Строение полимеров: состав соединений, свойства

Многих интересует вопрос, какое строение у полимеров. Ответ на него будет дан в этой статье. Свойства полимера (далее - П) в целом делятся на несколько классов в зависимости от масштаба, в котором определяется свойство, а также от его физической основы. Самым основным качеством этих веществ является идентичность составляющих его мономеров (М). Второй набор свойств, известный как микроструктура, по существу обозначает расположение этих М в П в масштабе одной Ц. Эти основные структурные характеристики играют главную роль в определении объемных физических свойств этих веществ, которые показывают, как П ведет себя в качестве макроскопического материала. Химические свойства в наномасштабе описывают, как цепи взаимодействуют через различные физические силы. В макромасштабе они показывают, как основной П взаимодействует с другими химическими веществами и растворителями.

Идентичность

Идентичность повторяющихся звеньев, составляющих П, является его первым и наиболее важным атрибутом. Номенклатура этих веществ обычно основана на типе мономерных остатков, составляющих П. Полимеры, которые содержат только один тип повторяющихся звеньев, известны как гомо-П. В то же время П, содержащие два или более типов повторяющихся звеньев, известны как сополимеры. Терполимеры содержат три типа повторяющихся звеньев.

Полистирол, например, состоит только из остатков стирольного М и поэтому классифицируется как гомо-П. Этиленвинилацетат, с другой стороны, содержит более одного вида повторяющихся звеньев и, таким образом, является сополимером. Некоторые биологические П состоят из множества различных, но структурно связанных мономерных остатков; например, полинуклеотиды, такие как ДНК, состоят из четырех типов нуклеотидных субъединиц.

Полимерная молекула, содержащая ионизируемые субъединицы, известна как полиэлектролит или иономер.

Микроструктура

Микроструктура полимера (иногда называемая конфигурацией) связана с физическим расположением остатков М вдоль основной цепи. Это элементы структуры П, которые требуют разрыва ковалентной связи, чтобы измениться. Строение оказывает сильное влияние на другие свойства П. Например, два образца натурального каучука могут демонстрировать различную долговечность, даже если их молекулы содержат одинаковые мономеры.

Строение и свойства полимеров

Этот момент чрезвычайно важно прояснить. Важной микроструктурной особенностью строения полимера является его архитектура и форма, которые связаны с тем, как точки ветвления приводят к отклонению от простой линейной цепи. Разветвленная молекула этого вещества состоит из основной цепи с одной или несколькими боковыми цепями или ответвлениями заместителя. Типы разветвленных П включают звездообразные, гребенчатые П, щеточные П, дендронизированные, лестничные и дендримеры. Существуют также двумерные полимеры, которые состоят из топологически плоских повторяющихся звеньев. Разнообразные методики могут быть использованы для синтеза П-материала с различными типами устройства, например, живой полимеризацией.

Другие качества

Состав и строение полимеров в науке о них связано с тем, как разветвление ведет к отклонению от строго линейной П-цепи. Ветвление может происходить случайным образом, или реакции могут быть спроектированы таким образом, чтобы нацеливаться на конкретные архитектуры. Это важная микроструктурная особенность. Архитектура полимера влияет на многие его физические свойства, включая вязкость раствора, расплава, растворимость в различных составах, температуру стеклования и размер отдельных П-катушек в растворе. Это важно для изучения содержащихся компонентов и строения полимеров.

Ветвление

Ветви могут образовываться, когда растущий конец молекулы полимера закрепляется либо (а) обратно на себя, либо (б) на другую П-цепь, и то и другое, благодаря отводу водорода, способно создать зону роста средней цепи.

Эффект, связанный с разветвлением - химическое сшивание - образование ковалентных связей между цепями. Сшивание имеет тенденцию увеличивать Tg и повышать прочность и ударную вязкость. Среди других применений этот процесс используется для укрепления каучуков в процессе, известном как вулканизация, который основан на сшивании серой. Автомобильные шины, например, обладают высокой прочностью и степенью сшивания, чтобы уменьшить утечку воздуха и увеличить их долговечность. Резинка, с другой стороны, не сшита, что допускает отслаивание резины и предотвращает повреждение бумаги. Полимеризация чистой серы при более высоких температурах также объясняет, почему она становится более вязкой при повышенных температурах в расплавленном состоянии.

Сетка

Полимерная молекула с высокой степенью сшивки называется П-сеткой. Достаточно высокое отношение сшивки к цепи (Ц) может привести к образованию так называемой бесконечной сети или геля, в которой каждая такая ветвь связана по меньшей мере с одной другой.

С непрерывным развитием живой полимеризации синтез этих веществ с определенной архитектурой становится все более легким. Возможны такие архитектуры, как звездообразные, гребенчатые, щеточные, дендронизированные, дендримеры и кольцевые полимеры. Эти химические соединения со сложной архитектурой могут быть синтезированы либо с использованием специально подобранных исходных соединений, либо сначала путем синтеза линейных цепей, которые подвергаются дальнейшим реакциям для соединения друг с другом. Завязанные П состоят из множества внутримолекулярных циклизационных звеньев в одной П-цепи (ПЦ).

Разветвление

В целом, чем выше степень разветвления, тем более компактна полимерная цепь. Они также влияет на запутывание цепи, способность скользить мимо друг друга, что, в свою очередь, затрагивает объемные физические свойства. Длинноцепочечные деформации могут улучшить прочность полимера, ударную вязкость и температуру стеклования (Tg) из-за увеличения числа связей в соединении. С другой стороны, случайная и короткая величина Ц может снизить прочность материала из-за нарушения способности цепей взаимодействовать друг с другом или кристаллизоваться, что обусловлено строением молекул полимеров.

Пример влияния разветвления на физические свойства можно найти в полиэтилене. Полиэтилен высокой плотности (HDPE) имеет очень низкую степень разветвления, является относительно жестким и используется в производстве, например, бронежилетов. С другой стороны, полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) имеет значительное количество длинных и коротких ветвей, является относительно гибким и используется в таких областях, как пластиковые пленки. Химическое строение полимеров способствует именно такому их применению.

Дендримеры

Дендримеры представляют собой особый случай разветвленного полимера, где каждая мономерная единица также является точкой разветвления. Это имеет тенденцию уменьшать переплетение межмолекулярных цепей и кристаллизацию. Родственная архитектура, дендритный полимер, не является идеально разветвленным, но обладает сходными свойствами с дендримерами из-за их высокой степени разветвленности.

Степень формирования сложности структуры, которая происходит во время полимеризации, может зависеть от функциональности используемых мономеров. Например, при свободнорадикальной полимеризации стирола добавление дивинилбензола, который имеет функциональность 2, приведет к образованию разветвленного П.

Инженерные полимеры

Инженерные полимеры включают природные материалы, такие как резина, синтетические материалы, пластмассы и эластомеры. Они являются очень полезным сырьем, потому что их структуры могут быть изменены и адаптированы для производства материалов:

• с диапазоном механических свойств;
• в широком спектре цветов;
• с различными свойствами прозрачности.

Молекулярное строение полимеров

Полимер состоит из множества простых молекул, которые повторяют структурные единицы, называемые мономерами (М). Одна молекула этого вещества может состоять из количества от сотен до миллиона М и иметь линейную, разветвленную или сетчатую структуру. Ковалентные связи удерживают атомы вместе, а вторичные связи затем удерживают группы полимерных цепей вместе, образуя полиматериал. Сополимеры представляют собой типы этого вещества, состоящие из двух или более различных типов М.

Полимер – это органический материал, а основа любого такого типа вещества – цепь атомов углерода. Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке. Каждый из этих валентных электронов может образовывать ковалентную связь с другим атомом углерода или с чужеродным атомом. Ключом к пониманию строения полимера является то, что два атома углерода могут иметь до трех общих связей и все еще связываться с другими атомами. Элементы, наиболее часто встречающиеся в этом химическом соединении, и их валентные числа: H, F, Cl, Bf и I с 1 валентным электроном; O и S с 2 валентными электронами; n с 3 валентными электронами и C и Si с 4 валентными электронами.

Пример полиэтилена

Способность молекул образовывать длинные цепи жизненно важна для получения полимера. Рассмотрим материал полиэтилен, который сделан из газообразного этана, C2H6. Этан-газ имеет два атома углерода в цепи, и каждый из них имеет два валентных электрона с другим. Если две молекулы этана соединены вместе, одна из углеродных связей в каждой молекуле может быть разорвана, и две молекулы могут быть соединены углерод-углеродной связью. После того, как два метра соединены, на каждом конце цепи остаются еще два свободных валентных электрона для соединения других метеров или П-цепей. Процесс способен продолжать соединять больше метеров и полимеров вместе до тех пор, пока он не будет остановлен добавлением другого химического вещества (терминатора), который заполняет доступную связь на каждом конце молекулы. Это называется линейным полимером и является строительным блоком для термопластичных видов соединения.

Полимерная цепь часто показана в двух измерениях, но следует отметить, что они имеют трехмерное строение полимеров. Каждая связь находится под углом 109° к следующей, и, следовательно, углеродный остов проходит через пространство, как витая цепь TinkerToys. При приложении напряжения эти цепи растягиваются, и удлинение П может быть в тысячи раз больше, чем в кристаллических структурах. Таковы особенности строения полимеров.