หลายคนสนใจคำถามที่ว่าโครงสร้างโพลีเมอร์มีอะไรบ้าง คำตอบจะได้รับในบทความนี้ คุณสมบัติของพอลิเมอร์ (ต่อจากนี้ไป - P) โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นหลายคลาส ขึ้นอยู่กับมาตราส่วนที่กำหนดคุณสมบัติ เช่นเดียวกับตามพื้นฐานทางกายภาพ คุณภาพพื้นฐานที่สุดของสารเหล่านี้คือเอกลักษณ์ของโมโนเมอร์ที่เป็นส่วนประกอบ (M) คุณสมบัติชุดที่สอง เรียกว่า โครงสร้างจุลภาค หมายความถึงการจัดเรียงของ Ms เหล่านี้ใน P ในระดับ Z ลักษณะโครงสร้างพื้นฐานเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพจำนวนมากของสารเหล่านี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่า P มีพฤติกรรมอย่างไร วัสดุมหภาค คุณสมบัติทางเคมีในระดับนาโนอธิบายว่าโซ่มีปฏิสัมพันธ์อย่างไรผ่านแรงทางกายภาพต่างๆ ในระดับมหภาค จะแสดงให้เห็นว่า P พื้นฐานโต้ตอบกับสารเคมีและตัวทำละลายอื่นๆ อย่างไร
เอกลักษณ์
เอกลักษณ์ของลิงก์ซ้ำที่ประกอบขึ้นเป็น P เป็นอันดับแรกและคุณลักษณะที่สำคัญที่สุด การตั้งชื่อของสารเหล่านี้มักจะขึ้นอยู่กับชนิดของโมโนเมอร์ตกค้างที่ประกอบเป็นพี โพลีเมอร์ที่มีหน่วยการทำซ้ำเพียงประเภทเดียวเรียกว่าโฮโม-พี ในเวลาเดียวกัน Ps ที่มีหน่วยซ้ำสองประเภทขึ้นไปเรียกว่าโคพอลิเมอร์ เทอร์โพลีเมอร์มีหน่วยการทำซ้ำสามประเภท
Polystyrene เช่น ประกอบด้วยสไตรีน M เท่านั้น จึงจัดอยู่ในประเภท Homo-P ในทางกลับกัน เอทิลีนไวนิลอะซิเตทมีหน่วยการทำซ้ำมากกว่าหนึ่งประเภทและเป็นโคพอลิเมอร์ Ps ทางชีวภาพบางตัวประกอบด้วยโมโนเมอร์ตกค้างที่แตกต่างกันมากมายแต่เกี่ยวข้องกับโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น โพลีนิวคลีโอไทด์เช่น DNA ประกอบด้วยหน่วยย่อยของนิวคลีโอไทด์สี่ประเภท
โมเลกุลโพลีเมอร์ที่มีหน่วยย่อยที่แตกตัวเป็นไอออนได้นั้นเรียกว่าพอลิอิเล็กโทรไลต์หรือไอโอโนเมอร์
จุลภาค
โครงสร้างจุลภาคของพอลิเมอร์ (บางครั้งเรียกว่าโครงแบบ) สัมพันธ์กับการจัดเรียงทางกายภาพของ M ตกค้างตามสายโซ่หลัก เหล่านี้เป็นองค์ประกอบของโครงสร้าง P ที่ต้องการการแตกหักของพันธะโควาเลนต์เพื่อที่จะเปลี่ยนแปลง โครงสร้างมีอิทธิพลอย่างมากต่อคุณสมบัติอื่นๆ ของ P ตัวอย่างเช่น ยางธรรมชาติ 2 ตัวอย่างสามารถแสดงความทนทานที่แตกต่างกันแม้ว่าโมเลกุลของยางจะมีโมโนเมอร์เหมือนกัน
โครงสร้างและคุณสมบัติของโพลีเมอร์
ประเด็นนี้สำคัญมากที่จะต้องชี้แจง ลักษณะโครงสร้างจุลภาคที่สำคัญของโครงสร้างพอลิเมอร์คือสถาปัตยกรรมและรูปร่างซึ่งสัมพันธ์กับวิธีการจุดสาขานำไปสู่การเบี่ยงเบนจากลูกโซ่เชิงเส้นอย่างง่าย โมเลกุลที่แตกแขนงของสารนี้ประกอบด้วยสายโซ่หลักที่มีสายโซ่ข้างหรือกิ่งย่อยอย่างน้อยหนึ่งสาย ประเภทของกิ่ง Ps ได้แก่ star Ps, comb Ps, brush Ps, dendronized Ps, Ladder Ps และ dendrimers นอกจากนี้ยังมีพอลิเมอร์สองมิติที่ประกอบด้วยหน่วยการทำซ้ำแบบทอพอโลยี สามารถใช้เทคนิคต่างๆ ในการสังเคราะห์วัสดุ P กับอุปกรณ์ประเภทต่างๆ ได้ เช่น การทำโพลิเมอไรเซชันที่มีชีวิต
คุณสมบัติอื่นๆ
องค์ประกอบและโครงสร้างของพอลิเมอร์ในวิทยาศาสตร์พอลิเมอร์นั้นสัมพันธ์กับการที่การแตกแขนงนำไปสู่การเบี่ยงเบนจาก P-chain ที่เป็นเส้นตรงอย่างเคร่งครัด การแยกสาขาอาจเกิดขึ้นแบบสุ่ม หรือปฏิกิริยาอาจได้รับการออกแบบเพื่อกำหนดเป้าหมายสถาปัตยกรรมเฉพาะ นี่เป็นคุณลักษณะโครงสร้างจุลภาคที่สำคัญ สถาปัตยกรรมของพอลิเมอร์ส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพหลายประการ รวมทั้งความหนืดของสารละลายและหลอมเหลว ความสามารถในการละลายในองค์ประกอบต่างๆ อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว และขนาดของ P-coils แต่ละตัวในสารละลาย นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการศึกษาส่วนประกอบที่มีอยู่และโครงสร้างของโพลีเมอร์
สาขา
กิ่งก้านสามารถก่อตัวได้เมื่อปลายการเติบโตของโมเลกุลโพลีเมอร์เกาะติด (a) กลับมาที่ตัวเองหรือ (b) กับ P-strand อื่นซึ่งทั้งสองอย่างนี้ผ่านการถอนไฮโดรเจนสามารถสร้างโซนการเติบโตสำหรับตรงกลาง โซ่.
ผลการแตกแขนง - การเชื่อมขวางทางเคมี -การก่อตัวของพันธะโควาเลนต์ระหว่างโซ่ การเชื่อมขวางมีแนวโน้มที่จะเพิ่ม Tg และเพิ่มความแข็งแกร่งและความเหนียว ในการใช้งานอื่นๆ กระบวนการนี้ใช้เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับยางในกระบวนการที่เรียกว่าวัลคาไนเซชั่น ซึ่งอาศัยการเชื่อมขวางของกำมะถัน ยางรถยนต์เช่นมีความแข็งแรงสูงและเชื่อมขวางเพื่อลดการรั่วไหลของอากาศและเพิ่มความทนทาน ในทางกลับกัน ยางไม่ได้เชื่อมขวาง ซึ่งช่วยให้ยางลอกออกและป้องกันความเสียหายต่อกระดาษ การเกิดพอลิเมอไรเซชันของกำมะถันบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิสูงขึ้นยังอธิบายได้ว่าทำไมมันจึงมีความหนืดมากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้นในสถานะหลอมเหลว
ตาราง
โมเลกุลโพลีเมอร์ที่มีการเชื่อมขวางสูงเรียกว่าเครือข่าย P อัตราส่วนขวางต่อเส้นใยสูงเพียงพอ (C) สามารถนำไปสู่การก่อตัวของเครือข่ายที่เรียกว่าอนันต์หรือเจล ซึ่งแต่ละสาขาดังกล่าวเชื่อมโยงอย่างน้อยหนึ่งสาขา
ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของโพลิเมอไรเซชันที่มีชีวิต การสังเคราะห์สารเหล่านี้ด้วยสถาปัตยกรรมเฉพาะกลายเป็นเรื่องง่าย สถาปัตยกรรมต่างๆ เช่น สตาร์ หวี แปรง เดนโดรไนซ์ เดนไดรเมอร์ และโพลิเมอร์แบบวงแหวน สารประกอบเคมีเหล่านี้ที่มีสถาปัตยกรรมที่ซับซ้อนสามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้สารประกอบตั้งต้นที่คัดเลือกมาเป็นพิเศษ หรือขั้นแรกโดยการสังเคราะห์สายโซ่เชิงเส้นที่ทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมเพื่อเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน Ps ที่ผูกปมประกอบด้วยการหมุนเวียนภายในโมเลกุลจำนวนมากลิงค์ใน P-chain (PC).
สาขา
โดยทั่วไป ยิ่งระดับการแตกแขนงสูงเท่าไร ห่วงโซ่โพลีเมอร์ก็จะยิ่งกระชับมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ยังส่งผลต่อการพันกันของลูกโซ่ ความสามารถในการเลื่อนผ่านกัน ซึ่งจะส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพจำนวนมาก สายโซ่ยาวสามารถปรับปรุงความแข็งแรง ความเหนียว และอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) ของพอลิเมอร์ได้ เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของจำนวนพันธะในสารประกอบ ในทางกลับกัน ค่า Z แบบสุ่มและสั้นสามารถลดความแข็งแรงของวัสดุได้เนื่องจากการละเมิดความสามารถของโซ่ในการโต้ตอบกันหรือการตกผลึกซึ่งเกิดจากโครงสร้างของโมเลกุลโพลีเมอร์
ตัวอย่างผลกระทบของการแตกกิ่งต่อคุณสมบัติทางกายภาพสามารถพบได้ในโพลิเอทิลีน โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) มีการแตกแขนงในระดับต่ำมาก มีความแข็งค่อนข้างมาก และใช้ในการผลิตเสื้อเกราะกันกระสุน เป็นต้น ในทางกลับกัน โพลีเอทิลีนความหนาแน่นต่ำ (LDPE) มีเส้นใยยาวและสั้นจำนวนมาก มีความยืดหยุ่นค่อนข้างดี และใช้ในการใช้งานต่างๆ เช่น ฟิล์มพลาสติก โครงสร้างทางเคมีของโพลีเมอร์สนับสนุนการใช้งานดังกล่าวเท่านั้น
Dendrimers
Dendrimers เป็นกรณีพิเศษของพอลิเมอร์ที่มีกิ่งซึ่งแต่ละหน่วยโมโนเมอร์เป็นจุดแยกด้วย สิ่งนี้มีแนวโน้มที่จะลดการพัวพันของสายโซ่ระหว่างโมเลกุลและการตกผลึก สถาปัตยกรรมที่เกี่ยวข้อง คือ เดนไดรต์พอลิเมอร์ ไม่ได้แตกแขนงอย่างสมบูรณ์แต่มีคุณสมบัติคล้ายกับเดนไดรเมอร์เนื่องจากมีการแตกแขนงในระดับสูง
ระดับความซับซ้อนของโครงสร้างที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการโพลิเมอไรเซชันอาจขึ้นอยู่กับการทำงานของโมโนเมอร์ที่ใช้ ตัวอย่างเช่น ในการโพลิเมอไรเซชันจากอนุมูลอิสระของสไตรีน การเติมไดวินิลเบนซีนซึ่งมีฟังก์ชันเท่ากับ 2 จะนำไปสู่การก่อตัวของ P.
โพลีเมอร์วิศวกรรม
โพลีเมอร์เชิงวิศวกรรมประกอบด้วยวัสดุธรรมชาติ เช่น ยาง สารสังเคราะห์ พลาสติก และอีลาสโตเมอร์ เป็นวัตถุดิบที่มีประโยชน์มากเพราะโครงสร้างสามารถเปลี่ยนแปลงและปรับให้เข้ากับวัสดุในการผลิตได้:
- ด้วยคุณสมบัติทางกลที่หลากหลาย
- ในหลากหลายสี;
- พร้อมคุณสมบัติโปร่งใสที่แตกต่างกัน
โครงสร้างโมเลกุลของโพลีเมอร์
โพลีเมอร์ประกอบด้วยโมเลกุลอย่างง่ายจำนวนมากที่ทำซ้ำหน่วยโครงสร้างที่เรียกว่าโมโนเมอร์ (M) หนึ่งโมเลกุลของสารนี้สามารถประกอบด้วย M ได้หลายร้อยถึงล้าน และมีโครงสร้างเชิงเส้น กิ่ง หรือโครงข่าย พันธะโควาเลนต์ยึดอะตอมไว้ด้วยกันและพันธะรองจากนั้นจับกลุ่มของสายพอลิเมอร์ไว้ด้วยกันเพื่อสร้างวัสดุโพลีเมอร์ โคพอลิเมอร์คือชนิดของสารนี้ ประกอบด้วย M.
สองชนิดขึ้นไป
พอลิเมอร์เป็นวัสดุอินทรีย์ และพื้นฐานของสารประเภทนี้ก็คือสายโซ่ของอะตอมคาร์บอน อะตอมของคาร์บอนมีอิเล็กตรอนสี่ตัวอยู่ในเปลือกนอก เวเลนซ์อิเล็กตรอนแต่ละตัวสามารถก่อตัวเป็นโควาเลนต์ได้พันธะกับอะตอมของคาร์บอนอื่นหรือกับอะตอมแปลกปลอม กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจโครงสร้างของพอลิเมอร์คืออะตอมของคาร์บอนสองอะตอมสามารถมีพันธะร่วมกันได้ถึงสามพันธะและยังคงยึดเหนี่ยวกับอะตอมอื่นๆ องค์ประกอบที่พบมากที่สุดในสารประกอบเคมีนี้และเลขเวเลนซ์ของพวกมันคือ: H, F, Cl, Bf และ I ที่มี 1 วาเลนซ์อิเล็กตรอน; O และ S ที่มี 2 เวเลนซ์อิเล็กตรอน; n มีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 3 ตัว และ C และ Si มีอิเล็กตรอน 4 ตัว
ตัวอย่างโพลิเอทิลีน
ความสามารถของโมเลกุลในการสร้างสายโซ่ยาวมีความสำคัญต่อการผลิตโพลีเมอร์ พิจารณาวัสดุโพลีเอทิลีนซึ่งทำจากก๊าซอีเทน C2H6 ก๊าซอีเทนมีอะตอมของคาร์บอน 2 อะตอมในสายโซ่ และแต่ละอะตอมมีวาเลนซ์อิเล็กตรอน 2 ตัวต่อกัน หากโมเลกุลอีเทนสองโมเลกุลถูกผูกมัดเข้าด้วยกัน พันธะคาร์บอนหนึ่งพันธะในแต่ละโมเลกุลอาจแตกสลาย และโมเลกุลทั้งสองอาจเชื่อมต่อกันด้วยพันธะคาร์บอน-คาร์บอน หลังจากเชื่อมต่อสองเมตรแล้ว อิเล็กตรอนวาเลนซ์อิสระอีกสองตัวจะยังคงอยู่ที่ปลายแต่ละด้านของโซ่เพื่อเชื่อมต่อเมตรอื่นหรือเกลียว P กระบวนการนี้สามารถเชื่อมต่อเมตรและโพลีเมอร์เข้าด้วยกันต่อไปได้จนกว่าจะหยุดโดยการเพิ่มสารเคมีอื่น (เทอร์มิเนเตอร์) ที่เติมพันธะที่มีอยู่ที่ปลายแต่ละด้านของโมเลกุล สิ่งนี้เรียกว่าพอลิเมอร์เชิงเส้นและเป็นส่วนประกอบสำคัญสำหรับสารประกอบเทอร์โมพลาสติก
โซ่โพลีเมอร์มักจะแสดงเป็นสองมิติ แต่ควรสังเกตว่ามีโครงสร้างโพลีเมอร์สามมิติ แต่ละลิงก์ทำมุม 109° ถึงถัดไป และด้วยเหตุนี้ กระดูกสันหลังของคาร์บอนจึงไหลผ่านอวกาศเหมือนสายโซ่บิดของทิงเกอร์ทอยส์ เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า โซ่เหล่านี้จะยืดออก และการยืดตัว P อาจมากกว่าโครงสร้างผลึกหลายพันเท่า นี่คือลักษณะโครงสร้างของโพลีเมอร์
