Čo je to kopolymér: Pochopenie základov chémie polymérov

Pochopenie základov chémie kopolymérov je kľúčové pre každého, kto sa zaujíma o vedu o polyméroch, materiálové inžinierstvo alebo súvisiace oblasti. Tento článok sa ponorí do definície, klasifikácie, syntézy, vlastností a aplikácií kopolymérov a poskytne komplexný prehľad týchto fascinujúcich makromolekúl, ktoré spôsobili revolúciu v modernej vede o materiáloch.

Čo sú to kopolyméry?

Kopolymér je a typ polyméru pozostáva z dvoch alebo viacerých rôznych typov monoméry, ktoré sú základné stavebné kamene polymérov. Tieto monoméry sú chemicky viazané za vzniku dlhých reťazcov počas procesu polymerizácia.

Kopolyméry sa vyznačujú kombináciou dvoch alebo viacerých monomérov, ktoré môžu byť usporiadané do rôznych vzorov. Tieto vzory zahŕňajú striedavé, náhodné, blokové a štepové štruktúry, z ktorých každá dodáva odlišné chemické vlastnosti a vlastnosti materiálu.

Ako sa vyrábajú kopolyméry?

Kopolyméry sa syntetizujú polymerizáciou dvoch alebo viacerých rôznych monomérov spolu s použitím techník, ako je napr adičná polymerizácia (voľná radikálová, aniónová) alebo kondenzačná polymerizácia.

Voľba monomérov, ich pomer, spôsob polymerizácie a spracovanie určuje konečnú štruktúru a vlastnosti kopolyméru.

1. Adičná polymerizácia – monoméry s reaktívnymi skupinami (často dvojitými uhlíkovými väzbami) sú spojené do reťazca. To zahŕňa voľné radikály a aniónovú polymerizáciu. Iniciátory sa používajú na spustenie a riadenie reakcie.
2. Kondenzačná polymerizácian – monoméry s funkčnými skupinami (často esterovými alebo amidovými) reagujú za vzniku polyméru, spravidla za eliminácie molekuly vody alebo metanolu. Na riadenie reakcie sa používajú katalyzátory.

Čo je aiónová polymerizácia a radikálová polymerizácia?

• Aniónová polymerizácia:

Aniónová polymerizácia je iónová polymerizácia s rastom reťazca iniciovaná nukleofilnými činidlami, ako sú organolítne činidlá, Grignardove činidlá a alkoxidy kovov.

Zahŕňa polymerizáciu vinylových monomérov, ktoré majú skupiny priťahujúce elektróny, ako je metylmetakrylát, akrylonitril, 2-vinylpyridín, ako aj konjugované monoméry, ako je styrén a 1,3-butadién.
Polymerizácia pokračuje s rastúcim koncom reťazca nesúcim záporný náboj a protikatión.

Aniónová polymerizácia môže byť „živá“, ak neexistujú žiadne kroky ukončenia alebo prenosu reťazca, čo umožňuje kontrolu nad molekulovou hmotnosťou a umožňuje syntézu blokových kopolymérov.

• Radikálová polymerizácia: 

Radikálová polymerizácia alebo konkrétnejšie radikálová polymerizácia vytvára polyméry z vinylových monomérov prostredníctvom radikálových reakcií zahŕňajúcich medziprodukty s voľnými radikálmi.

Je iniciovaný voľnými radikálmi generovanými z radikálových iniciátorov a pokračuje cez kroky šírenia, kde radikály reagujú s monomérmi, aby sa zväčšil polymérny reťazec.

Monoméry, ktoré ľahko podliehajú radikálovej polymerizácii, zahŕňajú styrény, (met)akryláty, (met)akrylamidy a akrylonitril, ktoré môžu stabilizovať šíriace sa radikály.

Konvenčná radikálová polymerizácia má malú kontrolu nad molekulovou hmotnosťou a disperziou. Metódy riadenej/živej radikálovej polymerizácie, ako je ATRP, poskytujú lepšiu kontrolu.

Aké sú rôzne typy kopolymérov

Existujú dva hlavné typy kopolymérov lineárne kopolyméry a rozvetvené kopolyméry.

Lineárne kopolyméry pozostávajú z jedného hlavného reťazca s rôznymi monomérnymi jednotkami usporiadanými pozdĺž tohto reťazca. Ďalej sa delia na:

1. Striedavé kopolyméry – striedavé kopolyméry znamenajú, že sa dve monomérne jednotky striedajú v pravidelnom vzore, napr. (-ABAB-)n
2. Štatistické kopolyméry – štatistické kopolyméry (známe aj ako náhodné kopolyméry) sú jedným typom lineárnych kopolymérov. Monomérne jednotky sú rozdelené náhodne pozdĺž reťazca podľa štatistických pravidiel
3. Blokové kopolyméry – zložené z blokov každého typu monomérov navzájom kovalentne viazaných, napr. -AAABBB-
4. Gradientové kopolyméry – zloženie sa postupne mení pozdĺž reťazca
5. Periodické kopolyméry – monomérne jednotky sú usporiadané v opakujúcej sa sekvencii, napríklad (ABABBAAAABBB)n

Rozvetvené kopolyméry majú hlavný reťazec s jedným alebo viacerými polymérnymi bočnými reťazcami, ktoré sú k nemu pripojené. Dva hlavné typy sú:

1. Vrúbľované kopolyméry – vedľajšie reťazce sú štrukturálne odlišné od hlavného reťazca
2. Kopolyméry v tvare hviezdy – z centrálneho jadra vyžarujú viaceré polymérne reťazce
3. Kefové kopolyméry – s vysokou hustotou polymérnych bočných reťazcov pripojených k lineárnemu hlavnému reťazcu, čo vedie k červovitej alebo valcovej štruktúre kefy
4. Hrebeňové kopolyméry – pozostávajúce z lineárneho hlavného reťazca s nižšou hustotou polymérnych bočných reťazcov, výsledkom čoho je pružnejší hrebeň

Aké sú výhody kopolymérov?

Kopolyméry ponúkajú širokú škálu výhod oproti homopolymérom, vrátane laditeľných vlastností, zlepšených mechanických a chemických vlastností, nákladovej efektívnosti a zvýšenej kompatibility.

Aké sú nevýhody kopolymérov?

Kopolyméry majú tiež určité nevýhody týkajúce sa zložitosti výroby, menej predvídateľných vlastností, vyšších nákladov, potenciálnej degradácie a slabších mechanických vlastností.

Aké sú príklady kopolymérov v priemysle

Kopolyméry na báze styrénu:

• Akrylonitrilbutadiénstyrén (ABS): ABS sa používa predovšetkým v automobilovom a elektronickom priemysle a je cenené pre svoju húževnatosť a odolnosť voči nárazom.
• Styrén-izoprén-styrén (SIS): Tento kopolymér sa často nachádza v lepidlách a tmeloch, ponúka dobrú elasticitu a pevnosť.

Kopolyméry na báze etylénu:

• Etylén-vinylacetát (EVA): EVA, ktorá je známa svojou mäkkosťou a flexibilitou podobnou gume, sa široko používa na balenie potravín a ako fólia na laminovanie podláh.
• Polyetylén Tetrafluóretylén (ETFE): ETFE je vybraný pre svoj vysoký bod topenia a vynikajúce elektrické vlastnosti, vďaka čomu je vhodný na poťahovanie drôtov a ako ľahká náhrada skla.

často kladené otázky

Sú kopolyméry rovnaké ako polyméry?

Nie, všetky kopolyméry sú polyméry, ale nie všetky polyméry sú kopolyméry. Kopolyméry sú podtriedou polymérov, ktoré sa vyznačujú tým, že majú dve alebo viac rôznych opakujúcich sa monomérnych jednotiek, čo im poskytuje rôzne štruktúry a vlastnosti v porovnaní s homopolymérmi, ktoré pozostávajú iba z jedného typu monoméru. 

Aký je rozdiel medzi homopolymérom a kopolymérom？

Homopolyméry obsahujú jeden typ monoméru opakujúceho sa v jednoduchom reťazci, zatiaľ čo kopolyméry majú dva alebo viac rôznych monomérov usporiadaných do zložitejšej štruktúry. To vedie k rozdielom v ich syntéze, vlastnostiach a konečnom použití

Sú kopolyméry bezpečné pre pokožku?

Sodné akrylátové kopolyméry a príbuzné akrylátové kopolyméry boli študované a považované za bezpečné na kozmetické použitie, „ak sú formulované tak, aby sa zabránilo podráždeniu“.

Kyselina akrylová môže byť pri vysokých expozíciách silne dráždivá a žieravá pre pokožku, oči a dýchacie cesty.

Kyselina metakrylová je v kanadskej kozmetike obmedzená a klasifikovaná ako potenciálne toxická alebo škodlivá.

Na aké aplikácie sa kopolyméry bežne používajú?

Kopolyméry sa vďaka svojim prispôsobiteľným mechanickým a chemickým vlastnostiam používajú v širokej škále produktov, vrátane automobilových dielov, plastových nádob a zdravotníckych zariadení.

V čom sa náhodné kopolyméry líšia od iných štruktúr kopolymérov?

Náhodné kopolyméry obsahujú zmes monomérnych jednotiek usporiadaných v žiadnom konkrétnom poradí pozdĺž reťazca, výsledkom čoho sú polyméry s rovnováhou vlastností jednotlivých monomérov, ako je zlepšená odolnosť proti nárazu alebo flexibilita.

Ako zloženie kopolyméru ovplyvňuje jeho vlastnosti?

Pomer a usporiadanie monomérov v kopolyméri priamo ovplyvňuje jeho tepelné, mechanické a chemické vlastnosti, čo znamená, že materiál môže byť navrhnutý pre špecifické funkcie, ako je zvýšená elasticita alebo odolnosť voči rozpúšťadlám.