Velen zijn geïnteresseerd in de vraag welke structuur polymeren hebben. Het antwoord daarop wordt in dit artikel gegeven. Polymeereigenschappen (hierna - P) worden in het algemeen onderverdeeld in verschillende klassen, afhankelijk van de schaal waarop de eigenschap wordt gedefinieerd, evenals op de fysieke basis ervan. De meest elementaire kwaliteit van deze stoffen is de identiteit van hun samenstellende monomeren (M). De tweede reeks eigenschappen, bekend als microstructuur, geeft in wezen de rangschikking van deze M's in P aan op een schaal van één Z. Deze fundamentele structurele kenmerken spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de fysieke bulkeigenschappen van deze stoffen, die laten zien hoe P zich gedraagt als een macroscopisch materiaal. Chemische eigenschappen op nanoschaal beschrijven hoe ketens op elkaar inwerken door verschillende fysieke krachten. Op macroschaal laten ze zien hoe basis P interageert met andere chemicaliën en oplosmiddelen.
Identiteit
De identiteit van de herhalende links waaruit de P bestaat, is de eerste enhet belangrijkste kenmerk. De nomenclatuur van deze stoffen is meestal gebaseerd op het type monomeerresten waaruit de P bestaat. Polymeren die slechts één type herhalende eenheid bevatten, staan bekend als homo-P. Tegelijkertijd staan Ps die twee of meer soorten herhalende eenheden bevatten bekend als copolymeren. Terpolymeren bevatten drie soorten herhalende eenheden.
Polystyreen, bijvoorbeeld, bestaat alleen uit styreen M-resten en wordt daarom geclassificeerd als Homo-P. Ethyleenvinylacetaat daarentegen bevat meer dan één type herhalende eenheid en is dus een copolymeer. Sommige biologische P's zijn samengesteld uit veel verschillende maar structureel verwante monomere residuen; polynucleotiden zoals DNA zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit vier soorten nucleotide-subeenheden.
Een polymeermolecuul dat ioniseerbare subeenheden bevat, staat bekend als een polyelektrolyt of ionomeer.
Microstructuur
De microstructuur van een polymeer (soms configuratie genoemd) is gerelateerd aan de fysieke rangschikking van M-residuen langs de hoofdketen. Dit zijn elementen van de P-structuur die het verbreken van een covalente binding vereisen om te veranderen. De structuur heeft een sterke invloed op andere eigenschappen van P. Twee monsters van natuurlijk rubber kunnen bijvoorbeeld een verschillende duurzaamheid vertonen, zelfs als hun moleculen dezelfde monomeren bevatten.
Structuur en eigenschappen van polymeren
Dit punt is uiterst belangrijk om te verduidelijken. Een belangrijk microstructureel kenmerk van de polymeerstructuur is de architectuur en vorm, die verband houden met hoevertakkingspunten leiden tot een afwijking van een eenvoudige lineaire keten. Het vertakte molecuul van deze stof bestaat uit een hoofdketen met een of meer zijketens of substituenttakken. Typen vertakte P's omvatten ster Ps, kam Ps, borstel Ps, gedendroniseerde Ps, ladder Ps en dendrimeren. Er zijn ook tweedimensionale polymeren die bestaan uit topologisch vlakke herhalende eenheden. Er kan een verscheidenheid aan technieken worden gebruikt om P-materiaal te synthetiseren met verschillende soorten apparaten, zoals levende polymerisatie.
Andere kwaliteiten
De samenstelling en structuur van polymeren in de polymeerwetenschap is gerelateerd aan hoe vertakking leidt tot afwijking van een strikt lineaire P-keten. Vertakking kan willekeurig plaatsvinden, of reacties kunnen worden ontworpen om specifieke architecturen aan te pakken. Dit is een belangrijk microstructureel kenmerk. De architectuur van een polymeer beïnvloedt veel van zijn fysieke eigenschappen, waaronder de viscositeit van de oplossing en de smelt, oplosbaarheid in verschillende samenstellingen, glasovergangstemperatuur en de grootte van individuele P-spoelen in oplossing. Dit is belangrijk voor het bestuderen van de aanwezige componenten en de structuur van polymeren.
Vertakking
Vertakkingen kunnen zich vormen wanneer het groeiende uiteinde van een polymeermolecuul ofwel (a) terug aan zichzelf of (b) aan een andere P-streng hecht, die beide, door waterstofonttrekking, een groeizone voor het midden kunnen creëren ketting.
Vertakkingseffect - chemische verknoping -vorming van covalente bindingen tussen ketens. Verknoping heeft de neiging om Tg te verhogen en sterkte en taaiheid te vergroten. Dit proces wordt onder andere gebruikt om rubbers te versterken in een proces dat bekend staat als vulkanisatie, dat gebaseerd is op zwavelverknoping. Autobanden hebben bijvoorbeeld een hoge sterkte en vernetting om luchtlekkage te verminderen en hun duurzaamheid te vergroten. Het rubber daarentegen is niet vernet, waardoor het rubber kan loslaten en beschadiging van het papier wordt voorkomen. De polymerisatie van zuivere zwavel bij hogere temperaturen verklaart ook waarom het bij hogere temperaturen in gesmolten toestand viskeuzer wordt.
Raster
Een sterk verknoopt polymeermolecuul wordt een P-netwerk genoemd. Een voldoende hoge crosslink-to-strand ratio (C) kan leiden tot de vorming van een zogenaamd oneindig netwerk of gel, waarin elk van deze takken aan ten minste één andere is gekoppeld.
Met de continue ontwikkeling van levende polymerisatie wordt de synthese van deze stoffen met een specifieke architectuur steeds eenvoudiger. Architecturen zoals ster, kam, borstel, dendronized, dendrimeren en ringpolymeren zijn mogelijk. Deze chemische verbindingen met een complexe architectuur kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van speciaal geselecteerde uitgangsverbindingen, of eerst door lineaire ketens te synthetiseren die verdere reacties ondergaan om met elkaar te verbinden. Geknoopte P's bestaan uit veel intramoleculaire cyclisatiekoppelingen in één P-keten (pc).
Vertakking
Over het algemeen geldt: hoe hoger de vertakkingsgraad, hoe compacter de polymeerketen. Ze hebben ook invloed op kettingverstrengeling, het vermogen om langs elkaar te glijden, wat op zijn beurt de fysieke eigenschappen van de bulk beïnvloedt. Spanningen met lange ketens kunnen de sterkte, taaiheid en glasovergangstemperatuur (Tg) van het polymeer verbeteren door een toename van het aantal bindingen in de verbinding. Aan de andere kant kan een willekeurige en korte waarde van Z de sterkte van het materiaal verminderen als gevolg van een schending van het vermogen van ketens om met elkaar in wisselwerking te treden of te kristalliseren, wat te wijten is aan de structuur van polymeermoleculen.
Een voorbeeld van het effect van vertakking op fysische eigenschappen is te vinden in polyethyleen. Hogedichtheidspolyethyleen (HDPE) heeft een zeer lage vertakkingsgraad, is relatief stijf en wordt gebruikt bij de vervaardiging van bijvoorbeeld kogelwerende vesten. Aan de andere kant heeft polyethyleen met een lage dichtheid (LDPE) een aanzienlijke hoeveelheid lange en korte strengen, is het relatief flexibel en wordt het gebruikt in toepassingen zoals plastic films. De chemische structuur van polymeren bevordert juist zulke toepassingen.
Dendrimeren
Dendrimeren zijn een speciaal geval van een vertakt polymeer, waarbij elke monomere eenheid ook een vertakkingspunt is. Dit heeft de neiging om intermoleculaire ketenverstrengeling en kristallisatie te verminderen. Een verwante architectuur, het dendritische polymeer, is niet perfect vertakt maar heeft vergelijkbare eigenschappen als dendrimerenvanwege hun hoge vertakkingsgraad.
De mate van structurele complexiteit die optreedt tijdens polymerisatie kan afhangen van de functionaliteit van de gebruikte monomeren. Bij de vrije-radicaalpolymerisatie van styreen zal de toevoeging van divinylbenzeen, dat een functionaliteit van 2 heeft, bijvoorbeeld leiden tot de vorming van vertakt P.
Technische polymeren
Technische polymeren omvatten natuurlijke materialen zoals rubber, kunststoffen, kunststoffen en elastomeren. Het zijn zeer nuttige grondstoffen omdat hun structuren kunnen worden veranderd en aangepast om materialen te produceren:
- met een reeks mechanische eigenschappen;
- in een breed scala aan kleuren;
- met verschillende transparantie-eigenschappen.
Moleculaire structuur van polymeren
Een polymeer bestaat uit veel eenvoudige moleculen die structurele eenheden, monomeren (M) genoemd, herhalen. Eén molecuul van deze stof kan uit honderden tot miljoenen M bestaan en een lineaire, vertakte of netwerkstructuur hebben. Covalente bindingen houden de atomen bij elkaar en secundaire bindingen houden vervolgens de groepen polymeerketens bij elkaar om het polymateriaal te vormen. Copolymeren zijn typen van deze stof, bestaande uit twee of meer verschillende typen M.
Een polymeer is een organisch materiaal en de basis van zo'n soort stof is een keten van koolstofatomen. Een koolstofatoom heeft vier elektronen in zijn buitenste schil. Elk van deze valentie-elektronen kan een covalenteeen binding met een ander koolstofatoom of met een vreemd atoom. De sleutel tot het begrijpen van de structuur van een polymeer is dat twee koolstofatomen maximaal drie bindingen gemeenschappelijk kunnen hebben en nog steeds binden met andere atomen. De elementen die het meest worden aangetroffen in deze chemische verbinding en hun valentiegetallen zijn: H, F, Cl, Bf en I met 1 valentie-elektron; O en S met 2 valentie-elektronen; n met 3 valentie-elektronen en C en Si met 4 valentie-elektronen.
Voorbeeld van polyethyleen
Het vermogen van moleculen om lange ketens te vormen is essentieel voor het maken van een polymeer. Denk aan het materiaal polyethyleen, dat is gemaakt van ethaangas, C2H6. Ethaangas heeft twee koolstofatomen in de keten en elk heeft twee valentie-elektronen met de andere. Als twee ethaanmoleculen aan elkaar zijn gebonden, kan een van de koolstofbindingen in elk molecuul worden verbroken en kunnen de twee moleculen worden verbonden door een koolstof-koolstofbinding. Nadat twee meters zijn verbonden, blijven er nog twee vrije valentie-elektronen over aan elk uiteinde van de keten om andere meters of P-strengen te verbinden. Het proces kan doorgaan met het verbinden van meer meters en polymeren totdat het wordt gestopt door de toevoeging van een andere chemische stof (terminator) die de beschikbare binding aan elk uiteinde van het molecuul vult. Dit wordt een lineair polymeer genoemd en is de bouwsteen voor thermoplastische verbindingen.
De polymeerketen wordt vaak in twee dimensies weergegeven, maar er moet worden opgemerkt dat ze een driedimensionale polymeerstructuur hebben. Elke schakel staat onder een hoek van 109° tovervolgens, en daarom loopt de koolstofruggengraat door de ruimte als een gedraaide ketting van TinkerToys. Wanneer er spanning wordt aangelegd, rekken deze ketens uit, en de rek P kan duizenden keren groter zijn dan in kristallijne structuren. Dit zijn de structurele kenmerken van polymeren.
