تكوين الشبكة البوليمرية والتشابك
يربط التشابك سلاسل البوليمر في شبكة متصلة، محولًا مادة قابلة للذوبان والانصهار إلى مطاط صناعي غير قابل للذوبان، أو لدائن حرارية، أو هلام (جل) تعتمد خصائصه على كثافة الروابط المتصالبة.
Definition
التشابك هو تكوين روابط تساهمية (أو فيزيائية قوية) بين سلاسل بوليمر منفصلة، وتكوين الشبكة هو العملية التي تربط بها هذه الروابط المتصالبة السلاسل في جزيء واحد كبير لا يذوب أو ينصهر بعد الآن ولكنه ينتفخ ويتشوه بمرونة.
Scope
يغطي هذا الموضوع كيمياء وإحصائيات تكوين الشبكة: التشابك أثناء النمو التدريجي مع المونومرات متعددة الوظائف، الفلكنة والتشابك الكيميائي للسلاسل المشكلة مسبقًا، نقطة التجلط وتشتت الكتلة المولية عند التجلط، التمييز بين كسور السول والجل، انتفاخ الشبكات المتشابكة، والعلاقة بين كثافة الروابط المتصالبة ومعامل المرونة للمطاط الصناعي واللدائن الحرارية.
Core questions
- إلى أي مدى من التفاعل يصل نظام التفرع إلى نقطة التجلط؟
- كيف تحدد كثافة الروابط المتصالبة معامل المرونة، والانتفاخ، والانقسام بين السول والجل؟
- كيف تختلف الفلكنة ومعالجة اللدائن الحرارية عن تكوين الشبكة أثناء البلمرة؟
- لماذا تنتفخ الشبكات المتشابكة ولا تذوب؟
Key theories
- نظرية فلوري-ستوكماير للتجلط
- المعالجة الإحصائية لتكوين الروابط بين الوحدات متعددة الوظائف تتنبأ بتحول حرج — نقطة التجلط — حيث تتشتت الكتلة المولية المتوسطة الوزنية وتظهر شبكة لا نهائية لأول مرة، وتعطي توزيعًا بين السول القابل للذوبان والجل غير القابل للذوبان بعد تلك النقطة.
- مرونة المطاط وكثافة الروابط المتصالبة
- يتناسب معامل المرونة التوازني لشبكة متشابكة طرديًا مع عدد سلاسل الشبكة لكل وحدة حجم، لذا فإن قياس معامل المرونة أو الانتفاخ التوازني يعطي معلومات عن كثافة الروابط المتصالبة والكتلة المولية المتوسطة بين الروابط المتصالبة.
Mechanisms
تتكون الشبكات إما أثناء البلمرة، عندما تُنشئ المونومرات ذات الوظائف التي تزيد عن اثنين نقاط تفرع تتصل في النهاية بهيكل لا نهائي، أو بعد البلمرة، عندما تُربط السلاسل المشكلة مسبقًا — بواسطة جسور الكبريت في المطاط المفلكن، أو بواسطة عوامل المعالجة في الإيبوكسيات، أو بالإشعاع. مع تقدم التشابك، تنمو الكتلة المولية وتتضاعف التفرعات حتى، عند نقطة التجلط، تمتد شبكة واحدة عبر العينة؛ بعد هذه النقطة، تحتوي المادة على جزء هلامي غير قابل للذوبان يتعايش مع جزء سول قابل للذوبان يتقلص، وتنتفخ الشبكة في المذيبات الجيدة إلى مدى تحدده كثافة روابطها المتصالبة.
Clinical relevance
يُنشئ التشابك المطاط الصناعي، واللدائن الحرارية، والهلامات الضرورية للمواد الحديثة: المطاط المفلكن للإطارات والأختام، وراتنجات الإيبوكسي والفينول للمواد اللاصقة والمركبات، والهيدروجيل المتشابك للعدسات اللاصقة، والمواد فائقة الامتصاص، وسقالات الأنسجة. نظرًا لأن اللدائن الحرارية لا يمكن إعادة صهرها، فإن تكوين الشبكة يحدد أيضًا ما إذا كانت المادة قابلة لإعادة التدوير عن طريق الصهر.
History
كان اكتشاف تشارلز جوديير لفلكنة المطاط عام 1839 أول عملية تشابك عملية، وقد طوّر فلوري وبشكل مستقل ستوكماير النظرية الإحصائية للتجلط حوالي 1941-1944، متنبئين بنقطة التجلط وربط التفرع الجزيئي بانتقال السول-جل.
Key figures
- Paul Flory
- Walter Stockmayer
- Charles Goodyear
Related topics
Seminal works
- flory1953
- odian2004
Frequently asked questions
- ما هي نقطة التجلط؟
- هي المدى الحرج للتفاعل الذي ينتج عنده التشابك لأول مرة شبكة واحدة تمتد عبر العينة بأكملها. عند تلك النقطة، تتشتت الكتلة المولية المتوسطة الوزنية وتتغير المادة من سائل لزج إلى هلام (جل) مرن غير قابل للذوبان.
- لماذا ينتفخ البوليمر المتشابك ولا يذوب؟
- تحتفظ الشبكة التساهمية بجميع السلاسل معًا كجزيء عملاق واحد، لذا يمكن للمذيب أن يدخل ويوسع الشبكة ولكنه لا يستطيع فصل السلاسل الفردية. تقل درجة الانتفاخ مع زيادة كثافة الروابط المتصالبة.