21.5: Klasyfikacja polimerów: architektura

Polimery są klasyfikowane jako liniowe lub rozgałęzione na podstawie ich architektury łańcucha. Łańcuchy polimerowe w polimerach liniowych mają strukturę przypominającą długi łańcuch, z minimalnymi lub żadnymi rozgałęzieniami. Nawet jeśli polimer zawiera duże grupy podstawnikowe na monomerze, które wyglądają jak rozgałęzienia w szkielecie, nie jest on uważany za polimer rozgałęziony. Rozgałęziony polimer zawiera drugorzędowe łańcuchy polimerowe, które powstają z głównego łańcucha polimeru. Rozgałęzienie następuje, kiedy wzrost polimeru przesuwa się od krawędzi rosnącego polimeru do innych obszarów łańcucha. Podobnie jak w przypadku małych cząsteczek, rozgałęzienia zapobiegają ścisłemu upakowaniu, a otwarta struktura minimalizuje miejsca, w których siły dyspersyjne mogą działać pomiędzy dwoma łańcuchami polimeru.

Rozważmy przykład polimeryzacji etylenu. Różne gatunki polietylenu wytwarza się poprzez zmianę warunków polimeryzacji. Jednym z nich jest polietylen dużej gęstości (HDPE). Jak sama nazwa wskazuje, wykazuje dużą gęstość ze względu na ścisłe upakowanie liniowych łańcuchów polimeru przy minimalnym rozgałęzieniu. Polimer ten topi się w temperaturze 135°C i służy do produkcji stosunkowo twardych przedmiotów, takich jak kapsle do butelek, szafki telewizyjne itp. Polietylen o małej gęstości (LDPE) to inny gatunek polietylenu — polimer o małej gęstości ze względu na rozległe rozgałęzienia w łańcuch polimerowy. Temperatura przejścia stopu tego polimeru wynosi 120°C i jest niższa niż w przypadku polietylenu o dużej gęstości. Służy do wytwarzania elastycznych przedmiotów, takich jak wyciskane butelki, plastikowe torby transportowe itp. Strukturę polietylenu o dużej gęstości i polietylenu o małej gęstości pokazano na Rysunku 1.

Rysunek 1: Struktury szkieletowe z polietylenu o dużej gęstości (na górze) i polietylenu o małej gęstości (na dole)

Pewne modyfikacje struktur łańcuchów polimerowych uzyskuje się w drodze obróbki końcowej; na przykład wulkanizacja gumy. Podczas wulkanizacji siarka reaguje z poliizoprenem, zastępując niektóre wiązania C – H wiązaniami dwusiarczkowymi. Te wiązania dwusiarczkowe mogą łączyć różne łańcuchy poliizoprenowe i ten typ wiązania jest znany jako sieciowanie. Sieciowanie zwiększa sztywność polimeru, ponieważ większość łańcuchów jest połączona. W rezultacie względny ruch sąsiednich łańcuchów jest zmniejszony. Zatem sztywność i elastyczność gumy reguluje się poprzez kontrolowanie ilości siarki użytej do wulkanizacji.

Polimery można sklasyfikować jako liniowe lub rozgałęzione zgodnie z unikalną architekturą łańcucha polimerowego.

Polimery liniowe mają minimalne lub żadne rozgałęzienia. Co ważne, w monomerze grupy podstawnikowe nie są uważane za gałęzie.

W rozgałęzionych polimerach wtórne gałęzie łańcucha polimerowego są połączone z głównym łańcuchem polimerowym. Mogą mieć różne warianty strukturalne.

Podczas polimeryzacji, jeśli miejsce wzrostu polimeru przesuwa się z krawędzi łańcucha polimerowego do innych obszarów, dochodzi do rozgałęzień.

Aby zwrócić uwagę na wpływ rozgałęzień, rozważ polietylen. Wariant polietylenu o dużej gęstości jest liniowy, podczas gdy wariant polietylenu o niskiej gęstości jest silnie rozgałęziony.

W związku z tym wariant o dużej gęstości wykazuje wysoką temperaturę topnienia i sztywność dzięki wydajnemu ciasnemu upakowaniu i zwiększonym siłom dyspersji.

W polimerach dodatkową zmienność strukturalną uzyskuje się poprzez wprowadzenie kowalencyjnych wiązań poprzecznych między łańcuchami polimerowymi. Na przykład wulkanizacja gumy prowadzi do powstawania wiązań dwusiarczkowych między łańcuchami polimerowymi.