Viele interessiert die Frage, welche Struktur Polymere haben. Die Antwort darauf wird in diesem Artikel gegeben. Polymereigenschaften (im Folgenden – P) werden im Allgemeinen in mehrere Klassen eingeteilt, abhängig von dem Maßstab, in dem die Eigenschaft definiert ist, sowie von ihrer physikalischen Grundlage. Die grundlegendste Eigenschaft dieser Substanzen ist die Identität ihrer konstituierenden Monomere (M). Der zweite Satz von Eigenschaften, bekannt als Mikrostruktur, bezeichnet im Wesentlichen die Anordnung dieser Ms in P auf einer Skala von einem Z. Diese grundlegenden strukturellen Eigenschaften spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften dieser Substanzen, die zeigen, wie sich P verhält ein makroskopisches Material. Chemische Eigenschaften im Nanomaßstab beschreiben, wie Ketten durch verschiedene physikalische Kräfte interagieren. Auf Makroebene zeigen sie, wie basisches P mit anderen Chemikalien und Lösungsmitteln interagiert.
Identität
Die Identität der sich wiederholenden Links, aus denen das P besteht, ist sein erstes unddas wichtigste Attribut. Die Nomenklatur dieser Substanzen basiert normalerweise auf der Art der Monomerreste, aus denen das P besteht. Polymere, die nur eine Art von Wiederholungseinheit enth alten, sind als Homo-P bekannt. Gleichzeitig sind Ps, die zwei oder mehr Arten von sich wiederholenden Einheiten enth alten, als Copolymere bekannt. Terpolymere enth alten drei Arten von sich wiederholenden Einheiten.
Polystyrol beispielsweise besteht nur aus Styrol-M-Resten und wird daher als Homo-P klassifiziert. Ethylenvinylacetat hingegen enthält mehr als eine Art von Wiederholungseinheit und ist somit ein Copolymer. Einige biologische Ps bestehen aus vielen verschiedenen, aber strukturell verwandten monomeren Resten; Beispielsweise bestehen Polynukleotide wie DNA aus vier Arten von Nukleotid-Untereinheiten.
Ein Polymermolekül, das ionisierbare Untereinheiten enthält, ist als Polyelektrolyt oder Ionomer bekannt.
Mikrostruktur
Die Mikrostruktur eines Polymers (manchmal als Konfiguration bezeichnet) hängt mit der physikalischen Anordnung von M-Resten entlang der Hauptkette zusammen. Dies sind Elemente der P-Struktur, die das Aufbrechen einer kovalenten Bindung erfordern, um sich zu verändern. Die Struktur hat einen starken Einfluss auf andere Eigenschaften von P. Beispielsweise können zwei Naturkautschukproben unterschiedliche H altbarkeit zeigen, selbst wenn ihre Moleküle die gleichen Monomere enth alten.
Struktur und Eigenschaften von Polymeren
Dieser Punkt ist extrem wichtig zu klären. Ein wichtiges mikrostrukturelles Merkmal der Polymerstruktur ist ihre Architektur und Form, die mit dem Wie zusammenhängenVerzweigungspunkte führen zu einer Abweichung von einer einfachen linearen Kette. Das verzweigte Molekül dieser Substanz besteht aus einer Hauptkette mit einer oder mehreren Seitenketten oder Substituentenzweigen. Arten von verzweigten Ps umfassen Stern-Ps, Kamm-Ps, Bürsten-Ps, dendronisierte Ps, Leiter-Ps und Dendrimere. Es gibt auch zweidimensionale Polymere, die aus topologisch flachen Wiederholungseinheiten bestehen. Eine Vielzahl von Techniken kann verwendet werden, um P-Material mit verschiedenen Gerätetypen zu synthetisieren, wie z. B. lebende Polymerisation.
Andere Qualitäten
Die Zusammensetzung und Struktur von Polymeren in der Polymerwissenschaft hängt damit zusammen, wie Verzweigungen zu Abweichungen von einer streng linearen P-Kette führen. Die Verzweigung kann zufällig erfolgen, oder Reaktionen können so entworfen werden, dass sie auf bestimmte Architekturen abzielen. Dies ist ein wichtiges mikrostrukturelles Merkmal. Die Architektur eines Polymers beeinflusst viele seiner physikalischen Eigenschaften, einschließlich der Lösungs- und Schmelzviskosität, der Löslichkeit in verschiedenen Zusammensetzungen, der Glasübergangstemperatur und der Größe einzelner P-Knäuel in Lösung. Dies ist wichtig, um die enth altenen Komponenten und den Aufbau von Polymeren zu untersuchen.
Verzweigung
Verzweigungen können sich bilden, wenn das wachsende Ende eines Polymermoleküls entweder (a) wieder an sich selbst oder (b) an einen anderen P-Strang bindet, die beide durch Wasserstoffentzug eine Wachstumszone für die Mitte schaffen können Kette.
Verzweigungseffekt - chemische Vernetzung -Bildung kovalenter Bindungen zwischen Ketten. Das Vernetzen neigt dazu, die Tg zu erhöhen und die Festigkeit und Zähigkeit zu erhöhen. Dieses Verfahren wird unter anderem zur Verstärkung von Kautschuken in einem als Vulkanisation bekannten Verfahren verwendet, das auf einer Schwefelvernetzung beruht. Autoreifen zum Beispiel haben eine hohe Festigkeit und Vernetzung, um das Austreten von Luft zu reduzieren und ihre H altbarkeit zu erhöhen. Das Gummi hingegen ist nicht vernetzt, was ein Ablösen des Gummis ermöglicht und eine Beschädigung des Papiers verhindert. Die Polymerisation von reinem Schwefel bei höheren Temperaturen erklärt auch, warum er im geschmolzenen Zustand bei höheren Temperaturen zähflüssiger wird.
Raster
Ein hochvernetztes Polymermolekül wird als P-Netzwerk bezeichnet. Ein ausreichend hohes Vernetzungs-zu-Strang-Verhältnis (C) kann zur Bildung eines sogenannten unendlichen Netzwerks oder Gels führen, in dem jeder dieser Zweige mit mindestens einem anderen verknüpft ist.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der lebenden Polymerisation wird die Synthese dieser Substanzen mit spezifischer Architektur immer einfacher. Architekturen wie Stern-, Kamm-, Bürsten-, dendronisierte, Dendrimere und Ringpolymere sind möglich. Diese chemischen Verbindungen mit komplexer Architektur können entweder unter Verwendung speziell ausgewählter Ausgangsverbindungen synthetisiert werden oder indem zunächst lineare Ketten synthetisiert werden, die durch weitere Reaktionen miteinander verknüpft werden. Verknotete Ps bestehen aus vielen intramolekularen CyclisierungenGlieder in einer P-Kette (PC).
Verzweigung
Im Allgemeinen gilt: Je höher der Verzweigungsgrad, desto kompakter die Polymerkette. Sie beeinflussen auch die Kettenverwicklung, die Fähigkeit, aneinander vorbei zu gleiten, was wiederum die physikalischen Eigenschaften der Masse beeinflusst. Langkettige Dehnungen können die Polymerfestigkeit, Zähigkeit und Glasübergangstemperatur (Tg) aufgrund einer Erhöhung der Anzahl von Bindungen in der Verbindung verbessern. Andererseits kann ein zufälliger und kurzer Wert von Z die Festigkeit des Materials aufgrund einer Verletzung der Fähigkeit von Ketten, miteinander zu interagieren oder zu kristallisieren, verringern, was auf die Struktur von Polymermolekülen zurückzuführen ist.
Ein Beispiel für die Auswirkung der Verzweigung auf die physikalischen Eigenschaften findet sich bei Polyethylen. Polyethylen hoher Dichte (HDPE) hat einen sehr geringen Verzweigungsgrad, ist relativ steif und wird beispielsweise zur Herstellung von kugelsicheren Westen verwendet. Andererseits hat Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) eine erhebliche Menge an langen und kurzen Strängen, ist relativ flexibel und wird in Anwendungen wie Kunststofffolien verwendet. Die chemische Struktur von Polymeren begünstigt genau solche Anwendungen.
Dendrimere
Dendrimere sind ein Spezialfall eines verzweigten Polymers, bei dem jede monomere Einheit auch ein Verzweigungspunkt ist. Dies neigt dazu, die intermolekulare Kettenverwicklung und Kristallisation zu verringern. Eine verwandte Architektur, das dendritische Polymer, ist nicht perfekt verzweigt, hat aber ähnliche Eigenschaften wie Dendrimereaufgrund ihres hohen Verzweigungsgrades.
Der Grad der strukturellen Komplexität, der während der Polymerisation auftritt, kann von der Funktionalität der verwendeten Monomere abhängen. Beispielsweise führt bei der radikalischen Polymerisation von Styrol die Zugabe von Divinylbenzol, das eine Funktionalität von 2 hat, zur Bildung von verzweigtem P.
Technische Polymere
Technische Polymere umfassen natürliche Materialien wie Gummi, Kunststoffe, Kunststoffe und Elastomere. Sie sind sehr nützliche Rohstoffe, weil ihre Strukturen verändert und angepasst werden können, um Materialien herzustellen:
- mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften;
- in vielen Farben;
- mit verschiedenen Transparenzeigenschaften.
Molekülstruktur von Polymeren
Ein Polymer besteht aus vielen einfachen Molekülen, die Struktureinheiten wiederholen, die als Monomere (M) bezeichnet werden. Ein Molekül dieser Substanz kann aus Hunderten bis Millionen von M bestehen und eine lineare, verzweigte oder Netzwerkstruktur haben. Kovalente Bindungen h alten die Atome zusammen und sekundäre Bindungen h alten dann die Gruppen von Polymerketten zusammen, um das Polymaterial zu bilden. Copolymere sind Typen dieses Stoffes, die aus zwei oder mehr verschiedenen Typen von M bestehen.
Ein Polymer ist ein organisches Material, und die Basis jeder solchen Substanz ist eine Kette von Kohlenstoffatomen. Ein Kohlenstoffatom hat vier Elektronen in seiner äußeren Hülle. Jedes dieser Valenzelektronen kann eine Kovalente bildeneine Bindung mit einem anderen Kohlenstoffatom oder mit einem Fremdatom. Der Schlüssel zum Verständnis der Struktur eines Polymers besteht darin, dass zwei Kohlenstoffatome bis zu drei Bindungen gemeinsam haben und sich dennoch mit anderen Atomen verbinden können. Die in dieser chemischen Verbindung am häufigsten vorkommenden Elemente und ihre Wertigkeiten sind: H, F, Cl, Bf und I mit 1 Valenzelektron; O und S mit 2 Valenzelektronen; n mit 3 Valenzelektronen und C und Si mit 4 Valenzelektronen.
Beispiel Polyethylen
Die Fähigkeit von Molekülen, lange Ketten zu bilden, ist entscheidend für die Herstellung eines Polymers. Betrachten Sie das Material Polyethylen, das aus Ethangas, C2H6, hergestellt wird. Ethangas hat zwei Kohlenstoffatome in der Kette und jedes hat zwei Valenzelektronen mit dem anderen. Wenn zwei Ethanmoleküle aneinander gebunden sind, kann eine der Kohlenstoffbindungen in jedem Molekül aufgebrochen werden und die zwei Moleküle können durch eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung verbunden werden. Nachdem zwei Meter verbunden sind, verbleiben zwei weitere freie Valenzelektronen an jedem Ende der Kette, um andere Meter oder P-Stränge zu verbinden. Der Prozess kann weitere Messgeräte und Polymere miteinander verbinden, bis er durch die Zugabe einer weiteren Chemikalie (Terminator) gestoppt wird, die die verfügbare Bindung an jedem Ende des Moleküls füllt. Dies wird als lineares Polymer bezeichnet und ist der Baustein für thermoplastische Verbindungen.
Die Polymerkette wird oft zweidimensional dargestellt, es sollte jedoch beachtet werden, dass sie eine dreidimensionale Polymerstruktur haben. Jedes Glied steht in einem Winkel von 109° zuals nächstes, und daher läuft das Kohlenstoffrückgrat wie eine verdrehte Kette von TinkerToys durch den Weltraum. Beim Anlegen einer Spannung dehnen sich diese Ketten, und die Dehnung P kann tausendfach größer sein als bei kristallinen Strukturen. Dies sind die Strukturmerkmale von Polymeren.
