Какво е съполимер: разбиране на основите на полимерната химия

Разбирането на основите на химията на съполимерите е от решаващо значение за всеки, който се интересува от полимерна наука, инженерство на материали или свързани области. Тази статия ще се задълбочи в дефиницията, класификацията, синтеза, свойствата и приложенията на съполимерите, предоставяйки цялостен преглед на тези очарователни макромолекули, които революционизираха съвременната наука за материалите.

Какво представляват кополимерите?

Съполимерът е a тип полимер съставен от два или повече различни вида мономери, които са основните градивни елементи на полимерите. Тези мономери са химически свързани, за да образуват дълги вериги по време на процеса на полимеризация.

Съполимерите се отличават с комбинация от два или повече мономера, които могат да бъдат подредени в различни модели. Тези модели включват редуващи се, произволни, блокови и присадени структури, всяка от които придава различни химични свойства и характеристики на материала.

Как се правят съполимерите?

Съполимерите се синтезират чрез полимеризиране на два или повече различни мономера заедно, като се използват техники като добавъчна полимеризация (свободнорадикална, анионна) или кондензационна полимеризация.

Изборът на мономери, тяхното съотношение, метод на полимеризация и обработка определя крайната структура и свойства на кополимера.

1. Адитивна полимеризация – мономерите с реактивни групи (често двойни въглеродни връзки) са свързани заедно във верига. Това включва свободна радикална и анионна полимеризация. Инициаторите се използват за стартиране и контрол на реакцията.
2. Кондензационна полимеризацияn – мономери с функционални групи (често естерни или амидни групи) реагират, за да образуват полимер, обикновено с елиминиране на молекула вода или метанол. За контролиране на реакцията се използват катализатори.

Какво е айонна полимеризация и радикална полимеризация?

• Анионна полимеризация:

Анионната полимеризация е йонна полимеризация на растеж на веригата, инициирана от нуклеофилни реагенти като органолитии, реактиви на Гринярд и метални алкоксиди.

Това включва полимеризация на винилови мономери, притежаващи електрон-оттеглящи групи като метилметакрилат, акрилонитрил, 2-винилпиридин, както и конюгирани мономери като стирен и 1,3-бутадиен.
Полимеризацията протича с нарастващия край на веригата, носещ отрицателен заряд и противодействие.

Анионната полимеризация може да бъде „жива“, ако няма етапи на прекратяване или прехвърляне на веригата, което позволява контрол върху молекулното тегло и позволява синтез на блок съполимер.

• Радикална полимеризация: 

Радикална полимеризация, или по-специално свободна радикална полимеризация, образува полимери от винилови мономери чрез радикални реакции, включващи междинни съединения на свободните радикали.

Инициира се от свободни радикали, генерирани от радикални инициатори, и преминава през етапи на размножаване, при които радикалите реагират с мономери, за да растат полимерната верига.

Мономерите, които лесно се подлагат на радикална полимеризация, включват стирени, (мет)акрилати, (мет)акриламиди и акрилонитрил, които могат да стабилизират разпространяващите се радикали.

Конвенционалната радикалова полимеризация има малък контрол върху молекулното тегло и дисперсността. Методите за контролирана/жива радикална полимеризация като ATRP осигуряват по-добър контрол.

Какви са различните видове съполимери

Има два основни вида съполимери линейни съполимери и разклонени съполимери.

Линейни съполимери се състоят от една основна верига с различни мономерни единици, подредени по протежение на тази верига. Те се класифицират допълнително в:

1. Редуващи се съполимери – редуващите се съполимери означават, че двете мономерни единици се редуват по правилен начин, напр. (-ABAB-)n
2. Статистически съполимери – статистическите съполимери (известни също като произволни съполимери) са един вид линеен съполимер. Мономерните единици се разпределят на случаен принцип по веригата, следвайки статистически правила
3. Блок кополимери – съставени от блокове от всеки тип мономер, ковалентно свързани заедно, напр. -AAABBB-
4. Градиентни съполимери – съставът постепенно се променя по веригата
5. Периодични съполимери – мономерните единици са подредени в повтаряща се последователност, например (ABABBAAAABBB)n

Разклонени съполимери имат главна верига с една или повече полимерни странични вериги, прикрепени към нея. Двата основни типа са:

1. Присадени съполимери – страничните вериги са структурно различни от основната верига
2. Съполимери във формата на звезда – множество полимерни вериги се излъчват от централно ядро
3. Съполимери с четки – с висока плътност на полимерни странични вериги, прикрепени към линеен гръбнак, което води до подобна на червей или цилиндрична четка структура
4. Гребенови съполимери – състоящи се от линеен скелет с по-ниска плътност на полимерни странични вериги, което води до по-гъвкав гребен

Какви са предимствата на съполимерите?

Съполимерите предлагат широка гама от предимства пред хомополимерите, включително регулируеми свойства, подобрени механични и химични свойства, рентабилност и подобрена съвместимост.

Какви са недостатъците на съполимерите?

Съполимерите също имат някои недостатъци, свързани със сложността на производството, по-малко предвидими свойства, по-високи разходи, потенциално разграждане и по-слаби механични свойства.

Какви са примерите за кополимери в промишлеността

Съполимери на основата на стирен:

• Акрилонитрил бутадиен стирен (ABS): Използван предимно в автомобилната и електронната промишленост, ABS се цени заради своята здравина и устойчивост на удар.
• Стирен-изопрен-стирен (SIS): Този съполимер често се среща в лепила и уплътнители, като предлага добра еластичност и здравина.

Съполимери на основата на етилен:

• Етилен-винил ацетат (EVA): Известен със своята подобна на гума мекота и гъвкавост, EVA се използва широко в опаковките на храни и като фолио за ламиниране на подове.
• Полиетилен Тетрафлуоретилен (ETFE): ETFE е избран заради високата си точка на топене и отлични електрически свойства, което го прави подходящ за покрития на проводници и като лек заместител на стъклото.

Често задавани въпроси

Съполимерите същите ли са като полимерите?

Не, всички съполимери са полимери, но не всички полимери са съполимери. Съполимерите са подклас полимери, характеризиращи се с две или повече различни повтарящи се мономерни единици, което им осигурява различни структури и свойства в сравнение с хомополимерите, състоящи се само от един тип мономер. 

Каква е разликата между хомополимер и съполимер?

Хомополимерите съдържат един тип мономер, повтарящ се в проста верига, докато съполимерите имат два или повече различни мономера, подредени в по-сложна структура. Това води до разлики в техния синтез, свойства и крайни приложения

Съполимерите безопасни ли са за кожата?

Съполимерът на натриевите акрилати и свързаните с него съполимери на акрилати са изследвани и се считат за безопасни за козметична употреба, „когато са формулирани така, че да избягват дразнене“.

Акриловата киселина може да бъде силно дразнеща и корозивна за кожата, очите и дихателните пътища при високи експозиции.

Метакриловата киселина е ограничена в канадската козметика и е класифицирана като потенциално токсична или вредна.

За какви приложения обикновено се използват кополимери?

Съполимерите се използват в широк спектър от продукти, включително автомобилни части, пластмасови контейнери и медицински устройства, поради техните персонализирани механични и химични свойства.

По какъв начин произволните съполимери се различават от другите съполимерни структури?

Случайните съполимери съдържат смес от мономерни единици, подредени в неопределен ред по веригата, което води до полимери с баланс на свойствата на съставните мономери, като например подобрена устойчивост на удар или гъвкавост.

Как съставът на кополимера влияе върху неговите свойства?

Съотношението и подредбата на мономерите в съполимер пряко влияят върху неговите термични, механични и химични свойства, което означава, че материалът може да бъде конструиран за специфични функции, като повишена еластичност или устойчивост на разтворители.