Кіріспе

Полимер химиясында сополимер – бір түрінен артық мономерден алынған полимер. Мономерлердің сополимерлерге полимерленуі сополимерлеу деп аталады. Екі мономер түрінің сополимерленуі арқылы алынған сополимерлер кейде биполимерлер деп аталады. Үш және төрт мономерден алынғандары тиісінше терполимерлер және кватерполимерлер деп аталады. Кополимерлерді молекулалық мөлшері, салмағы, қасиеттері және материалдың құрамын анықтау үшін ЯМР спектроскопиясы және мөлшерін бөліп шығару хроматографиясы сияқты әр түрлі әдістермен сипаттауға болады. Мысалы, найлон 12, найлон 6 және найлон 66, сондай-ақ сополиэстерлер отбасы. Кополимерлер коммерциялық тауарларды немесе дәрі жеткізу құралдарын жасау үшін қолданылуы мүмкін. Кополимер құраушы бірліктерден (соның ішінде құрылымдық бірліктерден) кем дегенде екі түрінен тұратындықтан, сополимерлерді осы бірліктер тізбекте қалай орналасқандығына қарай жіктеуге болады. Блокты сополимерлер әртүрлі полимерленген мономерлердің блоктарынан тұрады. Мысалы, полистирол b поли(метилметакрилат) немесе PS b PMMA (мұнда b = блок) әдетте, ең алдымен стиролды полимерлеу арқылы, содан кейін полистирол тізбектерінің реактивті ұшынан метилметакрилатты (MMA) полимерлеу арқылы жасалады. Бұл полимер «диблокты сополимер» болып табылады, өйткені ол екі түрлі химиялық блоктан тұрады. Триблоктар, тетраблоктар, мультиблоктар және т.б. да жасалуы мүмкін. Диблокты сополимерлер атомдық трансферлік еркін радикалды полимерлеу (ATRP), қайтымды қосылу фрагментациялық тізбекті трансфер (RAFT), сақинаны ашу метатездік полимерлеу (ROMP) және тірі катиондық немесе тірі аниондық полимерлеу сияқты тірі полимерлеу әдістерін қолдана отырып жасалады. Жаңадан пайда болып келе жатқан әдіс – тізбектік полимерлеу. Блокты сополимерлерді синтездеу үшін реакция жағдайларында екі реакциялық қатынас та бірліктен әлдеқайда үлкен болуы керек (r1 >> 1, r2 >> 1), сондықтан өсіп келе жатқан тізбектің соңғы мономерлік бірлігі көбінесе ұқсас бірлікті қосуға бейім. Кополимердің «блоктануы» – комономерлердің статистикалық таралуға қарағанда жанында болуының өлшемі. Көптеген, тіпті синтетикалық полимерлердің көпшілігі шын мәнінде сополимерлер болып табылады, олардың құрамында 1-20% мономер болады. Мұндай жағдайларда блоктану қажет емес. Блок индексі – блоктанудың немесе кездейсоқ мономерлік құрамнан ауытқудың сандық өлшемі ретінде ұсынылған.

Өзгермелі сополимерлер

Кезекті кополимерде реттеліп ауыспалы А және В бірліктері болады және көбінесе мына формуламен сипатталады: А В А В А В А В А В А Б, немесе (А В)n. Полимердегі әрбір мономердің молярлық қатынасы әдетте бірге жуық болады, бұл реакциялық коэффициенттері r1 және r2 нөлге жуық болғанда орын алады, бұл Мейо-Льюис теңдеуінен көрінеді. Мысалы, стирол мен малеин ангидридінің еркін радикалды кополимерленуінде r1 = 0,097 және r2 = 0,001. Мысалы, нейлон 66, қайталанатын бірлігі OC(CH2)4CO NH(CH2)6NH, дикарбон қышқылы мономеры мен диамин мономерынен құралған.

Периодикалық сополимерлер

Периодтық сополимерлерде бірліктер қайталанатын тізбек бойынша орналасады. Мысалы, екі мономер A және B (A B A B B A A A A B B B)n қайталанатын үлгісін құрауы мүмкін.

Статистикалық сополимерлер

Статистикалық сополимерлерде мономер қалдықтарының тізбегі статистикалық заңдылыққа бағынады. Егер тізбектің кез келген нүктесінде белгілі бір типтегі мономер қалдығын табу ықтималдығы, тізбектегі осы мономер қалдығының мольдық үлесіне тең болса, онда полимерді нағыз кездейсоқ сополимер деп атауға болады (3-құрылым). Статистикалық сополимерлер екі химиялық тұрғыдан өзгеше мономерлік реагенттердің реакция кинетикасымен анықталады және полимер әдебиетінде көбінесе "кездейсоқ" деп сипатталады. Басқа типтегі сополимерлер сияқты, кездейсоқ сополимерлер де жеке гомополимерлердің қасиеттерін біріктіретін, қызықты және коммерциялық тұрғыдан пайдалы қасиеттерге ие болуы мүмкін. Нарықта қолданылатын кездейсоқ сополимерлерге стирол-бутадиен сополимерлерінен жасалған резиналар және стирол акрил немесе метакрил қышқылының туындыларынан алынған шайырлар жатады. Кополимерлеу, полимерлердің қолданылу жағдайларында маңызды болатын шыны тәріздес температураны (Tg) реттеу үшін өте пайдалы; әрбір мономер сополимерде немесе гомополимерде бірдей көлемді алып отырады деп есептелінеді, сондықтан шыны тәріздес температура (Tg) әр гомополимер үшін шамалар арасында орналасады және әрбір компоненттің мольдық немесе массалық үлесімен анықталады. Майо-Льюис теңдеуін мономердің бастапқы мольдық үлесінің кез келген мәні үшін полимер өнімінің құрамын болжау үшін қолдануға болады. Бұл теңдеу Марков моделі негізінде туындайды, ол келесі қосылымның кинетикасына тек соңғы қосылған сегменттің ғана әсер ететінін ескереді; Алдыңғы сегмент моделі екінші соңғы сегментті де қарастырады, бірақ көптеген жүйелер үшін қажеттіден гөрі күрделі. Екі реакциялық қатынас біртен кем болған жағдайда, Майо-Льюис графигінде азеотроптық нүкте пайда болады. Осы нүктеде мономердің мольдық үлесі полимердегі компоненттің құрамымен тең болады. Дисперсияны жақсырақ бақылауға мүмкіндік беретін бірнеше әдіс бар. Аниондық полимерлеу кездейсоқ сополимерлерді жасау үшін қолданылуы мүмкін, бірақ бірнеше шарттарды сақтау қажет: егер екі компоненттің карбаниондары бірдей тұрақтылыққа ие болмаса, тек біреуі ғана екіншісіне қосылады. Сонымен қатар, аниондық полимерлеу қымбатқа түседі және өте таза реакция жағдайларын талап етеді, сондықтан оны ірі көлемде жүзеге асыру қиын.

Стереоблокты сополимерлер

Стереоблокты кополимерлерде блоктар немесе бөліктер мономерлердің тактициттілігімен ғана ерекшеленеді.

Градиентті сополимерлер

Градиентті сополимерлерде мономерлік құрам тізбек бойымен бірте-бірте өзгереді.

Бөлшекті сополимерлер

Сызықтық емес сополимерлердің әртүрлі құрылымдық түрлері болуы мүмкін. Төменде талқыланған қауырсынды және жұлдыз тәрізді полимерлерден өзге, тармақталған сополимерлердің тағы бір көп кездесетін түрлері – щетка тәрізді және тарақ тәрізді сополимерлер.

Грапт кополимерлері

Графт-сополимерлер – бұл бүйірлік тізбектері негізгі тізбектен құрылымдық жағынан ерекшеленетін тармақталған сополимердің ерекше түрі. Әдетте, негізгі тізбегі мономердің бір түрінен (А) және бұтақтары басқа мономерден (В) қалыптасады, немесе бүйірлік тізбектер негізгі тізбектегілерден ерекшеленетін конституциялық немесе конфигурациялық ерекшеліктерге ие болады. Графт-сополимердің жеке тізбектері гомополимерлер немесе сополимерлер болуы мүмкін. Құрылымдық айырмашылықты анықтау үшін әр түрлі сополимерлік тізбектелгендік жеткілікті, сондықтан A B диблокты сополимер, егер оның бүйірлік тізбектері A B кезектесіп орналасқан сополимер болса, графт-сополимер деп аталады. Мысалы, полистирол тізбектерін полибутадиенге – синтетикалық каучукқа трансплантациялауға болады, ол әр қайталану бірлігі үшін бір реактивті C=C қос байланысын сақтайды. Полибутадиен стиролда ерітіледі, содан кейін еркін радикалды полимерлендіруге ұшыратылады. Өсіп келе жатқан тізбектер каучук молекулаларының қос байланыстарына қосылып, полистирол бұтақтарын құрайды. Графт-сополимер полистирол тізбектері мен каучук молекулаларының араласуынан пайда болады. Блоктық сополимерлер сияқты, бұл квазикомпозиттік өнімнің екі "компоненттің" қасиеттері бар. Мысалда келтірілгендей, каучук тізбектері затқа соққанда энергияны сіңіреді, сондықтан ол қарапайым полистиролға қарағанда әлдеқайда нашар сынғыш. Бұл өнім жоғары соққыға төзімді полистирол, немесе HIPS деп аталады.

Жұлдызды сополимерлер

Жұлдызды сополимерлерде орталық ядроға бірнеше полимер тізбегі қосылған.

Микрофазалық бөліну

Блоктық сополимерлер «микрофазалық бөлініп», периодтық наноқұрылымдарды, мысалы стирол-бутадиен-стирол блоктық сополимерін құра алады. Полимер Kraton деп аталады және аяқ киім табаны мен жабысқыштарда қолданылады. Микроқұрылымының өте жіңішке болуына байланысты, құрылымын зерттеу үшін беріліс электронды микроскопы немесе ТЭМ пайдаланылды. Бутадиен матрицасы суретте контрастты көрсету үшін осмий тетроксидімен боялды. Материал тірі полимерлендіру арқылы жасалған, сондықтан блоктар тұрақты микроқұрылымды құру үшін дерлік монодисперсті. Негізгі суреттегі полистирол блоктарының молекулалық салмағы 102 000; кіші суреттегі молекулалық салмағы 91 000, нәтижесінде сәл кішірек домендер пайда болады. Микрофазалық бөліну – мұнай мен судың сияқты жағдайы. Мұнай мен су араласпайды (яғни, фазалық бөлінуге ұшырайды). Блоктардың арасындағы үйлесімсіздікке байланысты блоктық сополимерлер ұқсас фазалық бөлінуден өтеді. Блоктар ковалентті байланысқандықтан, су мен май сияқты макроскопиялық деңгейде араласа алмайды. «Микрофазалық бөлінуде» блоктар нанометрлік өлшемдегі құрылымдарды құрайды. Әр блоктың салыстырмалы ұзындығына қарай әртүрлі морфологиялар алуға болады. Диблоктық сополимерлерде блоктардың жеткілікті түрде әртүрлі ұзындығы болса, екінші блоктың матрицасында бірінші блоктың нанометрлік шарлары пайда болады (мысалы, полистиролдағы ПММА). Блоктардың ұзындығындағы айырма азырақ болса, «алтыбұрышты цилиндр» геометриясы алынуы мүмкін. Ұзындығы шамалас блоктар қабаттарды (техникалық әдебиетте көбінесе ламеллалар деп аталады) құрайды. Цилиндрлік және ламеллалық фазалардың арасында гироидтық фаза орналасқан. Блоктық сополимерлерден жасалған наноөлшемді құрылымдар компьютерлік жад, наноөлшемді қалыптау және наноөлшемді бөлуге арналған құрылғыларды жасау үшін қолданылуы мүмкін. Блоктық сополимерлер кейде липидтік екі қабаттар мен липосомаларды модельдеуде фосфолипидтердің орнына, олардың жоғары тұрақтылығы мен реттелу мүмкіндігіне байланысты қолданылады. Полимер ғалымдары әртүрлі блоктардың өзара әрекеттесуін сипаттау үшін термодинамиканы пайдаланады. Полимерлендіру дәрежесінің (n) және Флори-Хаггинс өзара әрекеттесу параметрінің (χ) көбейтіндісі екі блоктың қаншалықты үйлесімсіз екенін және олардың микрофазалық бөлінуге ұшырайтынын көрсетеді. Мысалы, симметриялық құрамдағы диблокты сополимер, егер көбейтінді 10,5-тен жоғары болса, микрофазалық бөлінуге ұшырайды. Егер 10,5-тен төмен болса, блоктар араласады және микрофазалық бөліну байқалмайды. Блоктар арасындағы үйлесімсіздік осы сополимерлердің ерітіндідегі қасиеттеріне және әртүрлі беттердегі адсорбциялық қасиеттеріне де әсер етеді. Блоктық сополимерлер таңдамалы еріткіштерде өздігінен жиналып, мицеллаларды және басқа да құрылымдарды құра алады. Жұқа пленкаларда блоктық сополимерлер жоғары тығыздықпен сақтауға арналған жартылай өткізгіш материалдарды литографиялық қалыптау үшін маска ретінде кеңінен қолданылады. Негізгі міндет – нысанның мөлшерін азайту, және осы бағытта көптеген зерттеулер жүргізілуде.

Қасиеттері

Кополимерлерді сипаттау әдістері басқа полимерлік материалдарға арналған әдістермен ұқсас. Бұл әдістер материалдың орташа молекулалық салмағын, молекулалық мөлшерін, химиялық құрамын, молекулалық біртектілігін және физикалық-химиялық қасиеттерін анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы (ЯМР), инфрақызыл спектроскопия және ультракүлгін спектроскопиясы (УК) сияқты спектроскопиялық әдістер көбінесе сополимерлердің молекулалық құрылымын және химиялық құрамын анықтау үшін пайдаланылады. Атап айтқанда, ЯМР полимерлік тізбектердің тактикалық құрылымын және конфигурациясын көрсетуге мүмкіндік береді, ал ИК сополимерге бекітілген функционалдық топтарды анықтай алады. Статикалық жарық шашырауы, динамикалық жарық шашырауы және кіші бұрышты нейтрондық шашырау сияқты шашырату әдістері синтезделген сополимердің молекулалық мөлшерін және салмағын анықтауға мүмкіндік береді. Статикалық жарық шашырауы және динамикалық жарық шашырауы ерітіндіштегі сополимердің орташа молекулалық салмағы мен қасиеттерін анықтау үшін жарықты пайдаланады, ал кіші бұрышты нейтрондық шашырау молекулалық салмақ пен тізбек ұзындығын анықтау үшін нейтрондарды қолданады. Сонымен қатар, кіші бұрышты рентгендік шашырау (КБРШ) сияқты рентгендік шашырату әдістері микрофазалық бөлінген блок-сополимердің немесе суспензияланған мицеллалардың нанометрлік морфологиясын және ерекшеленетін мөлшерін анықтауға көмектеседі. Дифференциалдық сканерлеу калориметриясы – температураның өзгеруіне байланысты сополимердегі жылулық процестерді анықтауға қолданылатын термоаналитикалық әдіс. Ол материалды және эталонды тұрақты түрде жоғарылап отыратын температурада ұстау үшін қажетті жылу ағынын өлшеу арқылы сополимердің фазалық өтуін, мысалы, кристалдануын немесе балқуын көрсете алады. Термогравиметриялық талдау – температураның өзгеруіне байланысты сополимердің жылулық тұрақтылығын бағалауға арналған тағы бір термоаналитикалық әдіс. Бұл фазалық өтулер, жылулық ыдырау және тотығу-тотықсыздану реакциялары сияқты физикалық-химиялық қасиеттердегі өзгерістер туралы ақпарат береді. Мөлшерлік хроматография әртүрлі молекулалық салмағы бар сополимерлерді олардың гидродинамикалық көлеміне сәйкес бөлуге мүмкіндік береді. Содан кейін молекулалық салмақ гидродинамикалық көлемінен алынған қатынас арқылы анықталады. Ірі сополимерлер көбінесе бірінші болып элюцияланады, өйткені олар бағанамен аз өзара әрекеттеседі. Жиналған материалды әдетте жарық шашырауы әдістерімен, рефрактометрмен немесе вискозиметрмен анықтап, элюцияланған сополимердің концентрациясын анықтайды.

Блоктық сополимерлер

Блоктық сополимерлердің кең таралған қолданысы термопластикалық эластомерлерді (ТПЭ) әзірлеу болып табылады. Алғашқы коммерциялық ТПЭ-лер полиуретандардан (ТПБ) жасалды, олар кезектесіп орналасқан жұмсақ және қатты сегменттерден тұрады және автомобиль бамперлері мен қар көліктерінің тісті доңғалақтарында қолданылады. Осы қасиеттеріне байланысты амфифильді блок-кополимерлер дәрі-дәрмектерді жеткізуге арналған жүйелерді зерттеуде көп назар аударды. Сол сияқты, амфифильді блок-кополимерлерді мицеллалар құру арқылы судан органикалық ластаушы заттарды жою үшін де пайдалануға болады.

Өзгермелі сополимерлер

Стирен-малеин қышқылының (СМА) кезектесіп орналасқан сополимері pH-қа байланысты амфифилдік қасиеттерді көрсетеді, осының арқасында әртүрлі ортада өз конформациясын өзгерте алады. СМА-ның қабылдай алатын кейбір конформациялары – кездейсоқ орам түзілуі, тығыз шар тәрізді түзілуі, мицеллалар және нанодискілер. Бұл – механикалық қасиеттерді жақсартудың бір жолы, резеңке арқылы нығайту деп аталатын техникада қолданылады. Қатты матрицадағы эластомерлік фазалар жарықтарды тоқтатып, материалға соққанда энергия сіңіру қабілетін арттырады. Акрилонитрилбутадиенстирол – осыған кең таралған мысал.