Mikä on kopolymeeri: Polymeerikemian perusteiden ymmärtäminen

Kopolymeerikemian perusteiden ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää kaikille polymeeritieteestä, materiaalitekniikasta tai niihin liittyvistä aloista kiinnostuneille. Tässä artikkelissa perehdytään kopolymeerien määritelmään, luokitukseen, synteesiin, ominaisuuksiin ja sovelluksiin, ja se tarjoaa kattavan yleiskatsauksen näistä kiehtovista makromolekyyleistä, jotka ovat mullistaneet nykyaikaisen materiaalitieteen.

Mitä ovat kopolymeerit?

Kopolymeeri on a polymeerin tyyppi koostuu kahdesta tai useammasta eri tyypistä monomeerit, jotka ovat polymeerien perusrakennuspalikoita. Nämä monomeerit ovat kemiallisesti sitoutuneita muodostamaan pitkiä ketjuja prosessin aikana polymerointi.

Kopolymeerit sisältävät kahden tai useamman monomeerin yhdistelmän, jotka voidaan järjestää erilaisiin kuvioihin. Näihin malleihin kuuluvat vuorottelevat, satunnaiset, lohko- ja siirrännäiset rakenteet, joista jokainen erottuu kemialliset ominaisuudet ja materiaalin ominaisuudet.

Kuinka kopolymeerejä valmistetaan?

Kopolymeerejä syntetisoidaan polymeroimalla kaksi tai useampia eri monomeeriä yhdessä käyttämällä tekniikoita, kuten additiopolymerointi (vapaa radikaali, anioninen) tai kondensaatiopolymerointi.

Monomeerien valinta, niiden suhde, polymerointimenetelmä ja käsittely määräävät lopullisen kopolymeerin rakenteen ja ominaisuudet.

1. Lisäyspolymerointi – monomeerit, joissa on reaktiivisia ryhmiä (usein kaksoishiilisidoksia), on kytketty toisiinsa ketjuksi. Tämä sisältää vapaaradikaalin ja anionisen polymeroinnin. Initiaattoreita käytetään reaktion käynnistämiseen ja ohjaamiseen.
2. Kondensaatiopolymerointin – monomeerit, joissa on funktionaalisia ryhmiä (usein esteri- tai amidiryhmiä), reagoivat muodostaen polymeeriä, yleensä poistaen vesi- tai metanolimolekyylin. Katalyyttejä käytetään reaktion säätelyyn.

Mikä on aionipolymerointi ja radikaalipolymerointi?

• Anioninen polymerointi:

Anioninen polymerointi on ioniketjun kasvupolymerointia, jonka käynnistävät nukleofiiliset reagenssit, kuten organolitiumit, Grignard-reagenssit ja metallialkoksidit.

Se sisältää vinyylimonomeerien polymeroinnin, joissa on elektroneja vetäviä ryhmiä, kuten metyylimetakrylaattia, akrylonitriiliä, 2-vinyylipyridiiniä, sekä konjugoituja monomeerejä, kuten styreeniä ja 1,3-butadieeniä.
Polymerointi etenee niin, että kasvavassa ketjussa on negatiivinen varaus ja vastakationi.

Anioninen polymerointi voi olla "elävää", jos ei ole lopetus- tai ketjunsiirtovaiheita, mikä mahdollistaa molekyylipainon hallinnan ja mahdollistaa lohkokopolymeerisynteesin.

• Radikaalipolymerointi: 

Radikaalipolymerointi, tai tarkemmin sanottuna vapaaradikaalipolymerointi, muodostaa polymeerejä vinyylimonomeereistä radikaalireaktioiden kautta, joihin liittyy vapaiden radikaalien välituotteita.

Sen käynnistävät vapaat radikaalit, jotka syntyvät radikaali-initiaattoreista, ja se etenee etenemisvaiheiden kautta, joissa radikaalit reagoivat monomeerien kanssa kasvattaen polymeeriketjua.

Monomeereihin, jotka läpikäyvät helposti radikaalipolymeroinnin, kuuluvat styreenit, (met)akrylaatit, (met)akryyliamidit ja akryylinitriili, jotka voivat stabiloida eteneviä radikaaleja.

Perinteisellä radikaalipolymeroinnilla on vain vähän hallintaa molekyylipainoon ja dispersioon. Hallitut/elävät radikaalipolymerointimenetelmät, kuten ATRP, tarjoavat paremman hallinnan.

Mitkä ovat erityyppiset kopolymeerit

Kaksi päätyyppiä kopolymeereja ovat lineaariset kopolymeerit ja haarautuneita kopolymeerejä.

Lineaariset kopolymeerit koostuu yhdestä pääketjusta, jossa eri monomeeriyksiköt on järjestetty tätä ketjua pitkin. Ne luokitellaan edelleen:

1. Vuorottelevat kopolymeerit – vuorottelevat kopolymeerit tarkoittavat, että kaksi monomeeriyksikköä vuorottelevat säännöllisessä kuviossa, esim. (-ABAB-)n
2. Tilastolliset kopolymeerit – tilastolliset kopolymeerit (tunnetaan myös satunnaiskopolymeereinä) ovat yksi lineaaristen kopolymeerien tyyppi. Monomeeriyksiköt jakautuvat satunnaisesti pitkin ketjua tilastollisia sääntöjä noudattaen
3. Lohkopolymeerit – koostuvat kunkin monomeerityypin lohkoista, jotka on kovalenttisesti sidottu yhteen, esim. -AAABBB-
4. Gradienttikopolymeerit – koostumus muuttuu vähitellen ketjua pitkin
5. Periodiset kopolymeerit – monomeeriyksiköt on järjestetty toistuvaan järjestykseen, esimerkiksi (ABABBAAAABBB)n

Haaroittuneet kopolymeerit niissä on pääketju, johon on kiinnitetty yksi tai useampi polymeerinen sivuketju. Kaksi päätyyppiä ovat:

1. Graft-kopolymeerit – sivuketjut eroavat rakenteellisesti pääketjusta
2. Tähtimäiset kopolymeerit – useat polymeeriketjut säteilevät keskeisestä ytimestä
3. Harjakopolymeerit – joissa on suuri tiheys polymeerisiä sivuketjuja, jotka on kiinnitetty lineaariseen runkoon, mikä johtaa matomaiseen tai sylinterimäiseen harjarakenteeseen
4. Kampakopolymeerit – koostuvat lineaarisesta rungosta, jossa on pienempi tiheys polymeerisiä sivuketjuja, mikä johtaa joustavampaan kampaan

Mitkä ovat kopolymeerien edut?

Kopolymeerit tarjoavat monia etuja homopolymeereihin verrattuna, mukaan lukien säädettävät ominaisuudet, parannetut mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet, kustannustehokkuus ja parannettu yhteensopivuus.

Mitkä ovat kopolymeerien haitat?

Kopolymeereillä on myös joitain haittoja, jotka liittyvät valmistuksen monimutkaisuuteen, vähemmän ennustettaviin ominaisuuksiin, korkeampiin kustannuksiin, mahdolliseen hajoamiseen ja heikompiin mekaanisiin ominaisuuksiin.

Mitkä ovat kopolymeeriesimerkit teollisuudessa

Styreenipohjaiset kopolymeerit:

• Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS): Pääasiassa auto- ja elektroniikkateollisuudessa käytetty ABS on arvostettu sitkeydestä ja iskunkestävästä ominaisuuksistaan.
• Styreeni-isopreeni-styreeni (SIS): Tätä kopolymeeriä löytyy usein liimoista ja tiivisteaineista, ja se tarjoaa hyvän elastisuuden ja lujuuden.

Eteenipohjaiset kopolymeerit:

• Eteeni-vinyyliasetaatti (EVA): Kumimaisesta pehmeydestä ja joustavuudesta tunnettua EVA:ta käytetään laajalti elintarvikepakkauksissa ja kalvona lattioiden laminointiin.
• Polyeteeni Tetrafluorieteeni (ETFE): ETFE on valittu korkean sulamispisteen ja erinomaisten sähköisten ominaisuuksiensa vuoksi, joten se soveltuu lankojen pinnoitteille ja kevyeksi lasin korvikkeena.

Usein kysytyt kysymykset

Ovatko kopolymeerit samat kuin polymeerit?

Ei, kaikki kopolymeerit ovat polymeerejä, mutta kaikki polymeerit eivät ole kopolymeerejä. Kopolymeerit ovat polymeerien alaluokka, jolle on tunnusomaista, että niissä on kaksi tai useampia erilaista toistuvaa monomeeriyksikköä, mikä antaa niille erilaiset rakenteet ja ominaisuudet verrattuna homopolymeereihin, jotka koostuvat vain yhden tyyppisestä monomeerista. 

Mitä eroa on homopolymeerin ja kopolymeerin välillä?

Homopolymeerit sisältävät yhden tyyppisen monomeerin, joka toistuu yksinkertaisessa ketjussa, kun taas kopolymeereissä on kaksi tai useampia eri monomeeriä, jotka on järjestetty monimutkaisempiin rakenteisiin. Tämä johtaa eroihin niiden synteesissä, ominaisuuksissa ja loppukäyttösovelluksissa

Ovatko kopolymeerit turvallisia iholle?

Natriumakrylaattikopolymeeriä ja vastaavia akrylaattikopolymeerejä on tutkittu ja pidetty turvallisina kosmeettisessa käytössä "kun ne on formuloitu ärsytyksen välttämiseksi".

Akryylihappo voi olla vakavasti ärsyttävää ja syövyttävää iholle, silmille ja hengitysteille suurissa altistuksissa.

Metakryylihappoa on rajoitettu kanadalaisessa kosmetiikassa ja se luokitellaan mahdollisesti myrkylliseksi tai haitalliseksi.

Mihin sovelluksiin kopolymeerejä yleisesti käytetään?

Kopolymeerejä käytetään monenlaisissa tuotteissa, mukaan lukien autojen osissa, muovisäiliöissä ja lääketieteellisissä laitteissa niiden mukautettavien mekaanisten ja kemiallisten ominaisuuksien vuoksi.

Miten satunnaiskopolymeerit eroavat muista kopolymeerirakenteista?

Satunnaiset kopolymeerit sisältävät sekoituksen monomeeriyksiköitä, jotka on järjestetty ilman erityistä järjestystä ketjua pitkin, mikä johtaa polymeereihin, joilla on tasapainossa komponenttien monomeerien ominaisuuksia, kuten parempi iskunkestävyys tai joustavuus.

Miten kopolymeerin koostumus vaikuttaa sen ominaisuuksiin?

Monomeerien suhde ja järjestely kopolymeerissä vaikuttavat suoraan sen lämpö-, mekaanisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin, mikä tarkoittaa, että materiaali voidaan suunnitella tiettyihin toimintoihin, kuten lisääntyneeseen elastisuuteen tai liuottimien kestävyyteen.