Technische Polymere umfassen natürliche Materialien wie Gummi und synthetische Materialien wie Kunststoffe und Elastomere. Polymere sind sehr nützliche Materialien, da ihre Strukturen verändert und zugeschnitten werden können, um Materialien herzustellen 1) mit einer Reihe von mechanischen Eigenschaften 2) in einem breiten Spektrum von Farben und 3) mit unterschiedlichen transparenten Eigenschaften.

Mers

Ein Polymer besteht aus vielen einfachen Molekülen, die sich wiederholende Struktureinheiten sind, die Monomere genannt werden. Ein einzelnes Polymermolekül kann aus Hunderten bis einer Million Monomeren bestehen und eine lineare, verzweigte oder Netzwerkstruktur aufweisen. Kovalente Bindungen halten die Atome in den Polymermolekülen zusammen und sekundäre Bindungen halten dann Gruppen von Polymerketten zusammen, um das Polymermaterial zu bilden. Copolymere sind Polymere, die aus zwei oder mehr verschiedenen Arten von Monomeren bestehen.

Polymerketten (Thermoplaste und Duroplaste)

Ein Polymer ist ein organisches Material und das Rückgrat jedes organischen Materials ist eine Kette von Kohlenstoffatomen. Das Kohlenstoffatom hat vier Elektronen in der äußeren Hülle. Jedes dieser Valenzelektronen kann eine kovalente Bindung zu einem anderen Kohlenstoffatom oder zu einem Fremdatom eingehen. Der Schlüssel zur Polymerstruktur besteht darin, dass zwei Kohlenstoffatome bis zu drei gemeinsame Bindungen haben und sich dennoch mit anderen Atomen verbinden können. Die am häufigsten in Polymeren vorkommenden Elemente und ihre Valenzzahlen sind: H, F, Cl, Bf und I mit 1 Valenzelektron; O und S mit 2 Valenzelektronen; n mit 3 Valenzelektronen und C und Si mit 4 Valenzelektronen.

Die Fähigkeit von Molekülen, lange Ketten zu bilden, ist für die Herstellung von Polymeren von entscheidender Bedeutung. Betrachten Sie das Material Polyethylen, das aus Ethangas, C2H6, hergestellt wird. Ethangas hat zwei Kohlenstoffatome in der Kette und jedes der beiden Kohlenstoffatome teilt zwei Valenzelektronen mit dem anderen. Wenn zwei Moleküle Ethan zusammengebracht werden, kann eine der Kohlenstoffbindungen in jedem Molekül gebrochen werden und die beiden Moleküle können mit einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung verbunden werden. Nach dem Verbinden der beiden Mers befinden sich an jedem Ende der Kette noch zwei freie Valenzelektronen zum Verbinden anderer Mers oder Polymerketten. Der Prozess kann fortgesetzt werden, indem mehr Mers und Polymere zusammengefügt werden, bis er durch Zugabe einer anderen Chemikalie (eines Terminators) gestoppt wird, die die verfügbare Bindung an jedem Ende des Moleküls ausfüllt. Dies wird als lineares Polymer bezeichnet und ist ein Baustein für thermoplastische Polymere.

Die Polymerkette wird oft in zwei Dimensionen dargestellt, aber es sollte beachtet werden, dass sie eine dreidimensionale Struktur haben. Jede Bindung befindet sich bei 109Â ° zur nächsten und daher erstreckt sich das Kohlenstoffgerüst wie eine verdrehte Kette von TinkerToys durch den Raum. Wenn Spannung angewendet wird, dehnen sich diese Ketten und die Dehnung von Polymeren kann tausendmal größer sein als in kristallinen Strukturen.

Die Länge der Polymerkette ist sehr wichtig. Wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kette auf mehrere hundert erhöht wird, durchläuft das Material den flüssigen Zustand und wird zu einem wachsartigen Feststoff. Wenn die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kette über 1.000 beträgt, wird das feste Material Polyethylen mit seinen Eigenschaften Festigkeit, Flexibilität und Zähigkeit erhalten. Die Zustandsänderung tritt auf, weil mit zunehmender Länge der Moleküle auch die Gesamtbindungskräfte zwischen Molekülen zunehmen.

Es sollte auch beachtet werden, dass die Moleküle im Allgemeinen nicht gerade sind, sondern eine verschlungene Masse. Thermoplastische Materialien wie Polyethylen können als eine Masse ineinander verschlungener Würmer dargestellt werden, die zufällig in einen Eimer geworfen werden. Die Bindungskräfte sind das Ergebnis von Van-der-Waals-Kräften zwischen Molekülen und mechanischer Verschränkung zwischen den Ketten. Wenn Thermoplaste erhitzt werden, gibt es mehr molekulare Bewegung und die Bindungen zwischen Molekülen können leicht gebrochen werden. Deshalb können thermoplastische Materialien umgeschmolzen werden.

Es gibt eine andere Gruppe von Polymeren, in denen während der Polymerisation ein einziges großes Netzwerk anstelle vieler Moleküle gebildet wird. Da die Polymerisation zunächst durch Erhitzen der Rohstoffe und gemeinsames Salzen erfolgt, wird diese Gruppe als duroplastische Polymere oder Kunststoffe bezeichnet. Damit sich diese Art von Netzwerkstruktur bilden kann, müssen die mers mehr als zwei Stellen haben, an denen das Entbeinen stattfinden kann. Diese Ketten bilden Gelenkstrukturen und Ringe und können sich hin und her falten, um eine teilweise kristalline Struktur anzunehmen.

Da diese Materialien im Wesentlichen aus einem riesigen Molekül bestehen, gibt es keine Bewegung zwischen Molekülen, sobald die Masse eingestellt ist. Duroplastische Polymere sind steifer und haben im Allgemeinen eine höhere Festigkeit als thermoplastische Polymere. Da in einem duroplastischen Polymer keine Möglichkeit zur Bewegung zwischen Molekülen besteht, werden sie beim Erhitzen nicht plastisch.