Luku 14: Polymeerien rakenteet Käsiteltäviä aiheita... Millainen on polymeerien mikrorakenne? Miten molekyylipaino vaikuttaa polymeerien ominaisuuksiin? Miten polymeeriketjut sijoittuvat polymeerien rakenteeseen?

Polymeerit Mikä on polymeeri? poly meeri usea toistuva yksikkö C H Cl polyeteeni (PE) Cl C H polyvinyylikloridi(PVC) H polypropeeni (PP) C CH3 Fig. 14.2, Callister 7e.

Polymeerien historiaa Alunperin käytettiin luonnon polymeereja puu – kumi puuvilla – villa nahka – silkki Vanhimmat tunnetut käyttökohteet inkojen käyttämät kumipallot pihkan käyttö tiivisteenä puurakenteissa (laivat)

Polymeerien koostumus Suurin osa polymeereistä on hiilivetyjä eli ne koostuvat H ja C –atomeista Tyydyttyneet hiilivedyt kukin hiiliatomi muodostaa sidoksen neljän muun atomin kanssa CnH2n+2

Tyydyttymättömät hiilivedyt Kaksois- ja kolmoissidokset ovat verrattaen reaktiivisia – voivat muodostaa uusia sidoksia kaksoissidos – eteeni - CnH2n 4 sidosta, mutta vain kolme atomia ympäröi hiiltä kolmoissidos – etyyni (asetyleeni) - CnH2n-2

Isomeria Isomeria kaksi yhdistettä joilla on sama kemiallinen kaava, voivat olla rakenteeltaan hyvinkin erilaisia, esim. C8H18 oktaani 2,2,4-trimetyylipentaani (iso-oktaani) 

Polymeerien kemia Vapaan radikaalin polymerisaatio Ketjun aloittaja: esim. bentsoyyliperoksidi C H monomeeri (etyleeni) R + vapaa radikaali alku eteneminen dimer

Polymeerien kemia Huom. polyeteeni on vain pitkä hiilivety Fig. 14.1, Callister 7e. Polymer- can have various lengths depending on number of repeat units Huom. polyeteeni on vain pitkä hiilivety Parafiini on lyhyt polyeteeni

Yleisiä polymeereja Relatively few polymers responsible for virtually all polymers sold – these are the bulk or commodity polymers

Molekyylipaino Molekyylipaino, Mi polymeeriketjujen moolimassa pienempi M suurempi M Simple for small molecules All the same size Number of grams/mole Polymers – distribution of chain sizes Mw on herkempi suurille molekyylimassoille Fig. 14.4, Callister 7e.

Molekyylimassan laskeminen Esimerkki: oppilaiden massan keskiarvo

toistoyksikön molekyylimassa Polymerisaatioaste, n n = toistoyksikköjen lukumäärä polymeeriketjussa ni = 6 toistoyksikön molekyylimassa ketjun osuus

Ketjun pituus, r Fig. 14.6, Callister 7e.

Molekyylirakenteita • Ketjujen kovalenttiset sidokset ja lujuus haaroittunut silloittunut verkottunut lineaarinen sekundäärisiä sidoksia kasvava lujuus Fig. 14.7, Callister 7e.

Polymeerit – rakenteen muoto Konformaatio – molekyylien orientaatiota voidaan muuttaa kiertämällä rakennetta sidosten ympäri huom. sidoksia ei tarvitse rikkoa Fig. 14.5, Callister 7e.

Polymeerit – rakenteen muoto Konfiguraatio – muuttuakseen sidosten on hajottava Stereoisomeria tai peilitaso

Taktisuus Taktisuus – ketjun symmetrisyys isotaktinen – R ryhmät samalla puolella ketjua syndiotaktinen – R ryhmät vuorotellen eri puolella ketjua ataktinen – R ryhmät sattumanvaraisissa paikoissa

Cis/trans isomeria Cis Trans cis-isopreeni (luonnon kumi) perusryhmät samalla puolella ketjua Trans trans-isopreeni (guttaperkka) perusryhmät eri puolilla ketjua

Kopolymeerit Kahden tai useamman monomeerin muodostama polymeeri Fig. 14.9, Callister 7e. Kahden tai useamman monomeerin muodostama polymeeri satunnainen – A ja B vaihtelevat satunnaisesti vuorotteleva – A ja B vuorottelevat ketjussa lohko – suuret A-lohkot vuorottelevat B-lohkojen kanssa oksastuskopolymeeri – haarat ja päärunko eri monomeeria A – B – satunnainen vuorotteleva lohko oksastuskopolymeeri

Polymeerien kiteisyys Fig. 14.10, Callister 7e. Esim. polyeteenin yksikkökoppi Polymeeriketjujen täytyy sijoittua kiderakenteeseen jollakin tavalla laskostunut rakenne 10 nm Fig. 14.12, Callister 7e.

Polymeerien kiteisyys Polymeerit ovat harvoin 100% kiteisiä kaikkien ketjujen saaminen linjaan on hyvin vaikeaa kiteinen alue Kiteisyysaste: kiteisten alueiden osuus (%) rakenteesta lujuus ja kimmokerroin yleensä kasvavat kiteisyysasteen kasvaessa lämpökäsittely usein kasvattaa kiteisiä alueita, jolloin myös kiteisyysaste kasvaa amorfinen alue Fig. 14.11, Callister 6e.(Fig. 14.11 H.W. Hayden, W.G. Moffatt, J. Wulff, The Structure and Properties of Materials, Vol. III, Mechanical Behavior, John Wiley and Sons, Inc., 1965.)

Polymeerien kidetyyppejä Erilliskide – kide kasvatetaan hitaasti ja varovaisesti Fig. 14.11, Callister 7e.

Polymeerien kidetyyppejä sferuliitin kasvusuunta lamellimainen kristalliitti Sferuliitit nopea kasvu muodostaa lamellirakenteita amorfinen alue kidehaaroja sitova molekyyli ydintymiskohta sferuliittien välinen raja Fig. 14.13, Callister 7e.

Sferuliitit - mikroskooppikuva Maltan risti -kuvio Fig. 14.14, Callister 7e.

Tiedotettavaa Luettavaa: Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa: