Bir polimerin kimyasal mimarisi sadece sırt kemiği değil, aynı zamanda pendant gruplar – yan zincirler – bu temel zincirden gelen bir fikre sahiptir.Bu makale, bir polimerin kristal yapısı ve mekanik özellikleri ile ilgili güçlü determinantlar sunar, malzeme bilimi için öngörür, mühendisler için öngörür ve daldırmayı ister.

Yan zincirler ve polimer davranışları arasındaki etkileşim, gelişmiş malzemeler tasarlamak için önemlidir.Uygun plastiklerden özel mühendislik reçinelerine kadar, yan zincir, temel fizik ve kimyayı moleküler düzeyde keşfederken, küçük substituentin neden süreçability, dayanıklılık ve işlev üzerinde büyük ölçüde etkileri olduğunu takdir edebiliriz.

Metal ve Kristal Zincirlerin Doğası ve Sınıfları Polimerlerde

Side zincirleri, bir polimerin arka kemiğine bağlı atomlar veya atom gruplarıdır. Onlar arka kemiği bağlar olarak aynı şekilde tekrarlanan ünitenin bir parçası değildir, ancak dışarıya doğru, influencing zinciri uygunlaştırma, intermolecular kuvvetler ve paketleme davranışları.

Sınıflama açısından, yan zincirler genellikle tarafından gruplandırılıyor:

  • [FONT:0)Size ve büyük bir yığın: [Dönder: Küçük (ortak, pürüz) vs. büyük (tert-butyl, phenyl).
  • [FONT=0)Flexability:[Dönetici:[Dönergesel alkyl zincirler) vs. sert (amatik halkalar).
  • [FONT:0)Polarity:[[Dönem: 1) Nonpolar (hidrkarbon) vs. kutup (hidrojen, karboxyl, yarıjen).
  • [FONT:0)Branching: [Dönder taraf zincirler vs. dallanmış veya enddritik altstituentler.

Her kategori kristalleşme ve mekanik üzerinde farklı etkiler yaratıyor. Örneğin, tilkide (PP) bir helical uygunluk, kristalleşmeyi teşvik eden bir eksyl grubudur, ancak polistyrene (PS) çok yakın bir paket, oda sıcaklığında morfize malzeme verir.

Side Zinciri Kimyası Kristal Yapının Nasıl Etkiler

Polimerlerdeki kristallik zincirler katlandığında ve sipariş edilene uyum sağlarken, periyodik diziler. kristalinlik derecesi, kristal lamellae büyüklüğü ve mükemmelliği ve kristal birim hücresi türü tüm hassastır: Birkaç mekanizma bu etkiyi sağlar:

Steric Hindrance ve Ambalaj Verimliliği

Bulky side zincirleri, komşu zincirlerin yakın yaklaşımını fiziksel olarak engeller. kristalleşmenin gerçekleşmesi için, polimer zincirleri, yoğun kapaklara izin veren uygunlaştırmalar benimsemeli, büyük fluorine atomları bozan serbest hacmi artırmaktadır, genellikle daha düşük bir miktarla birlikte yüksek kristalliği ve daha büyük bir miktar içeriği sergilemelidir.

Steric etkiler özellikle atactic polimerlerde, yan zincirlerin rastgele yönlendirildiği yerlerde, bir helical düzenlemede zincirler yığılmalarına izin veriyor, tamamen amorf bir yapı tedarik ediyor. aksine, yan zincirler aynı tarafta yatıyor, zincirler bir heligede yığılmalarına izin veriyor.

Side Zincir Hareketliliği ve Kristalizasyon Kinetik

Esnek yan zincirler - uzun alkyl uzayçılar gibi - oksidatif grupları arka kemiğinden ayırarak, segmentlerin kristal büyüme cephelerine kadar yükseltebilmelerini sağlar. Bu gelişmiş hareketlilik kristalizasyon oranlarını hızlandırabilir. Örneğin, yan zincir sıvı polimerler genellikle arka kemiğinden mesojenik gruba bağlı olarak bağlıdır, faz oluşturmasını emretti.

Ancak aşırı taraf zincir esnekliği, erimenin entropisini yükselterek sürüş kuvvetini de azaltabilir. Kısa, katı yan gruplar daha hızlı kristalleşmeyi teşvik etmeye eğilimlidir, çünkü zincir katlama sırasında büyük uyum cezaları tanımıyorlar.

Polar Interactions ve Hidrojen Bonding

Polar yan zincir güçlü intermolecular kuvvetler tanıtıyor - kutup-dipole etkileşimleri, hidrojen bağı veya iyonik dernekler – bu da kristalliği teşvik edebilir veya bozmak olabilir. Polyamidler gibi polimerlerde, amid grupları (polar ve hidrojen bağını) zincirlemeyi teşvik eder, yüksek mekanik güce yol açar.

Örneğin, poli(vinyl klorür) (VPN) hem kutup hem de nispeten kaba bir faza katkıda bulunan bir klor tarafı zincirine sahiptir.Bazı kristalite sindiotactic PVC'de, genel kristalite normal bir lattice'de kutup gruplarının toplanmasının zorluğu nedeniyle düşükdür.

Branş ve Komnomer Dağıtım

Side zincirleri kendilerini dalılabilir (örneğin, düşük çözünürlükte ve genel olarak kristalinliği azaltılabilir, LDPE). Yüksek basınçlı polimerizasyon sırasında sık sık sık kristaller arasındaki fiziksel bağlar yaratırlar – kristaller arasındaki hassas kontroller, kristal mükemmelliği ve böylece mekanik özellikleri azaltır.

Kristal Yapı Yapısında Side Zincir Etkilerinin Özel Örnekleri

(P)

Yüksek çözünürlükte polindi (HDPE) en az yan dalına sahiptir, zincirlerin kristalize veya kristalize bir hücreye kadar baskı yapan kristalize izin verir.Bu nedenle, yüksek çözünürlükte sert, güçlü ve düşük çözünürlükte polinojenler ile orta davranış gösterir.

Polizdi (PP)

Polikliniğinde küçük ve nonpolar var, ancak taktiksel (aPP) çok önemlidir. Isotactic PP (iPP) kristalleri (α-form) bir helical zincir uygunluk ile, yüksek bir erime noktası (~160°C) ve sertlik. Atactic PP (aPP) bir karbonatlı ve tacky. Syndiotactic PP (sPP) kristalleri ancak farklı bir birim hücresi ile.

Polystyrene (PS)

Atak polistyrene klasik bir amorf termoplastikdir - belirgin, brittle, önemli kristallik ile.Köpektif phenyl ring zincir kayıtlarını önler. Isotactic PS can kristallize (melting point ~230°C) ama nadiren ticari olarak kullanılır.

Poly(metil methacrylate) (PMMA)

PMMA'nın bir metil grubu ve kutup esteri zinciri var. .. . . . .. .. .. .. ....................................................................................

Poly(vinyl alkol) (PVA) ve Poly(vinyl klorür) (VPN)

PVA, güçlü hidrojen bağlarını oluşturan küçük bir hidroxyl yan grubuna sahiptir, kristaliteye hatta atactic segmentlere izin verir. PVC klor grubu daha büyük ve kutuptur; sindiotactic PVC kristalize olabilir, ancak yavaş yavaş, ve ticari PVC büyük ölçüde morfiğe sahiptir.

Mekanik Özellikler, Side Zinciri Kimyası tarafından Etkilendi

Bir polimerin mekanik performansı - sertlik, güç, sertlik ve elongasyon - sırayla yan zincirler tarafından modlanmış olan kristal yapısına bağlı olarak. aşağıdaki yönler en önemli:

Elastik Modulus ve Çekme Güç

Kristal bölgeler fiziksel bağlantılar olarak hareket eder ve yeniden teşvik edilir. Yüksek kristallik genellikle modulus (stiffness) ve çekme gücü artırır, çünkü sipariş edilen zincirler daha etkili bir şekilde yüklenir ve daha fazla enerji gerektirir. SmallPE) yüksek kristallik ve yüksek modlar üretir (~1 GPa Add).

Ancak, yan zincirler, kristallik ve yan zincir etkileşimlerinin birleşimi, genel çekme davranışını daha az kristal bölgelerde bile güçlendiren güçlü hidrojen bağlarını oluşturur.

Flexability and Elongation at Break

Amorphous bölgeler, alt kristalleşmeyi engelleyen basit polimerlerden sorumludur (örneğin, kontrol edilen LLDPE, bağlı moleküllerin ve spherülit boyutunun azaltılması nedeniyle, sert zincirlerin Tg altında sınırlı bir hareketlilik olduğundan dolayı çok daha fazla ısıtılabilir.

Side zinciri esnekliği de bir rol oynamaktadır: poli(ditilsiloxane) (PDMS) çok esnek bir kovan sırt kemiği ve metil yan zincirleri vardır, son derece düşük modulus ve yüksek elongasyona yol açar - klasik elastomer.

Etki Direnişi ve Zorluk

Sertlik, kırıklıktan önce enerji absorbe etme yeteneğidir, genellikle kristal ve morför faz dengesi ile verir.Sally kristal polimerler kilginçsiz değildir; yan zincir düzensizliği (örneğin LLDPE veya polipropilen kopolimerler) kolayca kırılabilir.

Yüksek performanslı polistyrene (HIPS) önemli bir örnek: plastik partikülleri (polibutadiene) bir morför PS matrisine karıştırıyor, ancak PS'nin yan zincir kimyası (bulky phenyl) değiştirmeden doğal olarak çok fazla bir şekilde çırpıyor.

Creep ve Dimensional Stability

Kristal alanlar sürekli yük altında ürpermeye direnir (slow deformasyon). Küçük yan zincir ve yüksek kristallik sergileyici üstün ürpertici direnç gösterir. uzun vadeli boyutsal stabilite gerektiren mühendislik uygulamaları için (örneğin, dişliler, yapısal bileşenler), yan zincirli zincirler ısıtılır. Ancak, bazı yan zincir etkileşimleri (örneğin, poliamidlerde hidrojen bağlar) daha az kristal bölgelerde bile yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş.

Hedeflenen Özelliklerle Tasarım için Stratejiler

Malzeme bilim adamları mülk özelleştirmesi için yan zincir kimyasını kullanmak için birkaç strateji kullanırlar:

Copolimerization

Komonomerleri farklı yan zincir boyutları veya kutupları ile tanıtmak, yapıştırıcılar, köpükler ve film için uygun olan en etkili yöntemlerden biridir.Politik copolimers, kristalinite derecesi tam olarak ayarlanabilir.

Side Zincir Fonksiyonelizasyon

Post-polimerizasyon modifikasyonu veya fonksiyonel monomerlerin kullanımı, örneğin, iyonik kümeler aracılığıyla kristal bir polimeri farklı bir erime noktası ile genişletebilir. Bu, iyonik gruplarla birlikte işlevselleştirmeye olanak sağlar.

Tacticity Kontrolü

Stereoregular polimerizasyon (projeksiyon veya Ziegler-Natta katalizörler) yan zincir yönelimini kontrol eder. Isotactic ve sindiotactic polimerler, atactic analoglarıyken kristalize edilebilir. Bu aynı monomerin çok farklı malzemeler üretmesine izin verir (örneğin, isotactic vs. atactic. atactic.)

Ölçme ve Kompozit Formasyon

Doğrudan yan zincirlerini değiştirememek, bir morfiyal polimeri bir morföz bir tane ile karıştırmak, her bir bileşenin yan zinciri kimyası uyumluluk ve faz morfolojisi. Örneğin, p Polikarbonat (bir morf, kaba yan zincir) ABS (aril) ile karıştıran malzemeler dengeli bir sertlik ve dirençle yaratır.

Plastikleştirici Addition

Plastikleştiriciler, polimer zincirleri arasındaki aralar, ortalama yan zincir hacmini etkin bir şekilde artırmak ve polimer-polimer etkileşimleri azaltmak için PVC esnek hale getirmekte olan küçük moleküllerdir. Plastikleştiricilerin seçimi, polimerin yan zinciri kutupluluğu ile uyumluluka bağlıdır.

Uygulamalı Taraflı Side Zinciri Tasarımında Vaka Çalışmaları

Elastomerler

Doğal kauçuk (poliisoprene) her dördüncü karbonda bir metil zincire sahiptir; cis yapılandırma normal koşullar altında kristalleşmeyi önler, elastikliği verir veya kristalize edilirken (örneğin kristalleşme), her bir perbutadiene gibi, çok düşük karbon zincirleme ve de olsa iyileştirici gruplar sunar.

Ambalaj için termoplastikler

Film (LLDPE, LDPE), mühürlenebilirliği, punkture direnişi ve esnekliği birleştirmek için kontrollü taraf dalına güveniyor. Sık sık kullanılan prezenomerleri (random copolimers) sertliği azaltırken netliği artırmak için kontrol altına almak için kullanılır.

Mühendislik Polimerleri

Polyamids (nylons) amid yan grupları esnek bir m gerisin omurga ile birleştirir. Hidrojen-bonding yan gruplar yüksek kristallik sağlar, yüksek erime noktaları ve mekanik güç verir, aynı zamanda nem absorpsiyonuna yol açar. P Polikarbonat yan zincirlemeden kaçınır, ancak yüksek etkiye sahip güçlü kutup etkileşimleri yaratan büyük aromatik gruplar vardır.

Yüksek performanslı polimerler poli(ether ether ketone) (PEEK) sert aromatik arka kemiğine sahiptir ve büyük yan zincirlere sahip değildir, yüksek kristalliğe, mükemmel termal istikrara ve kimyasal direnişe ([Dönmerdatabase).

Future: Side Chain Engineering at the Nanoscale

Modern polimer bilimi, yan zincir dizilerinin ve topolojilerin kesin kontrolüne doğru ilerliyor. Sequence- tanımlanmış polimerler, önceden belirlenmiş ikincil yapılara katlanan belirli yan zincir kalıplarına sahip olabilir, taklit proteinler. tür malzemeler, kristalite ve mekanikler üzerinde eşi benzeri görülmemiş bir kontrol vaat eder.

Ayrıca, yarı-zincir sıvı kristal polimerler ve form-memory polimerler, makroskobik değişiklikleri tetiklemek için yan zincirlerin geri dönüşümlü siparişlerini kullanırlar.Taraflı zincirler tasarlayarak (ısı, ışık, pH), araştırmacılar adaptif malzemeler oluşturabilirler.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Bir polimerin yan zinciri kimyası ikincil bir detaydan uzaktır - kristal yapı ve mekanik özellikleri kontrol etmek için birincil bir avantajdır. Boyut, esneklik, kutupluluk ve tüm temel olarak bir polimerin katı veya esnek, güçlü veya sert veya sert olması veya morfülasyon yoluyla, taktik kontrol ve işlevselleştirme, bilim adamları ambalaj, otomotiv, biyomedikal ve havacılık uygulamaları için özelleştirilmiş malzemeleri sistematik olarak değiştirebilirler.

Bu ilişkileri anlamak, mühendislerin deneme ve terörle ilgili geliştirmenin ötesine geçmelerini ve bir tasarım-ilk yaklaşımı benimsemelerini sağlar.Yüksek performanslı, sürdürülebilir polimerler için talep büyüdükçe, temel zincir kimyası temel bir polimer inovasyonu sağlayacaktır.Daha fazla okuma için, kaynak için, Fen Öğrenme Merkezi ).