Պոլիմերների կառուցվածքի և հատկությունների միջև կապը

Պոլիմերների կառուցվածքի և հատկությունների միջև կապը

Պոլիմերները մակրոմոլեկուլներ են, որոնք կազմված են փոքր կրկնվող միավորներից, որոնք հայտնի են որպես մոնոմերներ: Բնության մեջ հանդիպում են պոլիմերների բազմաթիվ տարբեր տեսակներ, որոնք կարող են նաև սինթեզվել արհեստականորեն: Բնական պոլիմերների օրինակներից են սպիտակուցները, ԴՆԹ-ն և ցելյուլոզը, մինչդեռ սինթետիկ պոլիմերներից են պոլիէթիլենը, պոլիստիրոլը, նեյլոնը և պոլիպրոպիլենը: Ինչպես ցանկացած մեծ մոլեկուլի դեպքում, պոլիմերի կառուցվածքը զգալի ազդեցություն ունի դրա ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների վրա: Այս հոդվածը քննարկում է, թե ինչպես կարելի է բացատրել և օգտագործել պոլիմերների կառուցվածքի և հատկությունների միջև եղած կապը:

Պոլիմերային կառուցվածք

Պոլիմերները կարելի է դասակարգել տարբեր կատեգորիաների՝ կախված իրենց կառուցվածքից և բաղադրիչներից։ Դրանց կառուցվածքը կարելի է դիտարկել մի քանի տեսանկյունից՝

1. Առաջնային կառուցվածք. Սա ներառում է պոլիմերային շղթայում մոնոմերների հաջորդականությունը: Այս շղթան կարող է լինել հոմոպոլիմերային (ձևավորված նույն մոնոմերից) կամ համապոլիմերային (ձևավորված երկու կամ ավելի տարբեր մոնոմերներից):

2. Երկրորդային և երրորդային կառուցվածք. Սա ներառում է պոլիմերային շղթաների կոնֆորմացիան և կողմնորոշումը եռաչափ տարածությունում: Երկրորդային և երրորդային կառուցվածքները շատ կարևոր են պոլիմերի ֆիզիկական հատկությունների, ինչպիսիք են խտությունը, բյուրեղությունը և ճկունությունը, որոշման համար:

3. Ճյուղավորում և խաչաձև կապակցում. Պոլիմերները կարող են ունենալ ճյուղավորված կամ խաչաձև կապված շղթաներ, որոնք ազդում են ամրության և առաձգականության վրա: Ճյուղավորված պոլիմերները հակված են ունենալ ավելի ցածր հալման կետեր և ավելի մեղմ մեխանիկական հատկություններ, քան քիչ կամ առանց ճյուղավորումների պոլիմերները:

4. Տակտիկություն. Սա պոլիմերային շղթայի երկայնքով երկրաչափական կանոնավորությունն է: Պոլիմերները կարող են լինել իզոտակտիկ (բոլոր տեղակալիչները գտնվում են հիմնական շղթայի նույն կողմում), սինդիոտակտիկ (տեղակալները դասավորված են շղթայի երկայնքով կանոնավոր հերթագայությամբ) կամ ատակտիկ (տեղակալները դասավորված են պատահականորեն):

Պոլիմերների հատկությունները

Ինչպե՞ս է պոլիմերների կառուցվածքը որոշակի ազդեցություն ունենում դրանց հատկությունների վրա։ Ահա պոլիմերների որոշ հատկություններ, որոնք մեծապես կախված են դրանց կառուցվածքից.

1. Ձգման ամրություն և առաձգականություն. Խաչաձև կապված պոլիմերներն ունեն ավելի բարձր ձգման ամրություն, քանի որ խաչաձև կապերը կանխում են պոլիմերային շղթաների քանդվելը ձգման ժամանակ: Ռետինանման պոլիմերների առաձգական հատկությունները նույնպես սերտորեն կապված են խաչաձև կապերի հետ, որոնք կարող են վերադառնալ իրենց սկզբնական ձևին լարվածության ենթարկվելուց հետո:

2. Կարծրություն և ջերմաստիճանային դիմադրություն. Բյուրեղային պոլիմերներն ունեն ավելի խիտ կառուցվածք և սովորաբար ավելի կարծր են, քան ամորֆ պոլիմերները, որոնք ունեն ավելի պատահական կառուցվածք: Այս կարծրությունը նաև մեծացնում է բարձր ջերմաստիճանների նկատմամբ դիմադրությունը:

3. Հալման կետ և ամրություն. Պոլիմերներում ճյուղավորված շղթայական կառուցվածքները հակված են նվազեցնել շղթայի փաթեթավորման խտությունը, ինչը կարող է իջեցնել դրանց հալման կետերը: Ինչ վերաբերում է ամրությանը, պատահական կառուցվածքները, ինչպիսիք են ատակտիկ պոլիմերներում, հնարավորություն են տալիս կլանել ավելի բարձր հարվածային էներգիա, քան սովորական կառուցվածքները:

4. Օպտիկական հատկություններ. Բարձր բյուրեղային պոլիմերները հակված են համեմատաբար անթափանց լինելու՝ լույսը ցրող բարձր կարգավորված շրջանների առկայության պատճառով: Ի տարբերություն դրա, ամորֆ պոլիմերները կարող են բավականին թափանցիկ լինել, քանի որ դրանց կառուցվածքի պատահական կարգը թույլ է տալիս լույսին ավելի հեշտությամբ անցնել:

5. Թափանցելիություն և կենսաքայքայվելիություն. ծակոտկեն կամ ճյուղավորված կառուցվածքները կարող են մեծացնել պոլիմերի թափանցելիությունը գազերի կամ հեղուկների նկատմամբ: Մյուս կողմից, խաչաձև կապը և բյուրեղայնության բարձր աստիճանը հակված են նվազեցնել կենսաքայքայվելիությունը, քանի որ դրանք պոլիմերի քայքայումը դարձնում են ավելի դժվար միկրոօրգանիզմների համար:

6. Ճկունություն և կպչունություն. Պոլիէթիլենը (PE) ուղիղ շղթայով պոլիմերի օրինակ է՝ բարձր ճկունությամբ: Ճյուղավորվող կամ բարձր խաչաձև կապերով պոլիմերները հակված են լինել պակաս ճկուն, բայց ավելի կոշտ: Միևնույն ժամանակ, կպչունությունը հաճախ հանդիպում է այն պոլիմերներում, որոնց կառուցվածքները կարող են լավ փոխազդել տարբեր մակերեսների հետ:

Կառուցվածքի և պոլիմերի հատկությունների միջև կապի մեխանիզմը և տեսությունը

Պոլիմերների մեխանիկական, ջերմային և օպտիկական հատկությունները կարելի է կանխատեսել և փոփոխել՝ հիմնվելով դրանց կառուցվածքի ըմբռնման վրա: Մի շարք մեխանիզմներ և տեսություններ բացատրում են, թե ինչպես է կառուցվածքը ազդում պոլիմերի հատկությունների վրա:

ճկուն շղթայի տեսություն

Այս տեսության համաձայն, պոլիմերային շղթաների ճկունությունը շղթայի ներսում ներքին կապերի ազատ պտույտի արդյունք է: Ավելի ճկուն կառուցվածքը կհանգեցներ ամորֆ պոլիմերների, որոնք ունեն բարձր ճկունություն և ցածր հալման կետեր:

Բոլցմանի մոդել

Այս տեսությունը բացատրում է մոլեկուլային էներգիայի բաշխումը տարբեր էներգետիկ մակարդակների միջև։ Պոլիմերների համատեքստում այն ​​օգնում է բացատրել, թե ինչպես կարող են պոլիմերային շղթաները բյուրեղներ առաջացնել կամ ամորֆ մնալ ջերմաստիճանի փոփոխության ժամանակ։

Էլաստոմերային ցանցի տեսություն

Սա հատկապես վերաբերում է ջերմակայուն պոլիմերներին, ինչպիսին է կաուչուկը, որոնք կարող են վերադառնալ իրենց սկզբնական ձևին լարվածության ենթարկվելուց հետո: Այս ցանցը բաղկացած է խաչաձև կապված պոլիմերային շղթաներից, որոնք ստեղծում են եզակի ռետինե էֆեկտ, որը կենսական նշանակություն ունի այնպիսի կիրառությունների համար, ինչպիսիք են ավտոմեքենաների անվադողերը:

Պոլիմերների ջերմադինամիկա և վիճակագրություն

Թերմոդինամիկ մոտեցումը բացատրում է էնտրոպիայի և էնթալպիայի միջև հավասարակշռությունը պոլիմերի վերջնական վիճակը որոշելու հարցում, անկախ նրանից՝ բյուրեղային է, թե ամորֆ։ Վիճակագրությունը գնահատում է պատահական գործոնները և որոշում պոլիմերային շղթաների երկարությունների բաշխումը, որոնք ազդում են դրա ֆիզիկական հատկությունների վրա։

Պոլիմերների կառուցվածքի և հատկությունների միջև կապի կիրառումը

Պոլիմերային կառուցվածքի և հատկությունների միջև եղած փոխհարաբերության ըմբռնումը գիտնականներին և ինժեներներին հնարավորություն է տալիս մշակել հատուկ կատարողականությամբ նյութեր՝ լայն շրջանակի կիրառությունների համար՝ ինքնաթիռների բաղադրիչներից մինչև բժշկական սարքավորումներ և սննդի փաթեթավորում։

1. Կոմպոզիտային նյութեր. Ածխածնային կամ ապակե մանրաթելերով ամրացված կառուցվածքներով պոլիմերներն օգտագործվում են ավիացիոն կիրառություններում՝ ցածր քաշով բարձր ամրության համար:

2. Ընտրողական մեմբրաններ. Հատուկ կառուցվածք ունեցող պոլիմերները կարող են օգտագործվել մեմբրանների համար, որոնք ընտրողական են որոշակի իոնների կամ մոլեկուլների նկատմամբ, ինչը կարևոր է ջրի մաքրման և բժշկական տեխնոլոգիաների համար:

3. Հաղորդիչ պոլիմերներ. Պատշաճ խառնուրդով պոլիմերային կառուցվածքները կարող են փոփոխվել՝ էլեկտրականություն հաղորդելու համար, որն օգտագործվում է ճկուն էլեկտրոնային սարքերում, ինչպիսիք են OLED-ները և պոլիմերային մարտկոցները:

4. Փաթեթավորում և փաթեթավորում. Պոլիմերային կառուցվածքները, որոնք ապահովում են բարձր ճկունություն և թափանցիկություն, կարևոր են սննդի փաթեթավորման համար, որը կարող է պահպանել թարմությունը և երկարացնել պահպանման ժամկետը:

5. Բժշկական և կենսաքայքայվող պոլիմերներ. Իմպլանտացվող բժշկական սարքերի համար, որոնք կարող են քայքայվել օրգանիզմում, օգտագործվում են պոլիմերներ, որոնց կառուցվածքները կարող են քայքայվել միկրոօրգանիզմների կողմից, ինչը նվազեցնում է վիրաբուժական հեռացման անհրաժեշտությունը:

Պոլիմերային կառուցվածքի և հատկությունների միջև եղած կապը ուսումնասիրելով և հասկանալով՝ մենք կարող ենք ավելի լավ նախագծել նյութեր, որոնք ոչ միայն համապատասխանում են տեխնիկական պահանջներին, այլև են էկոլոգիապես մաքուր։ Սա հիմք է հանդիսանում նյութագիտության և քիմիական ճարտարագիտության անվերջ նորարարությունների համար, որոնք զգալի ազդեցություն ունեն տարբեր արդյունաբերական ոլորտների և առօրյա կյանքի վրա։