קינטיקה של תוספת פילמור לפולידימתילסילוקסן

פולימרים הם סוג נפוץ של תרכובות הנמצאות בכל היבטי התעשייה והייצור. שניים מהמאפיינים החשובים ביותר שלהם, משקל מולקולרי ומידת פילמור, חייבים להיגזר מתכונות אחרות בתפזורת. בניגוד לחומרים אחרים, שהמאפיינים הפיזיקליים שלהם מוגדרים אך ורק על ידי המבנים הכימיים שלהם, פולימרים מושפעים גם ממידת הפילמור והמשקל המולקולרי שלהם. פולימרים זהים מבחינה כימית יכולים להשתנות מנוזלים לגומי ועד למוצקים קשים ושבירים, כולם מבוססים על תכונות פיזיקליות אלה. מכיוון שקשה למדוד ישירות תכונות מיקרוסקופיות, כגון משקל מולקולרי, ניתן להשתמש בתכונות בתפזורת, כגון צמיגות, צפיפות ופיזור אור, כדי להסיק את המאפיינים החשובים הללו. סרטון זה ימחיש פילמור אצווה של פולידימתילסילוקסן, או PDMS, ויקבע את משקלו המולקולרי ואת מידת הפילמור שלו על פי צמיגותו.

כדי להתחיל, בואו נתמקד בייצור בתפזורת של פולידימתילסילוקסן, או PDMS. תגובות פילמור מסווגות לפי המנגנונים שלהן, סוגי הכורים, מאפייני המוצר ועוד. במקרה של PDMS, יוזם מגיב עם המונומר כדי לייצר את שרשרת הפולימר, אשר בתורה ניתן להרחיב באמצעות תגובות נוספות עם המונומר. מנגנון תגובה זה ידוע בשם פילמור תוספת, ומאופיין בהיעדר תוצרי לוואי. בחירת הכור תלויה בתכונות המגיבים ומשפיעה על מאפייני המוצר. כורי אצווה, המורכבים בדרך כלל ממיכל, מערבל ומערכת חימום או קירור, פועלים כמערכות סגורות שבהן המגיבים מתווספים בצעד דיסקרטי ואז מאפשרים להם להגיב לאורך זמן. כורי אצווה מועדפים לתגובות בקנה מידה קטן כאשר נעשה שימוש בכמויות נמוכות של מגיבים או פיתוח תהליך חדש, או לסינתזה של מספר דרגות של מוצר. הם משמשים לעתים קרובות לפילמור. PDMS מסונתז ממונומר, יוזם וחוסם קצה ללא כל ממס, מצב המכונה פילמור בתפזורת. היעדר ממיסים מפשט את עיבוד הפולימרים, מכיוון שתוצרי הלוואי והזרז מופרדים בקלות מהפולימר. עם זאת, יש לשלוט בקפידה על הטמפרטורה, כמו עם מעיל קירור מים, כדי למנוע בריחה אקסותרמית שעלולה לגרום לפיצוץ. ללא קשר לתנאי התגובה, התכונות הפיזיקליות הנמדדות של המוצר, כגון הצמיגות, משמשות להערכת המשקל המולקולרי הממוצע והמשקל המולקולרי הממוצע. חלוקת מספר המשקל המולקולרי הממוצע במסה המולקולרית של המונומר מניבה את אורך השרשרת הממוצע או דרגת הפילמור, הקשורה להמרה ולסדר התגובה. כעת, כשאתה יודע את יסודות הפילמור, בואו נראה כיצד להפעיל תגובת אצווה בקנה מידה קטן של PDMS ולקבוע את קינטיקת התגובה.

כדי להתחיל בהליך, פתח את גליל החנקן המחובר לכלי התגובה. הפעל את הרצף הראשון, המוודא שהציוד פעיל ותקין. לאחר מכן, בדוק את המערכת לאיתור נזילות על ידי סגירת השסתום הידני למשאבת הוואקום. המתן חמש דקות וודא שעליית הלחץ אינה עולה על 600 מילימטרים כספית. פתח מחדש את השסתום כדי להסיר את כל האטמוספירה שנותרה. לבסוף, סגור את השסתום הידני ומלא את המערכת בחנקן. המודול השלישי של התוכנית מוסיף את המונומר המחזורי לכור. מרכיבי הכמות הנמוכה יותר, הזרז וחוסם הקצה, מתווספים דרך משפך קטן הנקרא מיכל המוסיף. הכור מלא כעת ומוכן לפילמור. התחל את התהליך הרביעי ופקח על הטמפרטורה. ברגע שהוא עולה מעל 105 מעלות, התחל לאסוף דגימות נוזל מנקודת שאיבת הדגימה. אסוף אליקוטים במרווחים של לפחות כל שמונה דקות. כדי לדעת מתי הפילמור מגיע לשיווי משקל, עקוב אחר צריכת החשמל של המערבל. ברגע שהכוח הפסיק לגדול, התגובה הושלמה. בשלב זה, פתח את מיכל הפחמן הדו חמצני ואת השסתום ולחץ על כפתור הלחיצה השלם של התגובה כדי לנטרל את הזרז. כדי להתחיל ברצף ההפשטה, פתח את השסתום הידני למשאבת הוואקום ואפשר לו לפעול במשך 15 דקות בטמפרטורה גבוהה יותר. בשלב זה, בחר הפשטה הושלמה ואסוף את הדודים הנמוכים מהתגובה לבקבוק. אפשר לתהליך הקירור האוטומטי לפעול. בעזרת הוראות היצרן, מדוד את הדגימות שנאספו בעזרת ויסקומטר סיבובי. אם המהירות מוגדרת גבוהה מדי, לא תתקבל קריאה ותיבחר מהירות נמוכה יותר. ערכים אלה ישמשו לקביעת התפלגות המשקל המולקולרי של הפולימר.

ניתן לקבל מידע רב ממדידת הצמיגות הפשוטה יחסית. חלוקת הצמיגות של דגימת ה-PDMS בצפיפות שלה מניבה את הצמיגות הקינמטית שלה. משוואות אמפיריות, כמו הקשר של בארי, מקשרות בין צמיגות קינמטית למשקל המולקולרי הממוצע של הצמיגות. חלוקת המשקל המולקולרי הממוצע בצמיגות ב-1.6, גורם אמפירי נוסף ל-PDMS, מניבה את המשקל המולקולרי הממוצע למספר, המשקל הממוצע לשרשרת פולימרים. חלוקת זה במשקל המונומר מניבה את אורך השרשרת הממוצע או מידת הפילמור, את מספר יחידות המונומר בפולימר. עם זאת, מכיוון שאורך השרשרת המחושב כולל את המונומר שלא הגיב, הוא יהיה נמוך באופן מלאכותי. יש להחיל תיקון שמביא בחשבון את ההמרה החלקית. להלן תוצאות אופייניות למשקל המולקולרי הממוצע של הצמיגות ומידת פילמור ה-PDMS עם זמן התגובה. בתגובה זו נעשה שימוש בכמות גדולה של חוסם קצה, שעוצר את צמיחת השרשרת ויוצר קבוצת קצה טרימתיל, וכתוצאה מכך דרגת פילמור סופית נמוכה. ניתן לקבוע את ההמרה החלקית גם כפונקציה של זמן. על ידי הנחת קינטיקה בלתי הפיכה וכי הפולימר מיוצר באורך שרשרת קבוע, נקבע סדר התגובה ביחס למונומר כסדר ראשון, כפי שאושר על ידי ההתאמה הסבירה. חושב קבוע קצב של 0.054 דקות הפוכות, מה שמסכים עם מחקרים אחרים המדווחים על קבוע קצב מסדר ראשון של 0.06 דקות הפוכות עבור מונומר זה בתנאים דומים.

פולימרים סינתטיים נמצאים במגוון רחב של מוצרים, הן בקנה מידה תעשייתי והן בקנה מידה מסחרי. בואו נסתכל על כמה דוגמאות נפוצות. פולימרים סילוקסן, כגון PDMS, יכולים להיווצר באופן תעשייתי באמצעות מספר טכניקות, כגון הזרקה. הם מתאימים ליישומים מגוונים, כולל חומרי סיכה, חומרי איטום, חומרי ניקוי, בידוד חשמלי, צבעים ומכשירים רפואיים. שתלים ובדיקות רפואיות, כמו אב טיפוס זה, ראויים לציון במיוחד, מכיוון ש-PDMS אינו מסוכן, בעל השפעות טוקסיקולוגיות מינימליות ועמיד בפני חומצות ובסיסים בריכוז בינוני. מסיבות אלה, ה-FDA אישר את השימוש ב-PDMS בתחום הרפואי. סינתזת PDMS היא דוגמה לפילמור פתיחת טבעת, צורה נפוצה של פילמור צמיחת שרשרת. בפילמור פתיחת טבעת, השרשרת פותחת באופן איטרטיבי מונומרים מחזוריים ליצירת מרכזים תגובתיים עוקבים על הפולימר. בהתאם למערכת, המרכז הריאקטיבי יכול להיות רדיקלי, אניוני או קטיוני. תהליך זה מאפשר בקרה קפדנית על התפלגות המשקל המולקולרי, אם כי זה יכול, בתורו, לגרום לבעיות באקסטרוזיה. הוכח כי פולימר בעל משקל מולקולרי גבוה יותר בתערובת מספק שחול אחיד יותר.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לפילמור תוספת. כעת עליך להבין את המושגים של פילמור וכיצד צמיגות יכולה לקבוע המרת מונומר וקינטיקה. תודה שצפית.