بسیاری به این سوال علاقه مند هستند که پلیمرها چه ساختاری دارند. پاسخ آن در این مقاله داده خواهد شد. خواص پلیمر (از این پس - P) به طور کلی بسته به مقیاسی که ویژگی در آن تعریف شده است و همچنین بر اساس مبنای فیزیکی آن به چندین کلاس تقسیم می شود. اساسی ترین کیفیت این مواد، هویت مونومرهای تشکیل دهنده آنها (M) است. مجموعه دوم از خواص، که به عنوان ریزساختار شناخته می‌شود، اساساً نشان‌دهنده آرایش این Ms در P در مقیاس یک Z است. این ویژگی‌های ساختاری اساسی نقش عمده‌ای در تعیین خواص فیزیکی حجیم این مواد بازی می‌کنند، که نشان می‌دهد P چگونه رفتار می‌کند. یک ماده ماکروسکوپی خواص شیمیایی در مقیاس نانو چگونگی برهمکنش زنجیره‌ها را از طریق نیروهای فیزیکی مختلف توصیف می‌کند. در مقیاس کلان، آنها نشان می‌دهند که چگونه فسفر پایه با سایر مواد شیمیایی و حلال‌ها برهمکنش می‌کند.
هویت
هویت پیوندهای تکراری که P را تشکیل می دهند اولین ومهمترین ویژگی نامگذاری این مواد معمولا بر اساس نوع باقیمانده های مونومر است که P را تشکیل می دهند. در عین حال، P های حاوی دو یا چند نوع واحد تکرار شونده به عنوان کوپلیمر شناخته می شوند. ترپلیمرها شامل سه نوع واحد تکرار شونده هستند.
برای مثال
پلی استایرن فقط از بقایای استایرن M تشکیل شده است و بنابراین به عنوان Homo-P طبقه بندی می شود. از طرف دیگر اتیلن وینیل استات حاوی بیش از یک نوع واحد تکرار شونده است و بنابراین یک کوپلیمر است. برخی از فسفرهای بیولوژیکی از بسیاری از باقیمانده های مونومری متفاوت اما از نظر ساختاری مرتبط تشکیل شده اند. به عنوان مثال، پلی نوکلئوتیدها مانند DNA از چهار نوع زیرواحد نوکلئوتیدی تشکیل شده اند.
یک مولکول پلیمری حاوی زیر واحدهای قابل یونیزاسیون به عنوان پلی الکترولیت یا آینومر شناخته می شود.
ریزساختار
ریزساختار یک پلیمر (گاهی اوقات پیکربندی نامیده می شود) به آرایش فیزیکی باقیمانده های M در امتداد زنجیره اصلی مربوط می شود. اینها عناصری از ساختار P هستند که برای تغییر نیاز به شکستن پیوند کووالانسی دارند. این ساختار تأثیر زیادی بر سایر خواص P دارد. برای مثال، دو نمونه از لاستیک طبیعی می‌توانند دوام متفاوتی از خود نشان دهند، حتی اگر مولکول‌های آنها مونومرهای یکسانی داشته باشند.
ساختار و خواص پلیمرها
این نکته برای روشن شدن بسیار مهم است. یکی از ویژگی های ریزساختاری مهم ساختار پلیمری، معماری و شکل آن است که به چگونگی مربوط می شودنقاط انشعاب منجر به انحراف از یک زنجیره خطی ساده می شود. مولکول منشعب این ماده از یک زنجیره اصلی با یک یا چند زنجیره جانبی یا شاخه های جایگزین تشکیل شده است. انواع P های شاخه دار عبارتند از Ps ستاره، Ps شانه ای، Ps برس، Ps دندرون، Ps نردبانی و دندریمر. پلیمرهای دو بعدی نیز وجود دارند که از واحدهای تکرار شونده از نظر توپولوژیکی مسطح تشکیل شده اند. از تکنیک های مختلفی می توان برای سنتز مواد P با انواع دستگاه های مختلف مانند پلیمریزاسیون زنده استفاده کرد.
کیفیت های دیگر
ترکیب و ساختار پلیمرها در علم پلیمر به چگونگی انشعاب منجر به انحراف از زنجیره P کاملاً خطی مربوط می شود. انشعاب ممکن است به طور تصادفی رخ دهد، یا واکنش ها ممکن است برای هدف قرار دادن معماری های خاص طراحی شوند. این یک ویژگی ریزساختاری مهم است. معماری یک پلیمر بر بسیاری از خواص فیزیکی آن، از جمله ویسکوزیته محلول و مذاب، حلالیت در ترکیبات مختلف، دمای انتقال شیشه ای، و اندازه سیم پیچ های P در محلول تأثیر می گذارد. این برای مطالعه اجزای موجود و ساختار پلیمرها مهم است.
شاخه
وقتی انتهای در حال رشد یک مولکول پلیمری (الف) به خود یا (ب) به رشته P دیگر متصل می شود، می توانند تشکیل شوند، که هر دو، از طریق خروج هیدروژن، می توانند یک منطقه رشد برای وسط ایجاد کنند. زنجیر.
اثر انشعاب - پیوند متقابل شیمیایی -تشکیل پیوندهای کووالانسی بین زنجیره ها اتصال عرضی باعث افزایش Tg و افزایش قدرت و چقرمگی می شود. در میان کاربردهای دیگر، این فرآیند برای تقویت لاستیک ها در فرآیندی به نام ولکانیزاسیون، که متکی بر اتصال عرضی گوگرد است، استفاده می شود. به عنوان مثال لاستیک های خودرو دارای استحکام و اتصال عرضی بالایی برای کاهش نشت هوا و افزایش دوام آن ها می باشد. از طرف دیگر، لاستیک به صورت متقاطع متصل نیست، که به لاستیک اجازه جدا شدن می دهد و از آسیب به کاغذ جلوگیری می کند. پلیمریزاسیون گوگرد خالص در دماهای بالاتر همچنین توضیح می دهد که چرا در دمای بالاتر در حالت مذاب چسبناک تر می شود.
شبکه
یک مولکول پلیمری با پیوند متقابل بسیار شبکه P نامیده می شود. نسبت اتصال متقابل به رشته (C) به اندازه کافی بالا می تواند منجر به تشکیل یک شبکه یا ژل به اصطلاح بی نهایت شود که در آن هر یک از این شاخه ها حداقل به یکی دیگر متصل می شوند.
با توسعه مداوم پلیمریزاسیون زنده، سنتز این مواد با معماری خاص آسانتر می شود. معماری هایی مانند ستاره، شانه، برس، دندرون، دندریمر و پلیمرهای حلقه امکان پذیر است. این ترکیبات شیمیایی با معماری پیچیده را می توان یا با استفاده از ترکیبات اولیه انتخاب شده خاص، یا ابتدا با سنتز زنجیره های خطی که تحت واکنش های بعدی برای پیوند با یکدیگر قرار می گیرند، سنتز کرد. P های گره دار از چرخه های درون مولکولی زیادی تشکیل شده اندپیوندها در یک زنجیره P (PC).
شاخه
به طور کلی، هر چه درجه انشعاب بیشتر باشد، زنجیره پلیمری فشرده تر است. آنها همچنین بر درهم تنیدگی زنجیره، توانایی لغزش از کنار یکدیگر، که به نوبه خود بر خواص فیزیکی حجیم تأثیر می گذارد، تأثیر می گذارد. کرنش های زنجیره بلند می توانند استحکام پلیمر، چقرمگی و دمای انتقال شیشه (Tg) را به دلیل افزایش تعداد پیوندها در ترکیب بهبود بخشند. از طرف دیگر، مقدار تصادفی و کوتاه Z می تواند استحکام ماده را به دلیل نقض توانایی زنجیر برای برهم کنش یا کریستالیزه شدن که به دلیل ساختار مولکول های پلیمر است، کاهش دهد.
نمونه ای از تأثیر انشعاب بر خواص فیزیکی را می توان در پلی اتیلن یافت. پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) درجه انشعاب بسیار کمی دارد، نسبتاً سفت است و برای مثال در ساخت جلیقه های ضد گلوله استفاده می شود. از سوی دیگر، پلی اتیلن با چگالی کم (LDPE) دارای مقدار قابل توجهی رشته های بلند و کوتاه است، نسبتاً انعطاف پذیر است و در کاربردهایی مانند فیلم های پلاستیکی استفاده می شود. ساختار شیمیایی پلیمرها به نفع چنین کاربردهایی است.
Dendrimers
دندریمرها مورد خاصی از پلیمرهای منشعب هستند که در آن هر واحد مونومر یک نقطه انشعاب است. این تمایل به کاهش درهم تنیدگی زنجیره بین مولکولی و تبلور دارد. یک معماری مرتبط، پلیمر دندریتیک، کاملاً منشعب نیست، اما خواص مشابه دندریمرها داردبه دلیل درجه بالای انشعاب آنها.
درجه پیچیدگی ساختاری که در طی پلیمریزاسیون رخ می دهد ممکن است به عملکرد مونومرهای مورد استفاده بستگی داشته باشد. به عنوان مثال، در پلیمریزاسیون رادیکال آزاد استایرن، افزودن دی وینیل بنزن که دارای عملکرد 2 است، منجر به تشکیل P منشعب می شود.
پلیمرهای مهندسی
پلیمرهای مهندسی شده شامل مواد طبیعی مانند لاستیک، مصنوعی، پلاستیک و الاستومرها هستند. آنها مواد اولیه بسیار مفیدی هستند زیرا ساختار آنها را می توان تغییر داد و برای تولید مواد سازگار کرد:
- با طیف وسیعی از خواص مکانیکی؛
- در طیف وسیعی از رنگها؛
- با ویژگی‌های شفافیت متفاوت.
ساختار مولکولی پلیمرها
یک پلیمر از بسیاری از مولکول های ساده تشکیل شده است که واحدهای ساختاری به نام مونومر (M) را تکرار می کنند. یک مولکول این ماده می تواند از صدها تا میلیون ها M تشکیل شده باشد و ساختاری خطی، شاخه ای یا شبکه ای داشته باشد. پیوندهای کووالانسی اتم‌ها را با هم نگه می‌دارند و پیوندهای ثانویه گروه‌های زنجیره‌های پلیمری را در کنار هم نگه می‌دارند تا چند ماده را تشکیل دهند. کوپلیمرها انواعی از این ماده هستند که از دو یا چند نوع مختلف M.
تشکیل شده اند.
پلیمر یک ماده آلی است و اساس هر نوع ماده ای زنجیره ای از اتم های کربن است. یک اتم کربن دارای چهار الکترون در لایه بیرونی خود است. هر یک از این الکترون های ظرفیتی می توانند یک کووالانسی تشکیل دهندپیوند با اتم کربن دیگر یا با اتم خارجی. کلید درک ساختار یک پلیمر این است که دو اتم کربن می توانند تا سه پیوند مشترک داشته باشند و همچنان با اتم های دیگر پیوند داشته باشند. عناصری که بیشتر در این ترکیب شیمیایی یافت می شوند و عدد ظرفیت آنها عبارتند از: H، F، Cl، Bf و I با 1 الکترون ظرفیت. O و S با 2 الکترون ظرفیت. n با 3 الکترون ظرفیت و C و Si با 4 الکترون ظرفیت.
نمونه پلی اتیلن
توانایی مولکول ها برای تشکیل زنجیره های بلند برای ساخت یک پلیمر حیاتی است. ماده پلی اتیلن را در نظر بگیرید که از گاز اتان C2H6 ساخته شده است. گاز اتان دارای دو اتم کربن در زنجیره است و هر کدام دارای دو الکترون ظرفیتی با دیگری است. اگر دو مولکول اتان به هم پیوند بخورند، ممکن است یکی از پیوندهای کربن در هر مولکول شکسته شود و دو مولکول ممکن است توسط پیوند کربن-کربن به هم متصل شوند. پس از اتصال دو متر، دو الکترون ظرفیت آزاد دیگر در هر انتهای زنجیره برای اتصال مترها یا رشته های P دیگر باقی می مانند. این فرآیند قادر است به اتصال مترها و پلیمرهای بیشتری به یکدیگر ادامه دهد تا زمانی که با افزودن یک ماده شیمیایی دیگر (ترمیناتور) که پیوند موجود در هر انتهای مولکول را پر می کند، متوقف شود. این پلیمر خطی نامیده می شود و بلوک ساختمانی برای ترکیبات ترموپلاستیک است.
زنجیره پلیمری اغلب به صورت دو بعدی نشان داده می شود، اما باید توجه داشت که ساختار پلیمری سه بعدی دارند. هر پیوند در زاویه 109 درجه قرار داردبعد، و از این رو ستون فقرات کربنی مانند یک زنجیره پیچ خورده از TinkerToys از فضا عبور می کند. هنگامی که ولتاژ اعمال می شود، این زنجیره ها کشیده می شوند و ازدیاد طول P می تواند هزاران بار بیشتر از ساختارهای کریستالی باشد. اینها ویژگی های ساختاری پلیمرها هستند.
