Pembentukan Jaringan Polimer dan Ikatan Silang

Ikatan silang menggabungkan rantai polimer menjadi jaringan kontinu, mengubah material yang larut dan dapat melebur menjadi elastomer, termoset, atau gel yang tidak larut, yang sifat-sifatnya diatur oleh kerapatan ikatan silang.

Definition

Ikatan silang adalah pembentukan ikatan kovalen (atau ikatan fisik yang kuat) antara rantai polimer yang terpisah, dan pembentukan jaringan adalah proses di mana ikatan silang tersebut menghubungkan rantai-rantai menjadi molekul makroskopik tunggal yang tidak lagi larut atau meleleh tetapi membengkak dan berubah bentuk secara elastis.

Scope

Topik ini mencakup kimia dan statistik pembentukan jaringan: ikatan silang selama pertumbuhan bertahap dengan monomer multifungsi, vulkanisasi dan ikatan silang kimia dari rantai yang telah terbentuk, titik gel dan divergensi massa molar pada gelasi, perbedaan antara fraksi sol dan gel, pembengkakan jaringan ikatan silang, dan hubungan antara kerapatan ikatan silang dan modulus elastomer serta termoset.

Core questions

• Pada tingkat reaksi berapa sistem percabangan mencapai titik gel?
• Bagaimana kerapatan ikatan silang menentukan modulus, pembengkakan, dan pemisahan sol/gel?
• Bagaimana vulkanisasi dan pengawetan termoset berbeda dari pembentukan jaringan selama polimerisasi?
• Mengapa jaringan ikatan silang membengkak tetapi tidak larut?

Key theories

Teori gelasi Flory-Stockmayer

Perlakuan statistik pembentukan ikatan di antara unit multifungsi memprediksi konversi kritis—titik gel—di mana massa molar rata-rata berat menyimpang dan jaringan tak terbatas pertama kali muncul, dan memberikan distribusi antara sol yang larut dan gel yang tidak larut di luar titik tersebut.

Elastisitas karet dan kerapatan ikatan silang

Modulus elastis ekuilibrium dari jaringan ikatan silang sebanding dengan jumlah rantai jaringan per unit volume, sehingga pengukuran modulus atau pembengkakan ekuilibrium melaporkan kerapatan ikatan silang dan massa molar rata-rata antara ikatan silang.

Mechanisms

Jaringan terbentuk baik selama polimerisasi, ketika monomer dengan fungsionalitas lebih besar dari dua menciptakan titik percabangan yang akhirnya terhubung menjadi struktur tak terbatas, atau setelah polimerisasi, ketika rantai yang telah terbentuk digabungkan—oleh jembatan sulfur dalam karet tervulkanisasi, oleh agen pengawet dalam epoksi, atau oleh radiasi. Seiring berjalannya ikatan silang, massa molar tumbuh dan percabangan berlipat ganda hingga, pada titik gel, satu jaringan tunggal membentang di seluruh sampel; di luar titik itu material memiliki fraksi gel yang tidak larut yang hidup berdampingan dengan fraksi sol yang larut yang menyusut, dan jaringan membengkak dalam pelarut yang baik hingga tingkat yang ditentukan oleh kerapatan ikatan silangnya.

Clinical relevance

Ikatan silang menciptakan elastomer, termoset, dan gel yang penting bagi material modern: karet tervulkanisasi untuk ban dan segel, resin epoksi dan fenolik untuk perekat dan komposit, serta hidrogel ikatan silang untuk lensa kontak, superabsorben, dan perancah jaringan. Karena termoset tidak dapat dilebur kembali, pembentukan jaringan juga menentukan apakah suatu material dapat didaur ulang dengan peleburan.

History

Penemuan vulkanisasi karet oleh Charles Goodyear pada tahun 1839 adalah proses ikatan silang praktis pertama, dan teori statistik gelasi dikembangkan oleh Flory dan secara independen oleh Stockmayer sekitar tahun 1941-1944, memprediksi titik gel dan menghubungkan percabangan molekuler dengan transisi sol-gel.

Key figures

• Paul Flory
• Walter Stockmayer
• Charles Goodyear

Seminal works

• flory1953
• odian2004

Frequently asked questions

Apa itu titik gel?

Ini adalah tingkat reaksi kritis di mana ikatan silang pertama kali menghasilkan satu jaringan yang membentang di seluruh sampel. Pada titik itu, massa molar rata-rata berat menyimpang dan material berubah dari cairan kental menjadi gel elastis yang tidak larut.

Mengapa polimer ikatan silang membengkak tetapi tidak larut?

Jaringan kovalen menahan semua rantai bersama sebagai satu molekul raksasa, sehingga pelarut dapat masuk dan memperluas jaringan tetapi tidak dapat memisahkan rantai individu. Tingkat pembengkakan menurun seiring dengan peningkatan kerapatan ikatan silang.