Molti sono interessati alla domanda su quale struttura abbiano i polimeri. La risposta sarà data in questo articolo. Le proprietà del polimero (di seguito - P) sono generalmente suddivise in più classi a seconda della scala alla quale la proprietà è definita, nonché della sua base fisica. La qualità più basilare di queste sostanze è l'identità dei loro monomeri costituenti (M). Il secondo insieme di proprietà, noto come microstruttura, denota essenzialmente la disposizione di queste M in P su una scala di uno Z. Queste caratteristiche strutturali di base svolgono un ruolo importante nel determinare le proprietà fisiche di massa di queste sostanze, che mostrano come P si comporti come un materiale macroscopico. Le proprietà chimiche su scala nanometrica descrivono come le catene interagiscono attraverso varie forze fisiche. Su scala macro, mostrano come la P di base interagisce con altre sostanze chimiche e solventi.
Identità
L'identità dei collegamenti ripetuti che compongono la P è la sua prima el'attributo più importante. La nomenclatura di queste sostanze si basa solitamente sul tipo di residui monomerici che compongono il P. I polimeri che contengono un solo tipo di unità ripetitiva sono detti omo-P. Allo stesso tempo, i P contenenti due o più tipi di unità ripetitive sono noti come copolimeri. I terpolimeri contengono tre tipi di unità ripetitive.
Il polistirene, ad esempio, è costituito solo da residui di stirene M ed è quindi classificato come Homo-P. L'etilene vinil acetato, invece, contiene più di un tipo di unità ripetitiva ed è quindi un copolimero. Alcuni P biologici sono composti da molti residui monomerici diversi ma strutturalmente correlati; per esempio, i polinucleotidi come il DNA sono costituiti da quattro tipi di subunità nucleotidiche.
Una molecola polimerica contenente subunità ionizzabili è nota come polielettrolita o ionomero.
Microstruttura
La microstruttura di un polimero (a volte chiamata configurazione) è correlata alla disposizione fisica dei residui M lungo la catena principale. Questi sono elementi della struttura P che richiedono la rottura di un legame covalente per poter cambiare. La struttura ha una forte influenza su altre proprietà di P. Ad esempio, due campioni di gomma naturale possono mostrare durabilità diversa anche se le loro molecole contengono gli stessi monomeri.
Struttura e proprietà dei polimeri
Questo punto è estremamente importante da chiarire. Un'importante caratteristica microstrutturale della struttura del polimero è la sua architettura e forma, che sono legate a comei punti di diramazione portano a una deviazione da una semplice catena lineare. La molecola ramificata di questa sostanza è costituita da una catena principale con una o più catene laterali o rami sostitutivi. I tipi di Ps ramificati includono Ps a stella, Ps a pettine, Ps a spazzola, Ps dendronizzati, Ps a scala e dendrimeri. Esistono anche polimeri bidimensionali costituiti da unità ripetitive topologicamente piatte. È possibile utilizzare una varietà di tecniche per sintetizzare materiale P con vari tipi di dispositivi, come la polimerizzazione vivente.
Altre qualità
La composizione e la struttura dei polimeri nella scienza dei polimeri è correlata al modo in cui la ramificazione porta alla deviazione da una catena P rigorosamente lineare. La ramificazione può verificarsi in modo casuale o le reazioni possono essere progettate per prendere di mira architetture specifiche. Questa è una caratteristica microstrutturale importante. L'architettura di un polimero influisce su molte delle sue proprietà fisiche, tra cui la viscosità della soluzione e del fuso, la solubilità in varie composizioni, la temperatura di transizione vetrosa e la dimensione delle singole bobine P in soluzione. Questo è importante per studiare i componenti contenuti e la struttura dei polimeri.
Diramazione
I rami possono formarsi quando l'estremità in crescita di una molecola polimerica si attacca (a) a se stessa o (b) a un altro filamento P, entrambi i quali, attraverso il ritiro dell'idrogeno, possono creare una zona di crescita per il centro catena.
Effetto ramificazione - reticolazione chimica -formazione di legami covalenti tra catene. La reticolazione tende ad aumentare la Tg e ad aumentare la forza e la tenacità. Tra gli altri usi, questo processo viene utilizzato per rafforzare le gomme in un processo noto come vulcanizzazione, che si basa sulla reticolazione dello zolfo. I pneumatici per auto, ad esempio, hanno un'elevata resistenza e reticolazione per ridurre le perdite d'aria e aumentarne la durata. La gomma, invece, non è reticolata, il che consente alla gomma di staccarsi e previene danni alla carta. La polimerizzazione dello zolfo puro a temperature più elevate spiega anche perché diventa più viscoso a temperature più elevate allo stato fuso.
Griglia
Una molecola polimerica altamente reticolata è chiamata rete P. Un rapporto reticolazione-filamento sufficientemente alto (C) può portare alla formazione di una cosiddetta rete infinita o gel, in cui ciascuno di questi rami è collegato almeno l'uno all' altro.
Con il continuo sviluppo della polimerizzazione vivente, la sintesi di queste sostanze con una specifica architettura sta diventando più facile. Sono possibili architetture come polimeri a stella, a pettine, a spazzola, dendronizzati, dendrimeri e ad anello. Questi composti chimici dall'architettura complessa possono essere sintetizzati sia utilizzando composti di partenza appositamente selezionati, sia prima sintetizzando catene lineari che subiscono ulteriori reazioni per legarsi tra loro. Le P annodate consistono in molte ciclizzazioni intramolecolaricollegamenti in una catena P (PC).
Diramazione
In generale, maggiore è il grado di ramificazione, più compatta è la catena polimerica. Influiscono anche sull'entanglement della catena, sulla capacità di scivolare l'uno sull' altro, che a sua volta influisce sulle proprietà fisiche di massa. Le deformazioni a catena lunga possono migliorare la resistenza, la tenacità e la temperatura di transizione vetrosa (Tg) del polimero a causa dell'aumento del numero di legami nel composto. D' altra parte, un valore casuale e breve di Z può ridurre la resistenza del materiale a causa di una violazione della capacità delle catene di interagire tra loro o cristallizzarsi, il che è dovuto alla struttura delle molecole polimeriche.
Un esempio dell'effetto della ramificazione sulle proprietà fisiche può essere trovato nel polietilene. Il polietilene ad alta densità (HDPE) ha un grado di ramificazione molto basso, è relativamente rigido e viene utilizzato, ad esempio, nella produzione di giubbotti antiproiettile. D' altra parte, il polietilene a bassa densità (LDPE) ha una quantità significativa di fili lunghi e corti, è relativamente flessibile e viene utilizzato in applicazioni come i film plastici. La struttura chimica dei polimeri favorisce proprio tali applicazioni.
Dendrimer
I dendrimeri sono un caso speciale di un polimero ramificato, in cui ogni unità monomerica è anche un punto di diramazione. Ciò tende a ridurre l'entanglement e la cristallizzazione della catena intermolecolare. Un'architettura correlata, il polimero dendritico, non è perfettamente ramificato ma ha proprietà simili ai dendrimeria causa del loro alto grado di ramificazione.
Il grado di complessità strutturale che si verifica durante la polimerizzazione può dipendere dalla funzionalità dei monomeri utilizzati. Ad esempio, nella polimerizzazione radicalica dello stirene, l'aggiunta di divinilbenzene, che ha una funzionalità di 2, porterà alla formazione di P.
ramificato.
Polimeri di ingegneria
I polimeri ingegnerizzati includono materiali naturali come gomma, materiali sintetici, plastica ed elastomeri. Sono materie prime molto utili perché le loro strutture possono essere modificate e adattate per produrre materiali:
- con una gamma di proprietà meccaniche;
- in un'ampia gamma di colori;
- con diverse proprietà di trasparenza.
Struttura molecolare dei polimeri
Un polimero è costituito da molte molecole semplici che ripetono unità strutturali chiamate monomeri (M). Una molecola di questa sostanza può essere composta da centinaia a milioni di M e avere una struttura lineare, ramificata o a rete. I legami covalenti tengono insieme gli atomi e i legami secondari tengono insieme i gruppi di catene polimeriche per formare il polimateriale. I copolimeri sono tipi di questa sostanza, costituiti da due o più tipi diversi di M.
Un polimero è un materiale organico e la base di qualsiasi tipo di sostanza è una catena di atomi di carbonio. Un atomo di carbonio ha quattro elettroni nel suo guscio esterno. Ciascuno di questi elettroni di valenza può formare un covalenteun legame con un altro atomo di carbonio o con un atomo estraneo. La chiave per comprendere la struttura di un polimero è che due atomi di carbonio possono avere fino a tre legami in comune e continuare a legarsi con altri atomi. Gli elementi che si trovano più comunemente in questo composto chimico ei loro numeri di valenza sono: H, F, Cl, Bf e I con 1 elettrone di valenza; O e S con 2 elettroni di valenza; n con 3 elettroni di valenza e C e Si con 4 elettroni di valenza.
Esempio di polietilene
La capacità delle molecole di formare lunghe catene è vitale per produrre un polimero. Considera il materiale polietilene, che è costituito da gas etano, C2H6. Il gas etano ha due atomi di carbonio nella catena e ciascuno ha due elettroni di valenza con l' altro. Se due molecole di etano sono legate insieme, uno dei legami di carbonio in ciascuna molecola può essere rotto e le due molecole possono essere unite da un legame carbonio-carbonio. Dopo che due metri sono stati collegati, altri due elettroni di valenza liberi rimangono a ciascuna estremità della catena per collegare altri metri o fili P. Il processo è in grado di continuare a collegare più metri e polimeri insieme fino a quando non viene interrotto dall'aggiunta di un' altra sostanza chimica (terminatore) che riempie il legame disponibile a ciascuna estremità della molecola. Questo è chiamato polimero lineare ed è l'elemento costitutivo dei composti termoplastici.
La catena polimerica è spesso mostrata in due dimensioni, ma va notato che hanno una struttura polimerica tridimensionale. Ogni collegamento ha un angolo di 109° rispetto asuccessivo, e quindi la spina dorsale di carbonio scorre attraverso lo spazio come una catena contorta di TinkerToys. Quando viene applicata la tensione, queste catene si allungano e l'allungamento P può essere migliaia di volte maggiore rispetto alle strutture cristalline. Queste sono le caratteristiche strutturali dei polimeri.
