يهتم الكثيرون بمسألة ما هي بنية البوليمرات. سيتم تقديم الإجابة عليها في هذه المقالة. تنقسم خواص البوليمر (المشار إليها فيما يلي باسم - P) عمومًا إلى عدة فئات اعتمادًا على المقياس الذي تُعرَّف فيه الخاصية ، وكذلك على أساسها المادي. الجودة الأساسية لهذه المواد هي هوية المونومرات المكونة لها (M). المجموعة الثانية من الخصائص ، المعروفة بالبنية المجهرية ، تشير بشكل أساسي إلى ترتيب هذه الخواص في P على مقياس واحد Z. تلعب هذه الخصائص الهيكلية الأساسية دورًا رئيسيًا في تحديد الخصائص الفيزيائية الكبيرة لهذه المواد ، والتي توضح كيف يتصرف P مثل مادة عيانية. تصف الخصائص الكيميائية في المقياس النانوي كيف تتفاعل السلاسل من خلال قوى فيزيائية مختلفة. على نطاق واسع ، يوضحون كيف يتفاعل P الأساسي مع المواد الكيميائية والمذيبات الأخرى.
الهوية
هوية الروابط المتكررة التي تشكل P هي أولها وأهم سمة. تعتمد تسمية هذه المواد عادةً على نوع بقايا المونومر التي تتكون منها P. تُعرف البوليمرات التي تحتوي على نوع واحد فقط من الوحدات المتكررة باسم homo-P. في الوقت نفسه ، تُعرف PS التي تحتوي على نوعين أو أكثر من الوحدات المتكررة باسم البوليمرات المشتركة. تحتوي Terpolymers على ثلاثة أنواع من الوحدات المكررة.
البوليسترين ، على سبيل المثال ، يتكون فقط من بقايا الستايرين M وبالتالي يتم تصنيفها على أنها Homo-P. من ناحية أخرى ، تحتوي أسيتات فينيل الإيثيلين على أكثر من نوع واحد من وحدات التكرار ، وبالتالي فهي عبارة عن بوليمر مشترك. تتكون بعض عناصر Ps البيولوجية من العديد من المخلفات الأحادية المتخلفة المختلفة ولكن ذات الصلة من الناحية الهيكلية ؛ على سبيل المثال ، تتكون عديد النوكليوتيدات مثل الحمض النووي من أربعة أنواع من الوحدات الفرعية للنيوكليوتيدات.
يُعرف جزيء البوليمر الذي يحتوي على وحدات فرعية قابلة للتأين باسم متعدد الإلكتروليت أو المونومر.
بنية مجهرية
ترتبط البنية المجهرية للبوليمر (تسمى أحيانًا التكوين) بالترتيب المادي لبقايا M على طول السلسلة الرئيسية. هذه عناصر من الهيكل P تتطلب كسر الرابطة التساهمية من أجل التغيير. للهيكل تأثير قوي على الخصائص الأخرى لـ P. على سبيل المثال ، يمكن أن تظهر عينتان من المطاط الطبيعي متانة مختلفة حتى لو كانت جزيئاتهما تحتوي على نفس المونومرات.
هيكل وخصائص البوليمرات
هذه النقطة مهمة للغاية للتوضيح. من السمات الهيكلية المجهرية المهمة لهيكل البوليمر بنيتها وشكلها ، والتي ترتبط بالكيفيةتؤدي النقاط الفرعية إلى انحراف عن سلسلة خطية بسيطة. يتكون الجزيء المتفرع من هذه المادة من سلسلة رئيسية بها سلسلة جانبية واحدة أو أكثر أو فروع بديلة. تشمل أنواع Ps المتفرعة star Ps و comb Ps و Brush Ps و dendronized Ps و ladder Ps و dendrimers. هناك أيضًا بوليمرات ثنائية الأبعاد تتكون من وحدات مكررة طوبولوجيًا مسطحة. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من التقنيات لتجميع المواد P مع أنواع مختلفة من الأجهزة ، مثل البلمرة الحية.
صفات أخرى
يرتبط تكوين وهيكل البوليمرات في علم البوليمر بكيفية أن يؤدي التفرع إلى الانحراف عن سلسلة P الخطية بدقة. قد يحدث التفرع بشكل عشوائي ، أو قد يتم تصميم ردود الفعل لاستهداف بنيات معينة. هذه ميزة هيكلية مجهرية مهمة. تؤثر بنية البوليمر على العديد من خواصه الفيزيائية ، بما في ذلك لزوجة المحلول والذوبان ، والقابلية للذوبان في التركيبات المختلفة ، ودرجة حرارة التزجج ، وحجم ملفات P الفردية في المحلول. هذا مهم لدراسة المكونات الموجودة وبنية البوليمرات.
المتفرعة
يمكن أن تتشكل الفروع عندما ترتبط النهاية المتنامية لجزيء البوليمر إما (أ) بالعودة إلى نفسها أو (ب) إلى خيط P آخر ، وكلاهما ، من خلال سحب الهيدروجين ، يمكن أن يخلق منطقة نمو للوسط سلسلة
تأثير المتفرعة - تشابك كيميائي -تكوين روابط تساهمية بين السلاسل. يميل التشابك إلى زيادة Tg وزيادة القوة والمتانة. من بين الاستخدامات الأخرى ، تُستخدم هذه العملية لتقوية المطاط في عملية تُعرف باسم الفلكنة ، والتي تعتمد على التشابك الكبريت. إطارات السيارات ، على سبيل المثال ، تتمتع بقوة عالية وربط متقاطع لتقليل تسرب الهواء وزيادة متانتها. من ناحية أخرى ، فإن المطاط ليس متصالبًا ، مما يسمح للمطاط بالتقشير ويمنع تلف الورق. تفسر بلمرة الكبريت النقي عند درجات حرارة أعلى أيضًا لماذا يصبح أكثر لزوجة عند درجات حرارة أعلى في الحالة المنصهرة.
الشبكة
جزيء بوليمر شديد الارتباط يسمى شبكة P. يمكن أن تؤدي نسبة الارتباط المتشابك إلى حبلا عالية بدرجة كافية (C) إلى تكوين ما يسمى بشبكة أو هلام لانهائي ، حيث يرتبط كل فرع من هذه الفروع بواحد على الأقل.
مع التطور المستمر للبلمرة الحية ، أصبح تصنيع هذه المواد بهندسة معمارية معينة أسهل. الهياكل مثل النجمة ، المشط ، الفرشاة ، المتشعبة ، المتغصنة والبوليمرات الحلقية ممكنة. يمكن تصنيع هذه المركبات الكيميائية ذات البنية المعقدة إما باستخدام مركبات بدء مختارة خصيصًا ، أو أولاً عن طريق توليف سلاسل خطية تخضع لتفاعلات إضافية للارتباط مع بعضها البعض. تتكون Ps المعقدة من العديد من التدوير داخل الجزيءالروابط في سلسلة P واحدة (PC).
المتفرعة
بشكل عام ، كلما زادت درجة التفرع ، زادت إحكام سلسلة البوليمر. كما أنها تؤثر على تشابك السلسلة ، والقدرة على الانزلاق فوق بعضها البعض ، مما يؤثر بدوره على الخصائص الفيزيائية الكبيرة. يمكن لسلالات السلسلة الطويلة تحسين قوة البوليمر وصلابة ودرجة حرارة التزجج (Tg) بسبب زيادة عدد الروابط في المركب. من ناحية أخرى ، يمكن أن تقلل القيمة العشوائية والقصيرة لـ Z من قوة المادة بسبب انتهاك قدرة السلاسل على التفاعل مع بعضها البعض أو التبلور ، وهو ما يرجع إلى بنية جزيئات البوليمر.
يمكن العثور على مثال لتأثير التفرع على الخصائص الفيزيائية في البولي إيثيلين. يحتوي البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) على درجة منخفضة جدًا من التفرع ، وهو جامد نسبيًا ويستخدم في تصنيع ، على سبيل المثال ، السترات الواقية من الرصاص. من ناحية أخرى ، يحتوي البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) على كمية كبيرة من الخيوط الطويلة والقصيرة ، وهو مرن نسبيًا ، ويستخدم في تطبيقات مثل الأغشية البلاستيكية. يفضل التركيب الكيميائي للبوليمرات مثل هذه التطبيقات.
Dendrimers
Dendrimers هي حالة خاصة من البوليمر المتفرّع ، حيث تكون كل وحدة أحادية أيضًا نقطة تفرع. هذا يميل إلى تقليل التشابك بين الجزيئات والتبلور. الهندسة المعمارية ذات الصلة ، البوليمر الشجيري ، ليست متفرعة تمامًا ولكن لها خصائص متشابهة مع التشعباتبسبب درجة عالية من المتفرعة.
قد تعتمد درجة التعقيد الهيكلي الذي يحدث أثناء البلمرة على وظيفة المونومرات المستخدمة. على سبيل المثال ، في بلمرة الجذور الحرة للستايرين ، ستؤدي إضافة ديفينيل بنزين ، الذي له وظيفة 2 ، إلى تكوين متفرعة P.
هندسة البوليمرات
تشمل البوليمرات المهندسة مواد طبيعية مثل المطاط والمواد التركيبية والبلاستيك واللدائن. إنها مواد خام مفيدة للغاية لأنه يمكن تغيير هياكلها وتكييفها لإنتاج المواد:
- مع مجموعة من الخصائص الميكانيكية ؛
- في مجموعة واسعة من الألوان ؛
- بخصائص شفافية مختلفة.
التركيب الجزيئي للبوليمرات
يتكون البوليمر من العديد من الجزيئات البسيطة التي تكرر وحدات هيكلية تسمى المونومرات (M). يمكن أن يتكون جزيء واحد من هذه المادة من مئات إلى ملايين M وله بنية خطية أو متفرعة أو شبكة. تربط الروابط التساهمية الذرات ببعضها البعض ، ثم تربط الروابط الثانوية مجموعات سلاسل البوليمر معًا لتشكيل المادة المتعددة. البوليمرات المشتركة هي أنواع من هذه المادة ، وتتكون من نوعين مختلفين أو أكثر من M.
البوليمر مادة عضوية ، وأساس أي نوع من هذه المواد هو سلسلة من ذرات الكربون. تحتوي ذرة الكربون على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي. يمكن أن تشكل كل من إلكترونات التكافؤ هذه تساهميةرابطة مع ذرة كربون أخرى أو مع ذرة أجنبية. المفتاح لفهم بنية البوليمر هو أن ذرتين من الكربون يمكن أن يكون لهما ما يصل إلى ثلاث روابط مشتركة ولا يزالان مرتبطين مع ذرات أخرى. العناصر الأكثر شيوعًا في هذا المركب الكيميائي وأرقام تكافؤها هي: H و F و Cl و Bf و I مع إلكترون تكافؤ واحد ؛ O و S مع إلكترونين تكافؤين ؛ n مع 3 إلكترونات تكافؤ و C و Si مع 4 إلكترونات تكافؤ.
مثال على البولي ايثيلين
قدرة الجزيئات على تكوين سلاسل طويلة أمر حيوي لصنع البوليمر. ضع في اعتبارك مادة البولي إيثيلين ، المصنوعة من غاز الإيثان ، C2H6. يحتوي غاز الإيثان على ذرتين من الكربون في السلسلة ، ولكل منهما إلكترونان تكافؤان مع الأخرى. إذا تم ربط جزيئين من الإيثان معًا ، فقد تنكسر إحدى روابط الكربون في كل جزيء ، ويمكن ربط الجزيئين برابطة كربون-كربون. بعد توصيل مترين ، يبقى إلكترونان آخران من إلكترونات التكافؤ في نهاية كل سلسلة لتوصيل عدادات أخرى أو خيوط P. هذه العملية قادرة على الاستمرار في ربط المزيد من الأمتار والبوليمرات معًا حتى يتم إيقافها عن طريق إضافة مادة كيميائية أخرى (فاصل) تملأ الرابطة المتاحة عند كل طرف من طرفي الجزيء. يسمى هذا البوليمر الخطي وهو اللبنة الأساسية لمركبات اللدائن الحرارية.
غالبًا ما تظهر سلسلة البوليمر في بعدين ، ولكن تجدر الإشارة إلى أن لديهم بنية بوليمرية ثلاثية الأبعاد. كل رابط بزاوية 109 درجة إلىبعد ذلك ، ومن ثم يمر العمود الفقري للكربون عبر الفضاء مثل سلسلة ملتوية من TinkerToys. عند تطبيق الجهد ، تتمدد هذه السلاسل ، ويمكن أن يكون الاستطالة P أكبر بآلاف المرات من الهياكل البلورية. هذه هي السمات الهيكلية للبوليمرات.
