Кіріспе
Ұдайы қайталанатын құрылымдық бірліктері бар макромолекулалардан тұратын зат – полимер (полимер) – макромолекулалар деп аталатын өте үлкен молекулалардан тұратын, көптеген қайталанатын кіші бірліктерден құралған зат немесе материал. Полимерлердің кең спектрлі қасиеттеріне байланысты, синтетикалық және табиғи полимерлер күнделікті өмірде маңызды және кең таралған рөл атқарады. Полимерлер полистирол сияқты танымал синтетикалық пластиктерден бастап, биологиялық құрылым мен функция үшін маңызды ДНК және ақуыздар сияқты табиғи биополимерлерге дейін жетеді. Полимерлер, табиғи және синтетикалық, мономерлер деп аталатын көптеген кішкентай молекулалардың полимерленуі арқылы жасалады. Олардың осыған байланысты үлкен молекулалық массасы, шағын молекулалық қосылыстарға қарағанда, ерекше физикалық қасиеттерді – беріктікті, жоғары серпімділікті, вискоэластикалық қасиеттерді және кристаллдарға қарағанда аморфты және жартылай кристаллдық құрылымдарды қалыптастыруға бейімділікті – тудырады. Полимерлер полимер ғылымы (оның ішінде полимер химиясы және полимер физикасы), биофизика және материалдар ғылымы мен инженериясы салаларында зерттеледі. Тарихи тұрғыдан алғанда, қайталанатын бірліктерді ковалентті химиялық байланыстар арқылы байланыстыру нәтижесінде пайда болған өнімдер полимер ғылымының негізгі бағыты болды. Қазіргі таңда маңызды болып табылатын жаңа сала – ковалентті емес байланыстар арқылы қалыптасқан супермолекулалық полимерлерге назар аудару. Латекс каучугінің полиизопрені – табиғи полимердің, ал пенополистиролдың полистиролы – синтетикалық полимердің мысалы болып табылады. Биологиялық контексте, барлық биологиялық макромолекулалар – яғни, ақуыздар (полиамидтер), нуклеин қышқылы (полинуклеотидтер) және полисахаридтер – негізінен полимерлік болып табылады немесе көп бөлігі полимерлік компоненттерден тұрады.
A polymer ('/p//ɒ//l//ᵻ//m//ər/)
is a substance or material consisting of very large molecules called macromolecules, composed of many repeating subunits. Due to their broad spectrum of properties, both synthetic and natural polymers play essential and ubiquitous roles in everyday life. Polymers range from familiar synthetic plastics such as polystyrene to natural biopolymers such as DNA and proteins that are fundamental to biological structure and function. Polymers, both natural and synthetic, are created via polymerization of many small molecules, known as monomers. Their consequently large molecular mass, relative to small molecule compounds, produces unique physical properties including toughness, high elasticity, viscoelasticity, and a tendency to form amorphous and semicrystalline structures rather than crystals. Polymers are studied in the fields of polymer science (which includes polymer chemistry and polymer physics), biophysics and materials science and engineering. Historically, products arising from the linkage of repeating units by covalent chemical bonds have been the primary focus of polymer science. An emerging important area now focuses on supramolecular polymers formed by non covalent links. Polyisoprene of latex rubber is an example of a natural polymer, and the polystyrene of styrofoam is an example of a synthetic polymer. In biological contexts, essentially all biological macromolecules—i. e., proteins (polyamides), nucleic acids (polynucleotides), and polysaccharides—are purely polymeric, or are composed in large part of polymeric components.
Этимология
"Полимер" термині 1833 жылы Йёнс Якоб Берцелиуспен енгізілген, бірақ оның анықтамасы қазіргі IUPAC анықтамасынан өзгеше болған. Полимерлердің ковалентті байланысқан макромолекулалық құрылымдар екендігі туралы қазіргі заманғы түсінік 1920 жылы Герман Штаудингер тарапынан ұсынылды, ол келесі он жылды осы гипотезаны тәжірибелік тұрғыдан дәлелдеуге арнады.
Ортақ мысалдар
Полимерлер екі түрге бөлінеді: табиғи және жасанды немесе адам жасаған.
Табиғи
Табиғи полимерлік материалдар, мысалы, қарақұмық, шеллак, янтарь, жүн, жібек және табиғи резеңке ғасырлар бойы қолданылып келеді. Ағаш пен қағаздың негізгі құрамы болып табылатын целлюлоза сияқты тағы да басқа табиғи полимерлер бар.
Ғарыш полимері
Гемоглицин (бұрын гемолитин деп аталатын) – метеориттерде табылған аминқышқылдарының бірінші полимері.
Синтетикалық
Синтетикалық полимерлер тізіміне, әлемдік сұраныс деңгейіне сәйкес реттелген, полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, синтетикалық каучук, фенол-формальдегид шайыры (немесе бакелит), неопрен, нейлон, полиакрилонитрил, PVB, силикон және тағы да көптеген полимерлер кіреді. Жыл сайын осы полимерлердің 330 миллион тоннан астамы өндіріледі (2015 жылғы мәлімет бойынша). Пластмасса дайындау үшін қолданылатын полимерлердің негізгі тізбегі көбінесе көміртек атомдарынан тұрады. Полиэтилен ("политен" британдық ағылшын тілінде) – қарапайым мысал, оның қайталама бірлігі немесе мономері – этилен. Көптеген басқа да құрылымдар бар; мысалы, кремний сияқты элементтер силикон сияқты таныс материалдарды құрайды, оларға Силли Путти және су өткізбейтін сантехникалық герметиктер жатады. Оттегі де полимер тізбегінде жиі кездеседі, мысалы полиэтиленгликоль, полисахаридтерде (гликозидтік байланыстарда) және ДНК-да (фосфодиэстерлік байланыстарда).
Синтез
Полимерлеу – мономерлер деп аталатын көптеген кішкентай молекулаларды ковалентті байланыстағы тізбекке немесе желіге біріктіру процесі. Полимерлеу процесінде әр мономерден кейбір химиялық топтар жоғалуы мүмкін. Бұл ПЭТ полиэстерінің полимерленуі кезінде болады. Мономерлері – терефталь қышқылы (HOOCC6H4COOH) және этиленгликоль (HOCH2CH2OH), бірақ қайталама бірлігі – OCC6H4COOCH2CH2O, бұл екі мономердің қосындысына сәйкес келеді, екі су молекуласы жоғалады. Полимерге енгізілген әрбір мономердің ерекше бөлігі қайталама бірлік немесе мономер қалдығы деп аталады. Синтетикалық әдістер, әдетте, екі санатқа бөлінеді: қадамдық өсу полимерлендіру және тізбекті полимерлендіру. Екі санаттың негізгі айырмашылығы – тізбекті полимерлендіруде мономерлер тізбекке тек біреуден біреуі қосылады, мысалы, полистиролда, ал қадамдық өсуде мономерлердің тізбектері бір-бірімен тікелей бірігуі мүмкін, мысалы, полиэстерде. Қадамдық өсу полимерлендіруі поликонденсацияға, онда әрбір реакция сатысында төмен молярлық массалы қосымша өнім пайда болады, және полиаддицияға бөлінеді. Плазма полимерлендіру сияқты жаңа әдістер екі санаттың біріне де толық сәйкес келмейді. Синтетикалық полимерлендіру реакциялары катализатордың болуымен немесе одан тыс жүргізілуі мүмкін. Биополимерлерді, әсіресе ақуыздарды зертханада синтездеу – қарқынды зерттеулер жүргізіліп жатқан сала.
Биологиялық синтез
Биополимерлердің үш негізгі класы бар: полисахаридтер, полипептидтер және полинуклеотидтер. Тірі жасушаларда олар ферменттердің қатысуымен жүзеге асырылатын процестер арқылы синтезделуі мүмкін, мысалы, ДНК полимеразамен катализделетін ДНК түзілуі. Ақуыздардың синтезі генетикалық ақпаратты ДНК-дан РНК-ға транскрипциялау және одан кейін аминқышқылдарынан белгілі бір ақуызды синтездеу үшін осы ақпаратты трансляциялау сияқты бірнеше ферменттердің қатысуымен жүзеге асырылатын процестерді қамтиды. Ақуыз, тиісті құрылым мен қызметін қамтамасыз ету үшін трансляциядан кейін қосымша модификациялануы мүмкін. Каучук, суберин, меланин және лигнин сияқты басқа биополимерлер де бар.
Табиғи полимерлерді өзгерту
Табиғи түрде кездесетін мақта, крахмал және каучук сияқты полимерлер, полиэтилен және перспекс сияқты синтетикалық полимерлер нарыққа шыққанға дейін көп жылдар бойы белгілі материалдар болды. Көптеген коммерциялық маңызды полимерлер табиғи полимерлердің химиялық модификациясы арқылы синтезделді. Көрінетін мысалдарға азот қышқылының целлюлозамен реакциясы арқылы нитроцеллюлозаның түзілуі және күкірт қосылғанда табиғи каучукты қыздыру арқылы вулканизацияланған каучук жасау жатады. Полимерлерді модификациялау әдістеріне тотығу, өзара байланыс және тікелей ұштарды жабу кіреді.
Құрылымы
Полимерлік материалдың құрылымын әр түрлі ұзындық деңгейлерінде сипаттауға болады, суб-нм ұзындық деңгейінен бастап макроскопиялық деңгейге дейін. Шындығында, құрылымдардың иерархиясы бар, онда әр кезең келесі кезең үшін негіз құрайды. Полимер құрылымын сипаттаудың бастапқы нүктесі – оның құрамына кіретін мономерлердің табиғаты. Содан кейін микроқұрылым полимер ішіндегі осы мономерлердің бір тізбек деңгейінде орналасуын сипаттайды. Микроқұрылым полимердің әртүрлі орналасуы бар фазаларды қалыптастыру мүмкіндігін анықтайды, мысалы кристалдану, шыны тәрізді өту немесе микрофазалық бөліну арқылы. Бұл ерекшеліктер полимердің физикалық және химиялық қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады.
Полимерлік архитектура
Полимердің маңызды микроқұрылымдық ерекшелігі – оның архитектурасы мен пішіні, бұл тармақталу нүктелерінің қарапайым сызықтық тізбектен ауытқуымен байланысты. Бұтақты полимер молекуласы негізгі тізбектен тұрады, оған бір немесе бірнеше қосалқы тізбектер немесе тармақтар жалғасқан. Бұтақты полимерлердің түрлеріне жұлдыз тәрізді полимерлер, тарақ тәрізді полимерлер, полимерлік щеткалар, дендронды полимерлер, сатылы полимерлер және дендримерлер жатады. Басқа молекулалар сияқты, полимердің мөлшері молекулалық салмақ арқылы да сипатталуы мүмкін. Синтетикалық полимерлеу әдістері көбінесе тізбек ұзындығының статистикалық таралуын береді, сондықтан молекулалық салмақ салмақталған орташа мәндер түрінде беріледі. Сандық орташа молекулалық салмақ (Mn) және салмақтық орташа молекулалық салмақ (Mw) ең көп кездесетін мәндер. Бұл екі мәннің қатынасы (Mw / Mn) – дисперсия (Đ), ол молекулалық салмақ таралуының енін көрсету үшін жиі қолданылады. Полимердің физикалық қасиеттері полимер тізбегінің ұзындығына (немесе эквивалентті түрде, молекулалық салмағына) тікелей байланысты. Молекулалық салмақтың физикалық салдарының маңызды мысалы – балқыған күйдегі тұтқырлықтың (ағымға қарсы кедерістің) өзгеруі. Ерітілгендегі тұтқырлыққа орташа молекулалық салмақтың әсері полимердің түйісу шегінен жоғары немесе төмен болуына байланысты. Түйісу молекулалық салмағынан төмен жағдайда, ал түйісу молекулалық салмағынан жоғары жағдайда. Соңғы жағдайда полимер тізбегінің ұзындығын 10 есеге арттырса, тұтқырлық 1000 еседен астам артады. Тізбек ұзындығын арттыру сонымен қатар тізбектердің қозғалмалылығын төмендетіп, беріктігі мен қатаңдығын арттырады, сондай-ақ шыныға айналу температурасын (Tg) жоғарылатады. Бұл тізбек ұзындығының артуымен байланысты Ван дер Ваальс тартымдылығы және түйісу сияқты тізбектер арасындағы өзара әрекеттесулердің күшеюінің нәтижесі. Бұл өзара әрекеттесулер жеке тізбектерді олардың орнында мықтырақ бекітіп, жоғары кернеу мен жоғары температурада деформациялар мен матрицаның ыдырауына қарсы тұрады.
Тізбектің пішіні
Полимер молекуласының алатын кеңістігі көбінесе айналу радиусы арқылы беріледі, ол тізбектің массалық орталығынан тізбектің өзіне дейінгі орташа қашықтық. Балама ретінде, бұл полимер тізбегімен толтырылған көлем ретінде де көрсетілуі мүмкін, бұл көлем айналу радиусының кубіне пропорционал. Еріген, аморфты күйдегі полимерлер үшін ең қарапайым теориялық модельдер – идеалды тізбектер.
Қасиеттері
Полимерлердің қасиеттері олардың құрылысына байланысты және физикалық негіздері бойынша сыныптарға бөлінеді. Көптеген физикалық және химиялық қасиеттер полимердің үздіксіз макроскопиялық материал ретінде қалай жүретінін сипаттайды. Бұл қасиеттер термодинамика бойынша көлемдік қасиеттер немесе интенсивті қасиеттер ретінде жіктеледі.
Механикалық қасиеттері
Полимердің маңызды қасиеттері көбінесе қолдану барысында ең қызығушылық тудырады. Осы қасиеттер полимердің макродеңгейде қалай жүретінін анықтайды.
Тартылу беріктігі
Материалдың созылу беріктігі материалдың бұзылуға дейін қанша созылу күшіне төтеп бере алатынын көрсетеді. Бұл полимердің физикалық күшіне немесе тұрақтылығына байланысты қолданыстар үшін өте маңызды. Мысалы, созылу беріктігі жоғары резеңке таспа сынғанша ауыр заттарды көтере алады. Жалпы алғанда, созылу беріктігі полимер тізбегінің ұзындығымен және полимер тізбектерінің байланысуымен артады.
Юнгтың икемділік модулі
Янг модулі полимердің серпімділігін сипаттайды. Кішкентай деформациялар үшін, ол кернеудің өзгеру жылдамдығының деформацияға қатынасы ретінде анықталады. Созылу беріктігі сияқты, бұл полимерлердің физикалық қасиеттерін қолдануда, мысалы, резеңке таспаларда маңызды рөл атқарады. Модуль температураға күшті тәуелді. Вискоэластикалық қасиет – уақытқа тәуелді күрделі серпімді жауап, ол жүктеме алынғанда кернеу-деформация қисығында гистерезис көрсетеді. Динамикалық механикалық талдау (ДМТ) немесе DMA жүктемені тербелту арқылы осы күрделі модульді өлшейді және пайда болған деформацияны уақыттың функциясы ретінде анықтайды.
Көлік қасиеттері
Дифузиялық қасиеттер, мысалы, молекулалардың полимерлік матрица арқылы қаншалықты жылдам қозғалатынын сипаттайды. Бұл қасиеттер полимерлерді пленкалар және мембраналар ретінде қолданудың көптеген салаларында өте маңызды. Жеке макромолекулалардың қозғалысы рептация деп аталатын процесте жүзеге асырылады, онда әрбір тізбекті молекула көршілес тізбектермен өріліп, көзге көрінбейтін түтік ішінде қозғалуға шектеледі. Рептация теориясы полимер молекулаларының динамикасын және вяздоэластикалық қасиеттерін түсіндіруге мүмкіндік береді.
Кристалдану және балқу
Химиялық құрылымына байланысты полимерлер жартылай кристалдануға немесе аморфты болуы мүмкін. Жартылай кристалдану полимерлер кристалдану және балқу процестерінен өтеді, ал аморфты полимерлерде мұндай процестер болмайды. Полимерлерде кристалдану мен балқу, су сияқты немесе басқа молекулалық сұйықтықтардағы қатты-сұйық фазалық өтулерді білдірмейді. Оның орнына, кристалдану және балқу екі қатты күйдің (яғни жартылай кристалдану және аморфты) арасындағы фазалық өтулерді көрсетеді. Кристалдану шыны тәрізді өту температурасынан (Tg) жоғары және балқу температурасынан (Tm) төмен жүзеге асады.
Шыныға көшу
Барлық полимерлер (аморфты немесе жартылай кристалдаған) шыны тәрізді күйге өтеді. Шынылылық температурасы (Tg) полимер өндірісі, өңдеуі және қолданылуы үшін өте маңызды физикалық параметр болып табылады. Tg-дан төмен температурада молекулалық қозғалыстар тоқтатылады және полимерлер қатты, шыны тәрізді болады. Tg-дан жоғары температурада молекулалық қозғалыстар белсенденеді және полимерлер серпімді, тұтқыр болады. Шынылылық температурасын полимердегі тармақтану немесе байланыс дәрежесін өзгерту арқылы, немесе пластификаторлар қосу арқылы реттеуге болады. Кристалдану және балқу бірінші реттік фазалық өзгерістер болса, шынылылық өзгеріс - емес. Шынылылық өзгеріс екінші реттік фазалық өзгерістердің қасиеттерін (мысалы, жылу сыйымдылығының өзгеруі, суретте көрсетілгендей) бөліседі, бірақ ол әдетте тепе-теңдік күйлері арасындағы термодинамикалық өзгеріс деп есептелмейді.
Араластыру мінез-құлқы
Жалпы, полимерлік қоспалар кіші молекулалы материалдардың қоспаларына қарағанда нашар араласады. Бұл эффекттің себебі араласудың қозғаушы күші көбінесе өзара әрекеттесу энергиясы емес, энтропия болып табылуында. Яғни, араласатын материалдар әдетте, бір-бірімен өзара әрекеттесуі өз-өзімен өзара әрекеттесуінен артық болғандықтан емес, әр компонентке қол жетімді көлемнің ұлғаюымен байланысты энтропияның және осыған сәйкес еркін энергияның артуынан ерітінді түзеді. Энтропияның бұл өсімі араластырылған бөлшектердің (немесе мольдердің) санына пропорционалды. Полимерлік молекулалар әлдеқайда ірі болғандықтан және демек, көбінесе кіші молекулаларға қарағанда жоғары нақты көлемге ие болғандықтан, полимерлік қоспаға қатысқан молекулалардың саны бірдей көлемдегі кіші молекулалық қоспадағыдан әлдеқайда аз. Араласудың энергетикалық аспектісі полимерлік және кіші молекулалық қоспалар үшін көлем бірлігіне шаққанда салыстырмалы. Бұл полимерлік ерітінділердің ерігіштігін төмендетіп, сольватацияны нашарлатады, соның салдарынан полимерлердің жоғары концентрацияланған ерітінділері кіші молекулаларға қарағанда сирек кездеседі. Сонымен қатар, полимерлік ерітінділер мен қоспалардың фазалық мінез-құлқы кіші молекулалық қоспаларға қарағанда күрделірек. Көптеген кіші молекулалық ерітінділер тек жоғарғы критикалық ерітінді температурасының (UCST) фазалық өтуін көрсетеді, онда салқындатумен фазалық бөліну жүреді, ал полимерлік қоспалар төменгі критикалық ерітінді температурасының (LCST) фазалық өтуін көрсетеді, онда қыздырумен фазалық бөліну жүреді. Сұйытылған ерітінділерде полимердің қасиеттері еріткіш пен полимер арасындағы өзара әрекеттесумен сипатталады. Жақсы еріткіште полимер ісіп, үлкен көлемді алады. Бұл жағдайда еріткіш пен мономерлік бөлікшелер арасындағы молекулалық күштер ішкі молекулалық өзара әрекеттесулерге басым келеді. Жаман немесе нашар еріткіште ішкі молекулалық күштер басым болады және тізбек жиырылады. Тета еріткіште, яғни полимер ерітіндісінің екінші вириалдық коэффициентінің мәні 0 болатын күйде, полимер-еріткіш арасындағы тебу дәл мономер-мономер арасындағы тартымдылықты теңестіреді. Тета жағдайында (Флори жағдайы деп те аталады) полимер идеалды кездейсоқ орам сияқты мінез-құлық көрсетеді. Бұл күйлер арасындағы өту "орам-глобулалық өту" деп аталады.
Пластификаторларды қосу
Пластификаторларды қосу Tg төмендетуге және полимердің икемділігін арттыруға әкеледі. Пластификатордың қосылуы сондай-ақ шыныға айналу температурасының Tg салқындату жылдамдығына тәуелділігін өзгертеді. Егер пластификатор молекулалары сутекті байланыс түзсе, тізбектің жылжу мүмкіндігі одан әрі өзгеруі мүмкін. Пластификаторлар – полимерге химиялық тұрғыдан ұқсас, кішкентай молекулалар болып табылады, олар полимер тізбектері арасында кеңістіктер жасап, жылжуды арттырады және тізбектер арасындағы өзара әрекеттесуді азайтады. Пластификаторлардың әсерінің жақсы мысалы поливинилхлоридтер немесе ПВХ. Пластикаланбаған ПВХ, яғни қысқартылған ПВХ, құбырлар сияқты заттарға қолданылады. Құбырдың құрамында пластификаторлар болмайды, себебі оның берік және ыстыққа төзімді болуы қажет. Пластификацияланған ПВХ киім-кешекте икемділік беру үшін қолданылады. Полимерді икемді ету үшін кейбір жабысқақ пленкалардың құрамына да пластификаторлар қосылады.
Химиялық қасиеттері
Полимер тізбектерінің арасындағы тартымды күштер полимердің қасиеттерін анықтауда маңызды рөл атқарады. Полимер тізбектерінің ұзындығына байланысты, әр молекула көптеген өзара әрекеттесулерге ие болады, бұл полимердің қасиеттеріне олардың әсерін, дәстүрлі молекулалар арасындағы тартымдылыққа қарағанда күшейтеді. Полимердегі әртүрлі қосымша топтар полимерге иондық байланысқа немесе оның өзінің тізбектері арасындағы сутекті байланысқа түсу мүмкіндігін береді. Мұндай күшті күштер әдетте жоғары созу беріктігіне және жоғары кристалдық балқу температурасына әкеледі. Полимерлердегі молекуларалық күштер мономерлік бірліктердегі дипольдердің әсерінен өзгеруі мүмкін. Амид немесе карбонил тобын қамтитын полимерлер жақын тізбектер арасында сутекті байланыстар құра алады; бір тізбектегі N H тобындағы жартылай оң зарядталған сутек атомдары екінші тізбектегі C=O тобындағы жартылай теріс зарядталған оттек атомдарына күшті тартылады. Мысалы, осы күшті сутекті байланыстар уретан немесе мочевина байланыстары бар полимерлердің жоғары созу беріктігі мен балқу температурасын қамтамасыз етеді. Полиэстерлерде C=O тобындағы оттек атомдары мен H C тобындағы сутек атомдары арасында диполь-дипольдік байланыс пайда болады. Дипольдік байланыс сутекті байланыс сияқты күшті емес, сондықтан полиэстердің балқу температурасы мен беріктігі Кевлар (Тварон) полимерінен төмен, бірақ полиэстерлерге икемділік артық. Полиэтилен сияқты полярлық емес бірліктері бар полимерлер тек әлсіз Ван-дер-Ваальс күштері арқылы өзара әрекеттеседі. Осының салдарынан олардың балқу температурасы басқа полимерлерге қарағанда төмен болады. Полимер сұйықтықта таратылған немесе ерітілген кезде, мысалы, бояулар мен желімдер сияқты коммерциялық өнімдерде, химиялық қасиеттер мен молекулалық өзара әрекеттесулер ерітіндінің ағыс қасиетіне әсер етеді және тіпті полимердің күрделі құрылымдарға өздігінен жиналуына себеп болуы мүмкін. Полимер қаптама ретінде қолданылғанда, химиялық қасиеттер қаптаманың жабысуына және оның сыртқы материалдармен өзара әрекеттесуіне әсер етеді, мысалы, суға төзімділікті қамтамасыз ететін супергидрофобты полимерлік қаптамалар. Жалпы, полимердің химиялық қасиеттері жаңа полимерлік материалдарды жобалау үшін маңызды элементтер болып табылады.
Оптикалық қасиеттері
PMMA және HEMA:MMA сияқты полимерлер қатты күйдегі бояу лазерлерінің актив ортасында матрица ретінде қолданылады, бұл лазерлер қатты күйдегі бояу қосылған полимерлік лазерлер деп те аталады. Бұл полимерлердің жоғары сапалы беті және жоғары мөлдірлігі бар, сондықтан лазерлік қасиеттер полимерлік матрицаға бояу қосылу арқылы анықталады. Органикалық лазерлер класына жататын осы типтегі лазерлер өте тар сызық енін шығарады, бұл спектроскопия және талдау қолданбалары үшін пайдалы. Лазерлік қолданбаларда қолданылатын полимерлердің маңызды оптикалық параметрі – температураға байланысты сындыру көрсеткішінің өзгеруі, яғни dn/dT. Мұнда аталған полимерлер үшін (dn/dT) шамамен -1,4 × 10−4 K−1 бірліктерімен 297 ≤ T ≤ 337 K диапазонында болады.
also known as dn/dT. For the polymers mentioned here the (dn/dT) ~ −1.4 × 10−4 in units of K−1 in the 297 ≤ T ≤ 337 K range.
Электрлік қасиеттері
Полиэтилен сияқты көптеген дәстүрлі полимерлер электр оқшаулағыштар болып табылады, бірақ π-байланыстары бар полимерлерді жасау полимер негізіндегі жартылай өткізгіштердің көптеген түрлеріне, мысалы, политиофендерге жол ашты. Бұл органикалық электроника саласында көптеген қолданыстарға мүмкіндік берді.
Қолданбалар
Қазіргі кезде синтетикалық полимерлер өмірдің барлық салаларында қолданылады. Қазіргі қоғам оларсыз мүлдем басқаша болар еді. Полимерлерді қолданудың кең таралуы олардың ерекше қасиеттерімен байланысты: төмен тығыздық, төмен құн, жақсы жылу-электр оқшаулау қасиеттері, коррозияға жоғары төзімділік, полимер өндірісінде аз энергия талап ету және соңғы өнімге оңай өңделуі. Белгілі бір қолдану үшін полимердің қасиеттерін басқа материалдармен біріктіру арқылы, мысалы, композиттерде, реттеуге немесе жақсартуға болады. Оларды қолдану энергияны үнемдеуге (жеңіл көліктер мен ұшақтар, жылу оқшауланған ғимараттар), тағам мен ішу суын (қаптамалар) қорғауға, жерді үнемдеуге және тыңайтқыштарды азайтуға (синтетикалық талшықтар), басқа материалдарды сақтауға (жабындар), өмірді қорғауға және құтқаруға (гигиена, медициналық қолдану) мүмкіндік береді. Төменде қолданудың толық емес, көрнекті тізімі келтірілген. Киім, спорттық киім және аксессуарлар: полиэстер және ПВХ киім, спандекс, спорттық аяқ киім, су спортына арналған костюмдер, футбол және бильярд доптары, шаңғы және сноуборд, ракеткалар, парашюттер, желкендер, шатырлар мен баспаналар. Электрондық және фотоникалық технологиялар: органикалық өріс эффектілі транзисторлар (OFET), жарықдиодтар (OLED) және күн батареялары, теледидар компоненттері, компакт-дискілер (CD), фоторезисттер, голография. Қаптамалар мен контейнерлер: пленкалар, бөтелкелер, тағамдық қаптамалар, бочкалар. Оқшаулау: электр және жылу оқшаулау, шашыратылатын көбіктер. Құрылыс және құрылымдық қолдану: бақша жиһазы, ПВХ терезелер, еден жабындары, тығыздағыштар, құбырлар. Бояулар, желімдер және майлау материалдары: лак, желімдер, дисперсанттар, граффитиге қарсы жабындар, залалсыздандыру жабындары, жабыспайтын беттер, майлау материалдары. Көлік бөлшектері: дөңгелектер, бамперлер, жел әйнектерін сүрткіштер, жанармай бактары, автомобиль орындықтары. Шаруашылық заттары: қаптар, ас үй ыдыстары, ойыншықтар (мысалы, құрылыс жиынтығы және Рубик текшесі). Медициналық қолдану: қан қаптары, шприцтер, резеңке қолғаптар, хирургиялық тігістер, контактты линзалар, протездер, дәрі-дәрмекті бақылаулы жеткізу және шығару, жасуша өсуіне арналған матрицалар. Жеке гигиена және денсаулық сақтау: су жұтатын полимерлерді пайдаланатын бекіткіштер, тіс щеткалары, косметика, шампунь, презервативтер. Қауіпсіздік: жеке қорғаныс құралдары, оқ өткізбейтін жилеттер, ғарыш костюмдері, арқандар. Бөлу технологиялары: синтетикалық мембраналар, отын жасушасы мембраналары, сүзгілеу, ион алмастыру шайырлары. Ақша: полимерлік банкноттар және төлем карталары. 3D-басылым.
Қасиеттері
Полимерлерді сипаттау – химиялық құрамын, молекулалық салмақ таралуын және физикалық қасиеттерін анықтауға арналған көптеген әдістерді қамтиды. Көбінесе қолданылатын әдістерге мыналар жатады: Мөлшерін бөліп шығару хроматографиясы (немесе гельдік пермеация хроматографиясы), кейде статикалық жарық шашырауымен бірге, сандық орташа молекулалық салмақ, салмақтық орташа молекулалық салмақ және дисперсияны анықтау үшін қолданылады. Статикалық жарық шашырауы және кішкентай бұрышты нейтрондық шашырау сияқты шашырату әдістері, ерітіндідегі немесе балқымадағы макромолекулалардың өлшемдерін (гирация радиусын) анықтау үшін пайдаланылады. Бұл әдістер микрофазалық бөлінген блок-полимерлердің, полимерлік мицеллалардың және басқа материалдардың үш өлшемді құрылымын сипаттау үшін де қолданылады. Кең бұрышты рентген сәулесінің шашырауы (кең бұрышты рентгендік дифракция деп те аталады) полимерлердің кристалдық құрылымын (немесе оның болмауын) анықтау үшін қолданылады. Химиялық құрамын анықтау үшін спектроскопиялық әдістер, соның ішінде Фурье түрлендірілген инфрақызыл спектроскопиясы, Раман спектроскопиясы және ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы қолданылуы мүмкін. Дифференциалдық сканерлеу калориметриясы полимерлердің жылулық қасиеттерін, мысалы, шыны тәрізді өтпе температурасын, кристалдану температурасын және балқу температурасын сипаттау үшін қолданылады. Шыны тәрізді өтпе температурасын динамикалық механикалық талдау арқылы да анықтауға болады. Термогравиметрия полимердің жылулық тұрақтылығын бағалау үшін пайдалы әдіс болып табылады. Реология ағын мен деформация мінез-құлқын сипаттау үшін қолданылады. Оны тұтқырлықты, модульді және басқа реологиялық қасиеттерді анықтау үшін пайдалануға болады. Реология молекулалық құрылымды (молекулалық салмақ, молекулалық салмақ таралуы, тармақтану) анықтау үшін және полимерді қалай өңдеуге болатынын түсіну үшін жиі қолданылады.
Size exclusion chromatography (also called gel permeation chromatography), sometimes coupled with static light scattering, can used to determine the number average molecular weight, weight average molecular weight, and dispersity. Scattering techniques, such as static light scattering and small angle neutron scattering, are used to determine the dimensions (radius of gyration) of macromolecules in solution or in the melt. These techniques are also used to characterize the three dimensional structure of microphase separated block polymers, polymeric micelles, and other materials. Wide angle X ray scattering (also called wide angle X ray diffraction) is used to determine the crystalline structure of polymers (or lack thereof). Spectroscopy techniques, including Fourier transform infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, and nuclear magnetic resonance spectroscopy, can be used to determine the chemical composition. Differential scanning calorimetry is used to characterize the thermal properties of polymers, such as the glass transition temperature, crystallization temperature, and melting temperature. The glass transition temperature can also be determined by dynamic mechanical analysis. Thermogravimetry is a useful technique to evaluate the thermal stability of the polymer. Rheology is used to characterize the flow and deformation behavior. It can be used to determine the viscosity, modulus, and other rheological properties. Rheology is also often used to determine the molecular architecture (molecular weight, molecular weight distribution, branching) and to understand how the polymer can be processed.
Деградация
Полимерлердің ыдырауы – полимердің немесе полимерлік өнімнің бір немесе бірнеше қоршаған орта факторларының, мысалы, жылу, жарық, белгілі бір химиялық заттар, оттегі және ферменттердің әсерінен олардың қасиеттерінің (созылу күші, түсі, пішіні немесе молекулалық салмағы) өзгеруі. Бұл қасиеттердегі өзгеріс көбінесе полимер тізбегіндегі байланыстың үзілуінен (тізбек бөлінуі) туындайды, бұл тізбектің ұштарында немесе тізбектегі кездейсоқ жерлерде жүруі мүмкін. Мұндай өзгерістер көбінесе қанағаттандырмас болса да, кейбір жағдайларда, мысалы, биодеградация және қайта өңдеу сияқты, олар қоршаған ортаның ластануын болдырмау үшін қажет болуы мүмкін. Деградация биомедициналық салаларда да пайдалы болуы мүмкін. Мысалы, полилакты қышқылы мен полигликоль қышқылының сополимері жараға жаққанда баяу ыдырайтын гидролизделетін тігістерде қолданылады. Полимердің ыдырауға бейімділігі оның құрылымына байланысты. Эпоксилер және ароматтық функционалдық топтарды қамтитын тізбектер ультракүлгін сәуледен ыдырауға өте сезімтал, ал полиэстерлер гидролиз арқылы ыдырауға бейім. Қанықпаған тізбекке ие полимерлер озондық жарылу арқылы ыдырайды. Көміртекті полимерлер полидиметилсилоксан сияқты бейорганикалық полимерлерге қарағанда жылулық ыдырауға көбірек бейім, сондықтан олар көптеген жоғары температуралық қолданулар үшін идеалды емес. Полиэтиленнің ыдырауы полимер атомдарын байланыстырып тұратын байланыстардың кездейсоқ үзілуі арқылы жүзеге асады. 450°C-тан жоғары температурада қыздырылғанда полиэтилен көмірсутектердің қоспасын түзетіндей ыдырайды. Тізбек ұшының бөлінуі кезінде мономерлер босатылады, бұл процеске деполимеризация деп аталады. Қай механизм басым болады – полимердің түріне және температураға байланысты; әдетте, қайталанатын бөлімшеде ешқандай немесе бір ғана кішкентай тобы бар полимерлер кездейсоқ тізбек бөлінуі арқылы ыдырайды. Полимерлік қалдықтарды қайта өңдеу мақсатында сұрыптау, Пластмасса өнеркәсібі қоғамы әзірлеген, пластмассаның түрін анықтауға арналған шайырды сәйкестендіру кодтарын пайдалану арқылы жеңілдетілуі мүмкін.
Өнімнің ақаулығы
Қауіпсіздікке маңызды полимерлік компоненттердің істен шығуы, полимерлік отын құбырларының жарылуы және тозуы салдарынан өрт сияқты қауіпті жағдайларға алып келуі мүмкін. Ацеталь шайырынан жасалған сантехникалық қосылыстар мен полибутилен құбырларының хлордан зақымдануы, әсіресе 1990 жылдардағы АҚШ-та, көптеген үйлердің су басуына себеп болды. Сумен жабдықтаудағы хлордың іздері сантехникадағы полимерлерге шабуыл жасады, бұл мәселе, егер кез келген бөлшек нашар экструзияланса немесе инъекциялық қалыпталған болса, жылдамырақ орын алады. Ацеталь қосылысының зақымдануы қалыптаудың нашар болуынан туындады, бұл фитингтің жіктеріндегі кернеу концентрациясы бар жерлерде жарықтардың пайда болуына әкелді. Полимерлердің тотығуы медициналық құрылғыларға қатысты жағдайларға соқтырып келді. Ең ерте белгілі ақаулық түрлерінің бірі – озонмен жарылу, ол озон газының табиғи резеңке және нитрил резеңке сияқты сезімтал эластомерлерге шабуыл жасауынан тізбектің үзілуіне байланысты туындайды. Олар қайталама бірліктерінде озонолиз кезінде үзілетін қос байланыстарға ие. Отын құбырларындағы жарықтар құбырдың ішкі диаметріне еніп, отынның ағып кетуіне әкелуі мүмкін. Егер жарық қозғалтқыш бөлімінде пайда болса, электр ұшқындары бензинге тұтандырып, қауіпті өртке себеп болуы мүмкін. Медициналық қолдануда полимерлердің тозуы имплантацияланатын құрылғылардың физикалық және химиялық қасиеттерінің өзгеруіне алып келуі мүмкін. Найлон 66 қышқыл гидролизіне бейім, ал бір жағдайда отын құбырының сынуы дизель отынының жолға төгілуіне әкелді. Дизель отыны жолға ағып кетсе, жолдың сырғақтығынан, қара мұз сияқты, кейін келе жатқан көліктер апатқа ұшырауы мүмкін. Бұдан әрі, асфальт-бетонды жол беті дизель отынының композиттік материалдан асфальтендерді ерітуі салдарынан зақымдануы мүмкін, бұл асфальт бетінің тозуына және жолдың құрылымдық тұрақтылығына әкеледі.
Тарих
Полимерлер адамзат тарихының басында-ақ қолданыстағы тауарлардың маңызды құрамдас бөлігі болған. Жүн (кератин), мақта және зығыр талшықтары (целлюлоза) киімге, қағаз қамысы (целлюлоза) қағаз жасауға пайдаланылуы – ежелгі қоғамдардың полимерлік шикізатты қолданып, өнімдер жасауының бірнеше мысалы. "Каутчук" ағаштарының латекс шырыны (табиғи каучук) 16 ғасырда Оңтүстік Америкадан Еуропаға жеткен, ал одан бұрын Олмектер, Майялар және Ацтектер оны шарлар, су өткізбейтін маталар мен ыдыстар жасау үшін материал ретінде қолданған. Полимерлерді химиялық тұрғыдан өңдеу 19 ғасырға дейін барады, бірақ сол кезде осы заттардың мәні толыққанды түсініксіз болған. Полимерлердің қасиеттері алғаш рет Томас Грэм ұсынған теория бойынша түсіндірілді, ол оларды белгісіз күштермен байланысқан кіші молекулалардың коллоидты жиынтығы деп қарастырды. Теориялық білімнің жетіспеуіне қарамастан, полимерлердің жаңашыл, қолжетімді және арзан материалдарды ұсыну мүмкіндігі бірден байқалды. Бракнот, Паркс, Людерсдорф, Хейвард және тағы басқалардың табиғи полимерлерді өзгерту жөніндегі жұмыстары осы саладағы маңызды жетістіктерге жол ашты. Олардың еңбегі целлулоид, галалит, паркезин, расон, вулканизацияланған каучук және кейінірек бакелит сияқты материалдардың табылуына әкелді: бұл материалдар тез арада өнеркәсіптік өндіріс процестеріне еніп, киім-кешек бөлшектері (мысалы, маталар, түймелер), ыдыс-аяқ және сәндік заттар ретінде тұрмыстық қолданысқа ие болды. 1920 жылы Герман Штаудингер өзінің "Полимерлендіру туралы" атты маңызды еңбегін жариялады, онда ол полимерлердің ковалентті байланыстармен байланысқан атомдардың ұзын тізбектері екенін айтты. Оның жұмысы ұзақ талқыланды, бірақ ақырында ғылыми қауымдастық оны қабылдады. Осы еңбегі үшін Штаудингер 1953 жылы Нобель сыйлығымен марапатталды. 1930 жылдардан кейін полимерлердің дамуы алтын ғасырға айналды, осы кезеңде жаңа түрлері ашылып, табиғи материалдарды ығыстыра отырып, тез коммерциялық қолдануға енгізілді. Бұл дамуға экономикалық жағынан күшті өнеркәсіп секторы ықпал етті және оны арзан шикізаттан мономерлерді синтездеудің жаңа әдістерін, полимерлендіру процестерін тиімді ету, полимерлерді сипаттаудың жақсартылған техникаларын және полимерлерді теориялық тұрғыдан терең түсінуге үлес қосатын академиялық қауымдастық қолдады. 1953 жылдан бері полимер ғылымы саласында алты Нобель сыйлығы табысталды, биологиялық макромолекулаларды зерттеуге байланысты зерттеулер есепке алынбады. Бұл оның қазіргі ғылым мен технологияға тигізген әсерін одан әрі көрсетеді. Лорд Тодд 1980 жылы былай деді: "Мен полимерлендірудің дамуы химия жасаған ең маңызды жаңалық деп санаймын, себебі ол күнделікті өмірге ең үлкен әсер етті".