Однос између структуре и својстава полимера
Полимери су макромолекули састављени од малих понављајућих јединица, познатих као мономери. У природи се налази много различитих врста полимера који се могу и вештачки синтетизовати. Примери природних полимера укључују протеине, ДНК и целулозу, док синтетички полимери укључују полиетилен, полистирен, најлон и полипропилен. Као и код сваког великог молекула, структура полимера има значајан утицај на његова физичка и хемијска својства. Овај чланак разматра како се може објаснити и искористити веза између структуре и својстава полимера.
Структура полимера
Полимери се могу класификовати у различите категорије на основу њихове структуре и састојака. Њихова структура се може посматрати са неколико аспеката:
1. Примарна структура: Ово укључује редослед мономера у полимерном ланцу. Овај ланац може бити хомополимерни (формиран од истог мономера) или кополимерни (формиран од два или више различитих мономера).
2. Секундарна и терцијарна структура: Ово укључује конформацију и оријентацију полимерних ланаца у 3Д простору. Секундарна и терцијарна структура су веома важне у одређивању физичких својстава као што су густина, кристалност и дуктилност полимера.
3. Гранање и умрежавање: Полимери могу имати разгранате или умрежене ланце, што утиче на чврстоћу и еластичност. Разгранати полимери имају тенденцију да имају ниже тачке топљења и блажа механичка својства од полимера са мало или без грана.
4. Тактичност: Ово је геометријска правилност дуж полимерног ланца. Полимери могу бити изотактични (сви супституенти су на истој страни главног ланца), синдиотактички (супституенти су распоређени на правилан, наизменични начин дуж ланца) или атактични (супституенти су распоређени насумично).
Особине полимера
Како структура полимера ствара одређене ефекте на њихова својства? Ево неких својстава полимера на која у великој мери утиче њихова структура:
1. Затезна чврстоћа и еластичност: Умрежени полимери имају већу затезну чврстоћу јер умрежене везе спречавају расплитање полимерних ланаца приликом повлачења. Еластична својства полимера сличних гуми такође су уско повезана са умрежавањем, које се могу вратити у свој првобитни облик након што су изложене напрезању.
2. Тврдоћа и отпорност на температуру: Кристални полимери имају гушћу структуру и обично су тврђи од аморфних полимера, који имају хаотичнију структуру. Ова тврдоћа такође повећава отпорност на високе температуре.
3. Тачка топљења и жилавост: Структуре разгранатих ланаца у полимерима имају тенденцију да смање густину паковања ланаца, што може снизити њихове тачке топљења. Што се тиче жилавости, насумичне структуре попут оних у атактичним полимерима пружају могућност апсорпције веће енергије удара од обичних структура.
4. Оптичка својства: Висококристални полимери имају тенденцију да буду релативно непрозирни због присуства високо уређених региона који расејавају светлост. Насупрот томе, аморфни полимери могу бити прилично транспарентни јер случајни редослед у њиховој структури омогућава светлости да лакше пролази.
5. Пропустљивост и биоразградивост: Порозне или разгранате структуре могу повећати пропустљивост полимера за гасове или течности. С друге стране, умрежавање и висок степен кристалности имају тенденцију да смање биоразградивост јер микроорганизмима отежавају разградњу полимера.
6. Флексибилност и лепљивост: Полиетилен (ПЕ) је пример полимера са равним ланцем и високом флексибилношћу. Полимери са гранањем или високим умрежавањем имају тенденцију да буду мање флексибилни, али тврђи. У међувремену, лепљивост се често налази код полимера са структурама које могу добро да интерагују са различитим површинама.
Механизам и теорија односа између структуре и својстава полимера
Механичка, термичка и оптичка својства полимера могу се предвидети и модификовати на основу разумевања њихове структуре. Неколико механизама и теорија објашњава како структура утиче на својства полимера.
Теорија флексибилних ланаца
Према овој теорији, флексибилност полимерних ланаца је резултат слободне ротације унутрашњих веза унутар ланца. Флексибилнија структура би довела до аморфних полимера са својствима као што су висока флексибилност и ниске тачке топљења.
Болцманов модел
Ова теорија објашњава расподелу молекуларне енергије на различитим енергетским нивоима. У контексту полимера, она помаже у објашњењу како полимерни ланци могу формирати кристале или остати аморфни како се температура мења.
Теорија еластомерних мрежа
Ово се посебно односи на термореактивне полимере попут гуме, који се могу вратити у свој првобитни облик након што су изложени напрезању. Ова мрежа се састоји од умрежених полимерних ланаца, стварајући јединствен гумени ефекат који је од виталног значаја за примене као што су гуме за возила.
Термодинамика и статистика полимера
Термодинамички приступ објашњава равнотежу између ентропије и енталпије при одређивању коначног стања полимера, било да је кристални или аморфни. Статистика процењује факторе случајности и одређује расподелу дужина полимерних ланаца који утичу на његова физичка својства.
Примена везе између структуре и својстава полимера
Разумевање односа између структуре и својстава полимера омогућава научницима и инжењерима да развију материјале са специфичним перформансама за широк спектар примене, од компоненти авиона до медицинских уређаја и амбалаже за храну.
1. Композитни материјали: Полимери са структурама ојачаним угљеничним или стакленим влакнима користе се у ваздухопловним применама за високу чврстоћу уз малу тежину.
2. Селективне мембране: Полимери са специфичним структурама могу се користити за мембране које су селективне за специфичне јоне или молекуле, важне за пречишћавање воде и медицинске технологије.
3. Проводни полимери: Уз правилно допирање, полимерне структуре се могу модификовати да проводе електрицитет, што се користи у флексибилним електронским уређајима као што су OLED диоде и полимерне батерије.
4. Паковање и паковање: Полимерне структуре које пружају високу флексибилност и транспарентност су неопходне за паковање хране које може одржати свежину и продужити рок трајања.
5. Медицински и биоразградиви полимери: Полимери са структурама које микроорганизми могу разградити користе се за имплантабилне медицинске уређаје који се могу разградити у телу, смањујући потребу за хируршким уклањањем.
Проучавањем и разумевањем односа између структуре и својстава полимера, можемо боље дизајнирати материјале који не само да испуњавају техничке захтеве већ су и еколошки прихватљиви. Ово отвара пут бескрајним иновацијама у науци о материјалима и хемијском инжењерству, што има значајан утицај на различите индустријске секторе и свакодневни живот.
