Συμπολυμερισμός

Παρά τις σημαντικές προόδους στην κατανόηση του πολυμερισμού ενός μονομερούς, μια ολοκληρωμένη μελέτη του συμπολυμερισμού έχει παρεμποδιστεί. Ο συμπολυμερισμός επιτρέπει την ανάπτυξη μιας πρακτικά απεριόριστης σειράς πολυμερών και χρησιμοποιείται συχνά σε εμπορικές εφαρμογές πολυμερών υλικών για την επίτευξη καλύτερης ισορροπίας ιδιοτήτων. Τα συμπολυμερή μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας διαδικασίες πολυμερισμού συμπύκνωσης ανάπτυξης αλύσου και σταδιακής ανάπτυξης. Ωστόσο, οι φράσεις "τερπολυμερισμός" και "πολυμερισμός πολλαπλών συστατικών" χρησιμοποιούνται ευρέως για να αναφερθούν στον πολυμερισμό τριών μονομερών και τριών ή περισσότερων μονομερών, αντίστοιχα.

Συμπολυμερισμός

Πολλά μονομερή σχηματίζουν μια δομή που μοιάζει με αλυσίδα που ονομάζεται «Πολυμερή». Αυτά τα πολυμερή έχουν επαναλαμβανόμενες υπομονάδες. Το όνομα της διαδικασίας μέσω της οποίας σχηματίζονται τα πολυμερή ονομάζεται Πολυμερισμός. Σε ένα τέτοιο πολυμερές εάν τα μονομερή είναι από διαφορετικά είδη τότε ονομάζεται συμπολυμερές. Αυτά τα συμπολυμερή σχηματίζονται με μια διαδικασία που ονομάζεται Συμπολυμερισμός.

Ορισμός του Συμπολυμερισμού

Ο συμπολυμερισμός είναι μια διαδικασία κατά την οποία δύο ή περισσότεροι τύποι διαφορετικών μονομερών πολυμερίζονται για να σχηματίσουν ένα Συμπολυμερές. Ένα συμπολυμερές είναι διαφορετικό από ένα ομομερές. Στα ομομερή, μόνο ο ίδιος τύπος μονομερούς πολυμερίζεται παρά σε ένα συμπολυμερές διαφορετικοί τύποι μονομερών πολυμερίζονται.

Αλληλουχία ομομερούς

A – μονομερική υπομονάδα

Παραδείγματα ομομερών

Πολυαιθυλένιο ή -(-CH2CH-)n–

Αλληλουχία συμπολυμερούς

A – μονομερές 1

B – μονομερές 2

Παραδείγματα συμπολυμερούς

καουτσούκ νιτριλίου, ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρόλιο και οξικό πολυαιθυλένιο (PEVA).

Τύποι συμπολυμερισμού

Τα συμπολυμερή μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως σε δύο κατηγορίες. Είναι γραμμικά πολυμερή και διακλαδισμένα πολυμερή.

Δομή γραμμικού πολυμερούς

Δομή διακλαδισμένου πολυμερούς

Γραμμικά πολυμερή

Μια γραμμική αλυσίδα, ή μια ενιαία ραχοκοκαλιά χωρίς κλάδους, είναι η πιο βασική αρχιτεκτονική πολυμερών. Ένα γραμμικό πολυμερές είναι μια μακρά αλυσίδα δεσμών άνθρακα-άνθρακα στους οποίους οι υπόλοιποι δύο δεσμοί σθένους συνδέονται κυρίως με υδρογόνο ή ένα δευτερεύον συστατικό υδρογονάνθρακα. Τα γραμμικά συμπολυμερή ταξινομούνται περαιτέρω σε τέσσερις τύπους με βάση τη σειρά των διαφορετικών μονομερών στη γραμμική αλυσίδα των πολυμερών. Οι τέσσερις ταξινομήσεις είναι:

1. Μπλοκ συμπολυμερών
2. Στατιστικό συμπολυμερές
3. Εναλλακτικά συμπολυμερή
4. Περιοδικά Συμπολυμερή
5. Συμπολυμερή Gradient και Stereoblock

Μπλοκ συμπολυμερών

Ένα συμπολυμερές κατά συστάδες είναι ένα πολυμερές που αποτελείται από μόρια διατεταγμένα σε γραμμικό σχέδιο, με ένα μπλοκ που ορίζεται ως ένα κομμάτι ενός μορίου πολυμερούς στο οποίο οι μονομερείς μονάδες έχουν τουλάχιστον ένα συστατικό ή διαμορφωτικό χαρακτηριστικό που δεν έχουν τα περιβάλλοντα τμήματα. Το προκύπτον μακρομόριο μονής αλυσίδας ονομάζεται μπλοκ συμπολυμερές όταν περισσότερες από μία μονάδες ομοπολυμερούς ενώνονται μεταξύ τους με ομοιοπολικές συνδέσεις. Ένα μπλοκ διακλάδωσης είναι μια ενδιάμεση μονάδα που συνδέει τις δύο αλυσίδες ομοπολυμερούς. Ένα συμπολυμερές διπλών συστάδων αποτελείται από δύο μπλοκ ομοπολυμερούς, ενώ ένα συμπολυμερές τριών συστάδων αποτελείται από τρία μπλοκ ομοπολυμερούς. Η θεμελιώδης ιδιότητα ενός μπλοκ συμπολυμερούς είναι ότι κάθε ένα από τα μπλοκ αποτελείται από μονάδες που παράγονται από ένα συγκεκριμένο είδος μονομερούς. Σε νανοσκοπικές κλίμακες μήκους, τα μπλοκ συμπολυμερή μπορούν να δημιουργήσουν μια ποικιλία διατεταγμένων φάσεων. Όταν τα μπλοκ συμπολυμερή συνδυάζονται με άκαμπτα πρότυπα διαφόρων σχημάτων και μεγεθών, τα περιοριστικά περιβάλλοντα περιορίζουν σοβαρά τις μορφολογίες που μπορούν να παράγουν τα συμπολυμερή μπλοκ.

Απεικόνιση ενός συμπολυμερούς μπλοκ

Παράδειγμα συμπολυμερούς μπλοκ

PS-b-PMMA ή πολυστυρένιο-b-poly (μεθακρυλικός μεθυλεστέρας) (όπου b =μπλοκ)

Στατιστικό συμπολυμερές

Στα στατιστικά συμπολυμερή, η διαδοχική κατανομή των μονομερών μονάδων ακολουθεί γνωστούς στατιστικούς νόμους. Για παράδειγμα, η κατανομή της αλληλουχίας μονομερών θα μπορούσε να ακολουθεί τη Μαρκοβιανή στατιστική μηδενικής (Bernoullian), πρώτης, δεύτερης ή υψηλότερης τάξης. Ολόκληρο το πολυμερές είναι γνωστό ως τυχαίο πολυμερές εάν το μοριακό κλάσμα ενός μονομερούς είναι ίσο με την πιθανότητα εύρεσης ενός υπολείμματος αυτού του μονομερούς σε οποιοδήποτε σημείο της αλυσίδας. Η διαδικασία πολυμερισμού με ελεύθερες ρίζες χρησιμοποιείται συνήθως για την παραγωγή αυτών των πολυμερών. Οι στοιχειώδεις διεργασίες που οδηγούν στην παραγωγή μιας στατιστικής ακολουθίας μονομερών μονάδων μπορεί να μην προχωρούν πάντα με ίση πιθανότητα κινηματικά. Αυτές οι διεργασίες μπορούν να οδηγήσουν σε μια ποικιλία κατανομών ακολουθιών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων στις οποίες η οργάνωση μονομερών μονάδων τείνει προς την εναλλαγή, τη ομαδοποίηση παρόμοιων μονάδων ή την απουσία τάσης παραγγελίας.

Απεικόνιση ενός στατιστικού συμπολυμερούς

Παράδειγμα στατιστικού συμπολυμερούς

Συμπολυμερισμένο καουτσούκ στυρενίου και βουταδιενίου

Εναλλακτικά συμπολυμερή

Ένα συμπολυμερές με δύο είδη μονομερών μονάδων διεσπαρμένων στην εναλλασσόμενη αλληλουχία είναι γνωστό ως εναλλασσόμενο συμπολυμερές. Ως αποτέλεσμα, η διάταξη -ABABABAB- ή (AB)n υποδηλώνει ένα εναλλασσόμενο συμπολυμερές. Το (A-alt-B) είναι η εναλλακτική διάταξη αλληλουχίας των μονομερών μονάδων (A-alt-B) και το poly είναι το εναλλασσόμενο συμπολυμερές που αντιστοιχεί σε αυτό (A-alt-B). Οι εναλλασσόμενες διατάξεις αλληλουχίας μπορούν να οδηγήσουν σε συνταγματικά κανονικές δομές, οι οποίες μπορούν να ονομαστούν χρησιμοποιώντας την ονοματολογία που βασίζεται στη δομή για κανονικά μονόκλωνα οργανικά πολυμερή σε αυτές τις περιπτώσεις.

Απεικόνιση Εναλλασσόμενου Συμπολυμερούς

Παράδειγμα Εναλλασσόμενου Συμπολυμερούς

Nylon 6, πολυ[στυρόλιο-αλτ-(μηλεϊνικός ανυδρίτης)]

Περιοδικά Συμπολυμερή

Τα μονομερή είναι οργανωμένα σε μία μόνο αλυσίδα σε αυτά τα πολυμερή, η οποία έχει επαναλαμβανόμενη αλληλουχία. Οι μέθοδοι CRP μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή περιοδικών και εναλλασσόμενων συμπολυμερών. Μπορούν να κατασκευαστούν από συμμονομερή με φυσική κλίση προς εναλλαγή, όπως αντιδράσεις συμπολυμερισμού που περιλαμβάνουν ισχυρά μονομερή που δέχονται ηλεκτρόνια όπως μηλεϊνικό ανυδρίτη ή Ν-υποκατεστημένα μηλεϊμίδια και ένα μονομερές που δίνει ηλεκτρόνια όπως το στυρόλιο.

Απεικόνιση ενός περιοδικού συμπολυμερούς

[]n

Συμπολυμερή Gradient και Stereoblock

Τα συμπολυμερή βαθμίδωσης είναι συμπολυμερή μονής αλυσίδας στα οποία η περιεκτικότητα σε μονομερή μεταβάλλεται σταδιακά σε όλη την κύρια αλυσίδα. Ένα συμπολυμερές stereoblock είναι ένα μακρομόριο στο οποίο η τακτική των μονομερών ποικίλλει ανάλογα με τα διαφορετικά μπλοκ ή μονάδες του πολυμερούς. Τα πολυμερή Stereoblock παράγονται κάνοντας ξαφνικές τροποποιήσεις στην αλυσίδα σε συγκεκριμένα σημεία.

Διακλαδισμένο Συμπολυμερές

Ένα διακλαδισμένο συμπολυμερές είναι ένα πολυμερές στο οποίο τα μονομερή είναι διατεταγμένα σε δομή διακλάδωσης, όπως υποδηλώνει το όνομα. Οι πλευρικές αλυσίδες ή οι κλάδοι ξεφυτρώνουν από την κύρια αλυσίδα σε διακλαδισμένα πολυμερή. Οι ίδιες επαναλαμβανόμενες μονάδες αποτελούν τις πλευρικές αλυσίδες και τους κλάδους όπως οι κύριες αλυσίδες πολυμερούς. Παράπλευρες αντιδράσεις κατά τον πολυμερισμό προκαλούν τα κλαδιά. Η διακλάδωση είναι πιο πιθανή σε μονομερή με δύο ή περισσότερες ακραίες ομάδες. Οι διάφοροι τύποι διακλαδισμένων πολυμερών είναι: 

• εμποτισμένο συμπολυμερές

1. Χτενισμένο συμπολυμερές
2. Συμπολυμερές βούρτσας
3. Συμπολυμερές σε σχήμα αστεριού

Εμβολιασμένο συμπολυμερές

Τα εμβολιασμένα συμπολυμερή είναι διακλαδισμένα συμπολυμερή με διαφορετικής δομής κύριες αλυσίδες και πλευρικές αλυσίδες. Τα μοσχευμένα συμπολυμερή έχουν μοριακές αρχιτεκτονικές που είναι διακλαδισμένες. Μια φαινομενικά γραμμική κύρια αλυσίδα (η ραχοκοκαλιά) έχει πολυμερείς πλευρικές αλυσίδες (μοσχεύματα) διαφόρων χημικών τύπων συνδεδεμένες με αυτήν, οι οποίες είναι διατεταγμένες τυχαία στις περισσότερες περιπτώσεις.

Απεικόνιση Συμπολυμερούς Μοσχεύματος

Comb copolymer

Τα συμπολυμερή σε σχήμα χτένας είναι πολύπλοκα πολυμερή με κύρια αλυσίδα (ή ραχοκοκαλιά) πάνω στην οποία εμβολιάζονται χημικά διακριτές πλευρικές αλυσίδες. Το τσιμέντο και το σκυρόδεμα, ο ασβεστόλιθος, το πυρίτιο, ο γύψος, το τιτανικό βάριο και η μαγνησία έχουν χρησιμοποιήσει συμπολυμερή σε σχήμα χτένας με ανιονικό σκελετό ως διασκορπιστικά για τη σταθεροποίηση διαφόρων αιωρημάτων. Ένα πολυμερές χτένας, σύμφωνα με το χρυσό βιβλίο της IUPAC, είναι ένα πολυμερές που αποτελείται από μακρομόρια χτένας. Με άλλα λόγια, αποτελείται από πλευρικές αλυσίδες στην ίδια πλευρά της ραχοκοκαλιάς, με αποτέλεσμα ένα πολυμερές που μοιάζει με χτένα.

Απεικόνιση Συμπολυμερούς χτένας

Συμπολυμερές βούρτσας

Η ραχοκοκαλιά αυτού του τύπου πολυμερούς αντικαθίσταται με πλευρικές αλυσίδες από διάφορα σημεία, δίνοντάς του την εμφάνιση βούρτσας. Αυτά τα πολυμερή έχουν υψηλή πυκνότητα.

Απεικόνιση Συμπολυμερούς Βούρτσας

Συμπολυμερές σε σχήμα αστεριού

Τα πολυμερή αστεριών είναι τρισδιάστατα υπερδιακλαδισμένα πολυμερή με γραμμικούς βραχίονες του ίδιου ή διαφορετικού μοριακού βάρους που ακτινοβολούν από έναν κεντρικό πυρήνα. Οι προσεγγίσεις με το πρώτο χέρι ή τον πυρήνα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή πολυμερών αστεριών.

Απεικόνιση συμπολυμερούς σε σχήμα αστεριού

Ο συμπολυμερισμός είναι μια τεχνική για την αλλαγή των ιδιοτήτων των κατασκευασμένων πλαστικών για την ικανοποίηση συγκεκριμένων απαιτήσεων, όπως η μείωση της κρυσταλλικότητας, η αλλαγή της θερμοκρασίας μετάπτωσης υάλου, ο έλεγχος των ιδιοτήτων διαβροχής ή η αύξηση της διαλυτότητας. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως σκλήρυνση από καουτσούκ, βελτιώνει τις μηχανικές ιδιότητες. Όταν κρούεται μια άκαμπτη μήτρα, οι ελαστομερείς φάσεις εντός της μήτρας λειτουργούν ως απαγωγείς ρωγμών, αυξάνοντας την απορρόφηση ενέργειας. Ένα κοινό παράδειγμα είναι το ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρόλιο.

Συμπέρασμα:

Ένα πολυμερές είναι ένα γιγάντιο μόριο που περιέχει μεγάλο αριθμό επαναλαμβανόμενων μονάδων. Τα πολυμερή μπορούν να ομαδοποιηθούν σε γραμμικά πολυμερή και σε διακλαδισμένα πολυμερή ανάλογα με τη δομή τους. Η κύρια διαφορά μεταξύ διακλαδισμένου πολυμερούς και γραμμικού πολυμερούς είναι ότι τα διακλαδισμένα πολυμερή έχουν μια διακλαδισμένη δομή ενώ τα γραμμικά πολυμερή έχουν μια γραμμική δομή. Ένα γραμμικό πολυμερές είναι ένα μακρομόριο που αποτελείται από πολλές μονάδες μονομερούς διατεταγμένες σε ευθεία γραμμή. Ένα γραμμικό πολυμερές αποτελείται από μια ενιαία συνεχή αλυσίδα επαναλαμβανόμενων μονάδων.

Ένα διακλαδισμένο πολυμερές είναι ένα μακρομόριο που δημιουργείται από τον πολυμερισμό μονομερών και έχει διακλαδισμένη δομή.