Что такое сополимер: понимание основ химии полимеров

Понимание основ химии сополимеров имеет решающее значение для всех, кто интересуется наукой о полимерах, материаловедением или смежными областями. В этой статье мы углубимся в определение, классификацию, синтез, свойства и применение сополимеров, предоставив всесторонний обзор этих удивительных макромолекул, которые произвели революцию в современной науке о материалах.

Что такое сополимеры?

Сополимер – это тип полимера состоящие из двух или более различных типов мономеры, которые являются основными строительными блоками полимеров. Эти мономеры химически связаны с образованием длинных цепей в процессе полимеризация.

Сополимеры представляют собой комбинацию двух или более мономеров, которые могут располагаться по-разному. Эти паттерны включают чередующиеся, случайные, блочные и привитые структуры, каждая из которых придает различные химические свойства и характеристики материала.

Как производятся сополимеры?

Сополимеры синтезируются путем полимеризации двух или более различных мономеров вместе с использованием таких методов, как аддитивная полимеризация (свободнорадикальная, анионная) или конденсационная полимеризация.

Выбор мономеров, их соотношение, метод полимеризации и обработка определяют конечную структуру и свойства сополимера.

1. Дополнительная полимеризация – мономеры с реакционноспособными группами (часто двойными углеродными связями) соединены между собой в цепь. Сюда входит свободнорадикальная и анионная полимеризация. Инициаторы используются для запуска и контроля реакции.
2. Конденсационная полимеризацияn – мономеры с функциональными группами (часто сложноэфирными или амидными группами) реагируют с образованием полимера, обычно с удалением молекулы воды или метанола. Катализаторы используются для контроля реакции.

Что такоенионная полимеризация и радикальная полимеризация?

• Анионная полимеризация:

Анионная полимеризация — это ионная полимеризация с ростом цепи, инициируемая нуклеофильными реагентами, такими как литийорганические соединения, реактивы Гриньяра и алкоксиды металлов.

Он включает полимеризацию виниловых мономеров, обладающих электроноакцепторными группами, таких как метилметакрилат, акрилонитрил, 2-винилпиридин, а также сопряженных мономеров, таких как стирол и 1,3-бутадиен.
Полимеризация протекает, когда растущий конец цепи несет отрицательный заряд и противокатион.

Анионная полимеризация может быть «живой», если нет стадий обрыва или передачи цепи, что позволяет контролировать молекулярную массу и обеспечивает синтез блок-сополимера.

• Радикальная полимеризация: 

Радикальная полимеризация, или, точнее, свободнорадикальная полимеризация, образует полимеры из виниловых мономеров посредством радикальных реакций с участием свободнорадикальных промежуточных продуктов.

Он инициируется свободными радикалами, генерируемыми радикальными инициаторами, и протекает через стадии распространения, когда радикалы реагируют с мономерами, вызывая рост полимерной цепи.

Мономеры, которые легко подвергаются радикальной полимеризации, включают стиролы, (мет)акрилаты, (мет)акриламиды и акрилонитрил, которые могут стабилизировать растущие радикалы.

Обычная радикальная полимеризация практически не контролирует молекулярную массу и дисперсность. Методы контролируемой/живой радикальной полимеризации, такие как ATRP, обеспечивают лучший контроль.

Каковы различные типы сополимера

Два основных типа сополимеров: линейные сополимеры и разветвленные сополимеры.

Линейные сополимеры состоят из одной основной цепи с различными мономерными звеньями, расположенными вдоль этой цепи. Далее они классифицируются на:

1. Чередующиеся сополимеры. Чередующиеся сополимеры означают, что два мономерных звена чередуются по регулярному шаблону, например (-ABAB-)n.
2. Статистические сополимеры – статистические сополимеры (также известные как статистические сополимеры) представляют собой один тип линейного сополимера. Мономерные звенья распределяются по цепи случайным образом по статистическим правилам.
3. Блок-сополимеры – состоят из блоков каждого типа мономеров, ковалентно связанных друг с другом, например -AAABBB-.
4. Градиентные сополимеры – состав постепенно меняется по цепочке.
5. Периодические сополимеры – мономерные звенья расположены в повторяющейся последовательности, например (ABABBAAAABBB)n

Разветвленные сополимеры иметь основную цепь с прикрепленными к ней одной или несколькими полимерными боковыми цепями. Двумя основными типами являются:

1. Привитые сополимеры – боковые цепи структурно отличаются от основной цепи.
2. Звездообразные сополимеры – несколько полимерных цепей отходят от центрального ядра.
3. Щеточные сополимеры - с высокой плотностью полимерных боковых цепей, прикрепленных к линейной основной цепи, что приводит к червеобразной или цилиндрической щеточной структуре.
4. Гребенчатые сополимеры – состоят из линейной основной цепи с меньшей плотностью полимерных боковых цепей, что приводит к более гибкой гребенчатой структуре.

Каковы преимущества сополимеров?

Сополимеры предлагают широкий спектр преимуществ перед гомополимерами, включая настраиваемые свойства, улучшенные механические и химические свойства, экономическую эффективность и улучшенную совместимость.

Преимущество	Описание
Настраиваемые свойства	Свойства можно настроить, регулируя пропорции и расположение мономеров.
Повышенная механическая прочность и химическая стойкость.	Проявляет свойства, недостижимые с помощью гомополимеров.
Экономическая эффективность	Может заменить металлы или более сложные материалы.
Расширенная совместимость	Улучшение совместимости между несовместимыми в противном случае материалами.
Новые материалы	Сополимеризация может привести к созданию уникальных материалов
Хорошие физические свойства	Гибкость, эластичность и жесткость можно настроить.
Более простая обработка	Более низкая температура обработки и более широкое окно обработки
Лучшая долгосрочная производительность	Превосходная термическая стабильность, стойкость к окислению и сопротивление ползучести.

Каковы недостатки сополимеров?

Сополимеры также имеют некоторые недостатки, связанные со сложностью производства, менее предсказуемыми свойствами, более высокими затратами, потенциальной деградацией и более слабыми механическими свойствами.

Недостаток	Описание
Комплексное производство	Сополимеризация более сложна из-за управления несколькими материалами с разной степенью реакционной способности.
Менее предсказуемые свойства	Достижение определенных свойств сополимеров может оказаться менее предсказуемым.
Более высокие затраты	Использование нескольких мономеров и дополнительная сложность процесса увеличивают производственные затраты.
Проблемы совместимости	Некоторые мономеры несовместимы, что препятствует или усложняет образование определенных сополимеров.
Более слабые механические свойства	–
Более низкая термостойкость	–

Каковы примеры сополимеров в промышленности

Сополимеры на основе стирола:

• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС): ABS, используемый в основном в автомобильной и электронной промышленности, ценится за свою прочность и ударопрочность.
• Стирол-изопрен-стирол (СИС): Этот сополимер часто встречается в клеях и герметиках, обеспечивая хорошую эластичность и прочность.

Сополимеры на основе этилена:

• Этиленвинилацетат (ЭВА): ЭВА, известный своей мягкостью и гибкостью, напоминающей резину, широко используется в упаковке пищевых продуктов и в качестве пленки для ламинирования полов.
• Полиэтилен Тетрафторэтилен (ETFE): ЭТФЭ выбран из-за его высокой температуры плавления и превосходных электрических свойств, что делает его подходящим для покрытия проводов и в качестве легкого заменителя стекла.

Часто задаваемые вопросы

Сополимеры — это то же самое, что полимеры?

Нет, все сополимеры являются полимерами, но не все полимеры являются сополимерами. Сополимеры представляют собой подкласс полимеров, характеризующихся наличием двух или более различных повторяющихся мономерных звеньев, что придает им различные структуры и свойства по сравнению с гомополимерами, состоящими только из одного типа мономера. 

В чем разница между гомополимером и сополимером?

Гомополимеры содержат мономеры одного типа, повторяющиеся в простой цепи, тогда как сополимеры содержат два или более разных мономеров, образующих более сложную структуру. Это приводит к различиям в их синтезе, свойствах и конечном применении.

Безопасны ли сополимеры для кожи?

Сополимер акрилата натрия и родственные сополимеры акрилата были изучены и признаны безопасными для косметического использования, «когда их состав предотвращает раздражение».

Акриловая кислота может вызывать сильное раздражение и разъедание кожи, глаз и дыхательных путей при высоких дозах воздействия.

Использование метакриловой кислоты в канадской косметике ограничено и классифицируется как потенциально токсичная или вредная.

Для каких целей обычно используются сополимеры?

Сополимеры используются в широком спектре продуктов, включая автомобильные детали, пластиковые контейнеры и медицинские устройства, благодаря их настраиваемым механическим и химическим свойствам.

Чем статистические сополимеры отличаются от других сополимерных структур?

Статистические сополимеры содержат смесь мономерных звеньев, расположенных в произвольном порядке вдоль цепи, в результате чего получаются полимеры с балансом свойств составляющих мономеров, таких как улучшенная ударопрочность или гибкость.

Как состав сополимера влияет на его свойства?

Соотношение и расположение мономеров внутри сополимера напрямую влияют на его термические, механические и химические свойства, а это означает, что материал может быть спроектирован для выполнения определенных функций, таких как повышенная эластичность или устойчивость к растворителям.