การก่อตัวของโครงข่ายพอลิเมอร์และการเชื่อมขวาง
การเชื่อมขวางเป็นการเชื่อมต่อสายโซ่พอลิเมอร์เข้าด้วยกันเป็นโครงข่ายต่อเนื่อง เปลี่ยนวัสดุที่ละลายได้และหลอมเหลวได้ให้กลายเป็นอีลาสโตเมอร์ เทอร์โมเซต หรือเจลที่ไม่ละลายและไม่หลอมเหลว ซึ่งคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ถูกกำหนดโดยความหนาแน่นของการเชื่อมขวาง
Definition
การเชื่อมขวางคือการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์ (หรือพันธะทางกายภาพที่แข็งแรง) ระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ที่แยกกัน และการก่อตัวของโครงข่ายคือกระบวนการที่การเชื่อมขวางดังกล่าวเชื่อมต่อสายโซ่เข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลมหภาคเดี่ยวที่ไม่ละลายหรือหลอมเหลวอีกต่อไป แต่จะบวมตัวและเปลี่ยนรูปได้แบบยืดหยุ่น
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีและสถิติของการก่อตัวของโครงข่าย: การเชื่อมขวางระหว่างการเกิดปฏิกิริยาแบบขั้นพร้อมด้วยมอนอเมอร์ที่มีหมู่ฟังก์ชันหลายหมู่, การวัลคาไนซ์และการเชื่อมขวางทางเคมีของสายโซ่ที่เกิดขึ้นแล้ว, จุดเจลและการลู่ออกของมวลโมลาร์ที่จุดเจล, ความแตกต่างระหว่างส่วนที่ละลายได้ (sol) และส่วนที่เป็นเจล (gel), การบวมตัวของโครงข่ายที่เชื่อมขวาง, และความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของการเชื่อมขวางกับโมดูลัสของอีลาสโตเมอร์และเทอร์โมเซต
Core questions
- ที่ระดับการเกิดปฏิกิริยาเท่าใดที่ระบบแตกแขนงจะถึงจุดเจล?
- ความหนาแน่นของการเชื่อมขวางกำหนดโมดูลัส การบวมตัว และการแยกส่วน sol/gel ได้อย่างไร?
- การวัลคาไนซ์และการบ่มเทอร์โมเซตแตกต่างจากการก่อตัวของโครงข่ายระหว่างการเกิดพอลิเมอร์ไรเซชันอย่างไร?
- เหตุใดโครงข่ายที่เชื่อมขวางจึงบวมตัวแต่ไม่ละลาย?
Key theories
- ทฤษฎีการเกิดเจลของ Flory-Stockmayer
- การวิเคราะห์ทางสถิติของการก่อตัวของพันธะในหน่วยที่มีหมู่ฟังก์ชันหลายหมู่ทำนายการเปลี่ยนสภาพวิกฤต—จุดเจล—ที่มวลโมลาร์เฉลี่ยน้ำหนักจะลู่ออกและโครงข่ายอนันต์จะปรากฏขึ้นเป็นครั้งแรก และยังให้การกระจายตัวระหว่างส่วนที่ละลายได้ (sol) และส่วนที่เป็นเจลที่ไม่ละลายหลังจากจุดนั้น
- ความยืดหยุ่นของยางและความหนาแน่นของการเชื่อมขวาง
- โมดูลัสยืดหยุ่นสมดุลของโครงข่ายที่เชื่อมขวางเป็นสัดส่วนกับจำนวนสายโซ่โครงข่ายต่อหน่วยปริมาตร ดังนั้นการวัดโมดูลัสหรือการบวมตัวสมดุลจึงบ่งชี้ถึงความหนาแน่นของการเชื่อมขวางและมวลโมลาร์เฉลี่ยระหว่างการเชื่อมขวาง
Mechanisms
โครงข่ายจะก่อตัวขึ้นระหว่างการเกิดพอลิเมอร์ไรเซชัน เมื่อมอนอเมอร์ที่มีหมู่ฟังก์ชันมากกว่าสองสร้างจุดแตกแขนงที่ในที่สุดก็เชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างอนันต์ หรือหลังการเกิดพอลิเมอร์ไรเซชัน เมื่อสายโซ่ที่เกิดขึ้นแล้วถูกเชื่อมต่อกัน—โดยสะพานซัลเฟอร์ในยางวัลคาไนซ์ โดยสารบ่มในอีพอกซี หรือโดยการฉายรังสี เมื่อการเชื่อมขวางดำเนินไป มวลโมลาร์จะเพิ่มขึ้นและมีการแตกแขนงเพิ่มขึ้นจนกระทั่งถึงจุดเจล โครงข่ายเดี่ยวจะแผ่ขยายไปทั่วตัวอย่าง; หลังจากจุดนั้น วัสดุจะมีส่วนที่เป็นเจลที่ไม่ละลายอยู่ร่วมกับส่วนที่ละลายได้ (sol) ที่ลดลง และโครงข่ายจะบวมตัวในตัวทำละลายที่ดีในระดับที่กำหนดโดยความหนาแน่นของการเชื่อมขวาง
Clinical relevance
การเชื่อมขวางสร้างอีลาสโตเมอร์ เทอร์โมเซต และเจล ซึ่งเป็นวัสดุที่จำเป็นในยุคปัจจุบัน: ยางวัลคาไนซ์สำหรับยางรถยนต์และซีล, อีพอกซีและฟีนอลิกเรซินสำหรับกาวและวัสดุผสม, และไฮโดรเจลที่เชื่อมขวางสำหรับคอนแทคเลนส์, สารดูดซับยิ่งยวด และโครงสร้างรองรับเนื้อเยื่อ เนื่องจากเทอร์โมเซตไม่สามารถหลอมใหม่ได้ การก่อตัวของโครงข่ายจึงเป็นตัวกำหนดว่าวัสดุนั้นสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ด้วยการหลอมหรือไม่
History
การค้นพบการวัลคาไนซ์ยางของ Charles Goodyear ในปี 1839 เป็นกระบวนการเชื่อมขวางเชิงปฏิบัติครั้งแรก และทฤษฎีสถิติของการเกิดเจลได้รับการพัฒนาโดย Flory และโดย Stockmayer อย่างอิสระในช่วงปี 1941-1944 ซึ่งทำนายจุดเจลและเชื่อมโยงการแตกแขนงของโมเลกุลกับการเปลี่ยนสถานะจาก sol เป็น gel
Key figures
- Paul Flory
- Walter Stockmayer
- Charles Goodyear
Related topics
Seminal works
- flory1953
- odian2004
Frequently asked questions
- จุดเจลคืออะไร?
- เป็นระดับวิกฤตของการเกิดปฏิกิริยาที่การเชื่อมขวางเริ่มสร้างโครงข่ายเดี่ยวที่แผ่ขยายไปทั่วตัวอย่างเป็นครั้งแรก ณ จุดนั้น มวลโมลาร์เฉลี่ยน้ำหนักจะลู่ออกและวัสดุจะเปลี่ยนจากของเหลวหนืดไปเป็นเจลยืดหยุ่นที่ไม่ละลาย
- เหตุใดพอลิเมอร์ที่เชื่อมขวางจึงบวมตัวแต่ไม่ละลาย?
- โครงข่ายโควาเลนต์ยึดสายโซ่ทั้งหมดเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่เพียงโมเลกุลเดียว ดังนั้นตัวทำละลายสามารถเข้าไปและขยายโครงข่ายได้ แต่ไม่สามารถแยกสายโซ่แต่ละเส้นออกจากกันได้ ระดับการบวมตัวจะลดลงเมื่อความหนาแน่นของการเชื่อมขวางเพิ่มขึ้น