn má dva atomy uhlíku v řetězci a každý má dva valenční elektrony s druhým. Pokud jsou dvě molekuly ethanu spojeny dohromady, jedna z uhlíkových vazeb v každé molekule může být přerušena a dvě molekuly mohou být spojeny vazbou uhlík-uhlík. Po připojení dvou měřičů zůstanou na každém konci řetězce další dva volné valenční elektrony, aby se spojily další měřiče nebo P-vlákna. Proces je schopen pokračovat ve spojování více metrů a polymerů dohromady, dokud není zastaven přidáním další chemikálie (terminátoru), která vyplní dostupnou vazbu na každém konci molekuly. Toto se nazývá lineární polymer a je stavebním kamenem pro termoplastické sloučeniny.
Polymerový řetězec je často zobrazen ve dvou rozměrech, ale je třeba poznamenat, že mají trojrozměrnou polymerní strukturu. Každý článek je pod úhlem 109° kdalší, a proto uhlíková páteř prochází prostorem jako zkroucený řetěz TinkerToys. Při použití napětí se tyto řetězce natahují a prodloužení P může být tisíckrát větší než u krystalických struktur. Toto jsou strukturální rysy polymerů.
