4388728219

Budowa przestrzenna i jej wpływ na własności polimerów

Polimery są zbudowane z łańcuchów makrocząsteczek zawierających powtarzające się jednostki „mery". Przykładem polimeru jest polietylen (PE). Na rysunku 1 przedstawiono cząsteczkę (mer) etylenu C₂H₄ i makrocząsteczkę polietylenu (C₂H₄)_n.

Oprócz czystych polimerów (składających się z jednego rodzaju merów) w praktyce często stosuje się połączenia różnych łańcuchów polimerowych, podobnie jak stopy w metalach. Przykładem „stopów polimerowych" są kopolimery, np. ABS (którego łańcuchy składają się z wytrzymałych ale kruchych cząsteczek akrylonitylu A i styrenu S, z wszczepionymi odgałęzieniami elastycznego butadienu B, dzięki czemu tworzywo jest mniej kruche (rys. 2).

Rys. 2. Kopolimer styrenu i akrylonitrylu posiada wszczepione do głównego łańcucha makrocząsteczki butadienu, które tworzą domeny o dużej elastyczności, zapewniające odporność na pękanie twardemu tworzywu S-A.

a) o«7,L

b)

Rys. 1. a) cząsteczka etylenu C₂H₄,

b) makrocząsteczka polietylenu (C₂H₄)_n

Atomy i cząsteczki są w łańcuchach polimerowych połączone silnymi wiązaniami kowalencyjnymi, jednak pomiędzy łańcuchami oddziaływują słabe wiązania fizyczne van der Waalsa, umożliwiające łatwe przemieszczanie się łańcuchów względem siebie pod wpływem obciążenia - stąd dobra odkształcalność polimerów o budowie liniowej. Łańcuchy mogą być też powiązane ze sobą silnymi, kowalencyjnymi wiązaniami poprzecznymi (sieciującymi), które usztywniają strukturę polimeru znacząco redukując jego zdolność do odkształceń.

Specyfika sil międzyatomowych i międzycząsteczkowych występujących w polimerach powoduje, że niezwykle ważny jest wpływ budowy przestrzennej na własności polimeru. Na rys. 3 przedstawiono schematycznie typy budowy przestrzennej polimerów: ► liniową częściowo uporządkowaną (semi-krystaliczną) (rys. 3a) oraz całkowicie chaotyczną (amorficzną), ► rozgałęzioną (rys. 3b) lub ► usieciowaną słabo (rys. 3c) lub silnie (rys. 3d). Częściowe uporządkowanie łańcuchów (krystaliczność), występujące jedynie w polimerach liniowych bez rozgałęzień, np. polietylen (PE), polipropylen (PP), poliamidy (PA), (patrz tab. 1), ma korzystny wpływ na wytrzymałość polimeru, gdyż umożliwia lepsze upakowanie łańcuchów w przestrzeni i silne zbliżenie makrocząsteczek, co wywołuje powstanie silniejszych wiązań pomiędzy łańcuchami. Skutkiem jest lepsza wytrzymałość, sztywność i wyższa temperatura mięknięcia (odporność cieplna).

Stosuje się zatem celowo operacje technologiczne zwiększające stopień krystalizacji polimeru. Dla przykładu proces otrzymywania polietylenu można tak zmodyfikować, że uzyskuje się nawet rzędu 90% obszarów krystalicznych (co daje dużą gęstość). Taki polimer nosi nazwę polietylenu o dużej gęstości (HDPE - high density polyethylene), w odróżnieniu od mniej wytrzymałego i sztywnego polietylenu o małej gęstości (LDPE - Iow density polyethylene). Na rysunku 3e przedstawiono budowę przestrzenną łańcuchów polietylenu z obszarami ułożenia chaotycznego (amorficznymi) i uporządkowanego (krystalicznymi), a na rysunku 3f - rozłożenie atomów węgla i wodoru w obszarze uporządkowanym.

Rys. 3 Schematyczne przedstawienie rodzajów struktury polimeru: a) liniowa, częściowo krystaliczna, b) rozgałęziona, c) z wiązaniami poprzecznymi (nieznacznie usieciowana), d) silnie usieciowana. (e ifj- budowa przestrzenna łańcuchów polietylenu z obszarami ułożenia chaotycznego (amorficznymi) i uporządkowanego (krystalicznymi) (e), rozłożenie atomów węgla i wodoru w obszarze uporządkowanym (krystalicznym) łańcucha polietylenu (f).