רבים מתעניינים בשאלה איזה מבנה יש לפולימרים. התשובה לכך תינתן במאמר זה. מאפייני פולימרים (להלן - P) מחולקים בדרך כלל למספר מחלקות בהתאם לקנה המידה שבו מוגדר התכונה, וכן לפי הבסיס הפיזי שלו. האיכות הבסיסית ביותר של חומרים אלו היא זהות המונומרים המרכיבים אותם (M). קבוצת המאפיינים השנייה, המכונה מיקרו-מבנה, מציינת בעצם את הסידור של Ms אלה ב-P בסולם של Z אחד. מאפיינים מבניים בסיסיים אלה ממלאים תפקיד מרכזי בקביעת המאפיינים הפיזיקליים של החומרים הללו, אשר מראים כיצד P מתנהג כמו חומר מקרוסקופי. תכונות כימיות בקנה מידה ננו מתאר כיצד שרשראות מתקשרות באמצעות כוחות פיזיקליים שונים. בסולם מאקרו, הם מראים כיצד P בסיסי יוצר אינטראקציה עם כימיקלים וממיסים אחרים.
Identity
זהות הקישורים החוזרים המרכיבים את ה-P היא והראשונה שלוהתכונה החשובה ביותר. המינוח של חומרים אלו מבוסס בדרך כלל על סוג שאריות המונומר המרכיבות את ה-P. פולימרים המכילים רק סוג אחד של יחידה חוזרת ידועים בשם הומו-P. במקביל, Ps המכילים שני סוגים או יותר של יחידות חוזרות ידועים כקופולימרים. טרפולימרים מכילים שלושה סוגים של יחידות חוזרות.
פוליסטירן, למשל, מורכב רק משאריות סטירן M ולכן הוא מסווג כהומו-P. אתילן ויניל אצטט, לעומת זאת, מכיל יותר מסוג אחד של יחידה חוזרת ולכן הוא קופולימר. כמה Ps ביולוגיים מורכבים משאריות מונומריות רבות ושונות אך קשורות מבחינה מבנית; לדוגמה, פולינוקלאוטידים כגון DNA מורכבים מארבעה סוגים של תת-יחידות נוקלאוטידים.
מולקולת פולימר המכילה יחידות משנה הניתנות למינון ידועה כפוליאלקטרוליט או יונומר.
מיקרומבנה
המיקרו-מבנה של פולימר (המכונה לפעמים תצורה) קשור לסידור הפיזי של שאריות M לאורך השרשרת הראשית. אלו אלמנטים של מבנה P שדורשים שבירה של קשר קוולנטי על מנת לשנות. למבנה יש השפעה חזקה על תכונות אחרות של P. לדוגמה, שתי דוגמאות של גומי טבעי יכולות להראות עמידות שונה גם אם המולקולות שלהן מכילות את אותם מונומרים.
מבנה ומאפיינים של פולימרים
חשוב מאוד להבהיר נקודה זו. מאפיין מיקרו-מבני חשוב של מבנה הפולימר הוא הארכיטקטורה והצורה שלו, הקשורים לאיךנקודות הסתעפות מובילות לסטייה משרשרת ליניארית פשוטה. המולקולה המסועפת של חומר זה מורכבת משרשרת ראשית עם שרשרת צד אחת או יותר או ענפים תחליפים. סוגי Ps מסועפים כוללים Ps כוכבים, Ps מסרק, Ps מברשת, Ps דנדרוניזציה, Ps סולם ודנדרמרים. ישנם גם פולימרים דו מימדיים המורכבים מיחידות טופולוגיות שטוחות שחוזרות על עצמן. ניתן להשתמש במגוון טכניקות כדי לסנתז חומר P עם סוגי מכשירים שונים, כגון פילמור חי.
איכויות אחרות
הרכב והמבנה של פולימרים במדעי הפולימרים קשורים לאופן שבו הסתעפות מובילה לסטייה משרשרת P ליניארית למהדרין. הסתעפות עשויה להתרחש באופן אקראי, או שתגובות עשויות להיות מתוכננות לכוון לארכיטקטורות ספציפיות. זוהי תכונה מיקרו-סטרוקטורלית חשובה. הארכיטקטורה של פולימר משפיעה על רבות מהתכונות הפיזיקליות שלו, כולל צמיגות תמיסה וצמיגות נמס, מסיסות בהרכבים שונים, טמפרטורת מעבר זכוכית וגודלם של סלילי P בודדים בתמיסה. זה חשוב ללימוד הרכיבים הכלולים ומבנה הפולימרים.
מסעף
ענפים יכולים להיווצר כאשר הקצה הגדל של מולקולת פולימר מתחבר או (א) בחזרה לעצמה או (ב) לגדיל P אחר, ששניהם, באמצעות נסיגת מימן, יכולים ליצור אזור צמיחה לאמצע שרשרת.
אפקט הסתעפות - הצלבה כימית -יצירת קשרים קוולנטיים בין שרשראות. קישור צולב נוטה להגדיל את ה-Tg ולהגביר את החוזק והקשיחות. בין שאר השימושים, תהליך זה משמש לחיזוק גומיות בתהליך המכונה גיפור, המסתמך על הצלבת גופרית. לצמיגים לרכב, למשל, יש חוזק גבוה וחיבור צולב כדי להפחית את נזילת האוויר ולהגביר את העמידות שלהם. הגומי, לעומת זאת, אינו מוצלב, מה שמאפשר לגומי להתקלף ומונע נזק לנייר. פילמור של גופרית טהורה בטמפרטורות גבוהות יותר מסביר גם מדוע הוא הופך לצמיג יותר בטמפרטורות גבוהות יותר במצב מותך.
Grid
מולקולת פולימר בקישור גבוה מאוד נקראת רשת P. יחס צולב לגדיל (C) גבוה מספיק יכול להוביל ליצירת מה שנקרא רשת או ג'ל אינסופית, שבה כל ענף כזה מקושר לפחות אחד אחר.
עם הפיתוח המתמשך של פילמור חי, הסינתזה של חומרים אלה עם ארכיטקטורה ספציפית הופכת קלה יותר. ארכיטקטורות כגון כוכב, מסרק, מברשת, דנדרוניזציה, דנדרמרים ופולימרים טבעת אפשריים. ניתן לסנתז תרכובות כימיות אלו בעלות ארכיטקטורה מורכבת או באמצעות תרכובות התחלתיות שנבחרו במיוחד, או תחילה על ידי סינתזה של שרשראות ליניאריות שעוברות תגובות נוספות לקישור זו עם זו. Ps מסוקסים מורכבים ממחזוריות תוך מולקולרית רביםקישורים בשרשרת P אחת (PC).
מסעף
באופן כללי, ככל שמידת ההסתעפות גבוהה יותר, כך שרשרת הפולימר קומפקטית יותר. הם גם משפיעים על הסתבכות השרשרת, על היכולת להחליק אחד על פני השני, אשר בתורה משפיעה על תכונות פיזיקליות בתפזורת. זני שרשרת ארוכות יכולים לשפר את חוזק הפולימר, קשיחות וטמפרטורת מעבר זכוכית (Tg) עקב עלייה במספר הקשרים בתרכובת. מצד שני, ערך אקראי וקצר של Z יכול להפחית את חוזק החומר עקב פגיעה ביכולתן של שרשראות לתקשר ביניהן או להתגבש, מה שנובע ממבנה מולקולות פולימר.
דוגמה להשפעה של הסתעפות על תכונות פיזיקליות ניתן למצוא בפוליאתילן. לפוליאתילן בצפיפות גבוהה (HDPE) יש דרגת הסתעפות נמוכה מאוד, הוא קשיח יחסית ומשמש לייצור, למשל, אפודים חסיני כדורים. מצד שני, לפוליאתילן בצפיפות נמוכה (LDPE) יש כמות משמעותית של גדילים ארוכים וקצרים, הוא גמיש יחסית ומשמש ביישומים כמו סרטי פלסטיק. המבנה הכימי של פולימרים מעדיף בדיוק יישומים כאלה.
Dendrimers
Dendrimers הם מקרה מיוחד של פולימר מסועף, כאשר כל יחידה מונומרית היא גם נקודת הסתעפות. זה נוטה להפחית את הסתבכות השרשרת הבין-מולקולרית והתגבשות. ארכיטקטורה קשורה, הפולימר הדנדריטי, אינה מסועפת בצורה מושלמת אך בעלת תכונות דומות לדנדרמריםבשל מידת ההסתעפות הגבוהה שלהם.
מידת המורכבות המבנית המתרחשת במהלך פילמור עשויה להיות תלויה בפונקציונליות של המונומרים המשמשים. לדוגמה, בפילמור רדיקלי חופשי של סטירן, תוספת של דיוויניל-בנזן, בעל פונקציונליות של 2, תוביל להיווצרות P.
מסועף.
פולימרים הנדסיים
פולימרים מהונדסים כוללים חומרים טבעיים כגון גומי, חומרים סינתטיים, פלסטיק ואלסטומרים. הם חומרי גלם שימושיים מאוד מכיוון שניתן לשנות ולהתאים את המבנים שלהם לייצור חומרים:
- עם מגוון מאפיינים מכניים;
- במגוון רחב של צבעים;
- עם מאפייני שקיפות שונים.
מבנה מולקולרי של פולימרים
פולימר מורכב ממולקולות פשוטות רבות החוזרות על יחידות מבניות הנקראות מונומרים (M). מולקולה אחת של חומר זה יכולה להיות מורכבת ממאות עד מיליוני M ובעלת מבנה ליניארי, מסועף או רשת. קשרים קוולנטיים מחזיקים את האטומים יחד וקשרים משניים אז מחזיקים את קבוצות שרשראות הפולימר יחד כדי ליצור את הפוליחומר. קופולימרים הם סוגים של חומר זה, המורכבים משני או יותר סוגים שונים של M.
פולימר הוא חומר אורגני, והבסיס של כל סוג כזה של חומר הוא שרשרת של אטומי פחמן. לאטום פחמן יש ארבעה אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו. כל אחד מאלקטרוני הערכיות הללו יכול ליצור קוולנטיקשר עם אטום פחמן אחר או עם אטום זר. המפתח להבנת המבנה של פולימר הוא שלשני אטומי פחמן יכולים להיות עד שלושה קשרים משותפים ועדיין להיקשר עם אטומים אחרים. היסודות הנפוצים ביותר בתרכובת כימית זו ומספרי הערכיות שלהם הם: H, F, Cl, Bf ו-I עם אלקטרון ערכיות 1; O ו-S עם 2 אלקטרוני ערכיות; n עם 3 אלקטרוני ערכיות ו-C ו-Si עם 4 אלקטרוני ערכיות.
דוגמה לפוליאתילן
היכולת של מולקולות ליצור שרשראות ארוכות היא חיונית לייצור פולימר. קחו בחשבון את החומר פוליאתילן, העשוי מגז אתאן, C2H6. לגז אתאן יש שני אטומי פחמן בשרשרת, ולכל אחד יש שני אלקטרונים ערכיים עם השני. אם שתי מולקולות אתאן קשורות זו לזו, אחד מקשרי הפחמן בכל מולקולה עלול להישבר, ושתי המולקולות עשויות להיות מחוברות על ידי קשר פחמן-פחמן. לאחר חיבור שני מטרים נשארים שני אלקטרוני ערכיות חופשיים נוספים בכל קצה של השרשרת כדי לחבר מטרים אחרים או גדילי P. התהליך מסוגל להמשיך ולחבר עוד מטרים ופולימרים יחדיו עד שייעצר על ידי הוספת כימיקל נוסף (טרמינטור) הממלא את הקשר הזמין בכל קצה של המולקולה. זה נקרא פולימר ליניארי והוא אבן הבניין לתרכובות תרמופלסטיות.
שרשרת הפולימר מוצגת לרוב בדו מימד, אך יש לציין כי יש להם מבנה פולימרי תלת מימדי. כל קישור נמצא בזווית של 109° להבא, ומכאן שעמוד השדרה של הפחמן עובר בחלל כמו שרשרת מעוותת של TinkerToys. כאשר מתח מופעל, השרשראות הללו נמתחות, וההתארכות P יכולה להיות גדולה פי אלפי מאשר במבנים גבישיים. אלו הן התכונות המבניות של פולימרים.
