Hình thành mạng lưới polymer và liên kết ngang

Liên kết ngang nối các chuỗi polymer thành một mạng lưới liên tục, biến đổi vật liệu hòa tan, nóng chảy được thành chất đàn hồi, vật liệu nhiệt rắn hoặc gel không hòa tan mà các đặc tính của chúng được điều chỉnh bởi mật độ liên kết ngang.

Definition

Liên kết ngang là sự hình thành các liên kết cộng hóa trị (hoặc liên kết vật lý mạnh) giữa các chuỗi polymer riêng biệt, và sự hình thành mạng lưới là quá trình mà các liên kết ngang như vậy kết nối các chuỗi thành một phân tử vĩ mô duy nhất không còn hòa tan hoặc nóng chảy mà trương nở và biến dạng đàn hồi.

Scope

Chủ đề này bao gồm hóa học và thống kê về sự hình thành mạng lưới: liên kết ngang trong quá trình tăng trưởng theo từng bước với các monome đa chức năng, lưu hóa và liên kết ngang hóa học của các chuỗi được tạo sẵn, điểm gel và sự phân kỳ của khối lượng mol tại điểm gel hóa, sự phân biệt giữa phần sol và gel, sự trương nở của mạng lưới liên kết ngang, và mối quan hệ giữa mật độ liên kết ngang và mô đun của chất đàn hồi và vật liệu nhiệt rắn.

Core questions

• Ở mức độ phản ứng nào thì một hệ thống phân nhánh đạt đến điểm gel?
• Mật độ liên kết ngang xác định mô đun, sự trương nở và sự phân tách sol/gel như thế nào?
• Sự lưu hóa và đóng rắn nhiệt rắn khác với sự hình thành mạng lưới trong quá trình trùng hợp như thế nào?
• Tại sao các mạng lưới liên kết ngang trương nở nhưng không hòa tan?

Key theories

Lý thuyết gel hóa Flory-Stockmayer

Xử lý thống kê sự hình thành liên kết giữa các đơn vị đa chức năng dự đoán một sự chuyển đổi tới hạn—điểm gel—tại đó khối lượng mol trung bình trọng lượng phân kỳ và một mạng lưới vô hạn lần đầu tiên xuất hiện, và nó đưa ra sự phân bố giữa sol hòa tan và gel không hòa tan vượt quá điểm đó.

Độ đàn hồi cao su và mật độ liên kết ngang

Mô đun đàn hồi cân bằng của một mạng lưới liên kết ngang tỷ lệ thuận với số lượng chuỗi mạng lưới trên một đơn vị thể tích, vì vậy việc đo mô đun hoặc sự trương nở cân bằng cho biết mật độ liên kết ngang và khối lượng mol trung bình giữa các liên kết ngang.

Mechanisms

Mạng lưới hình thành hoặc trong quá trình trùng hợp, khi các monome có chức năng lớn hơn hai tạo ra các điểm phân nhánh cuối cùng kết nối thành một cấu trúc vô hạn, hoặc sau quá trình trùng hợp, khi các chuỗi được tạo sẵn được nối với nhau—bằng cầu nối lưu huỳnh trong cao su lưu hóa, bằng chất đóng rắn trong epoxy, hoặc bằng bức xạ. Khi quá trình liên kết ngang diễn ra, khối lượng mol tăng lên và các nhánh nhân lên cho đến khi, tại điểm gel, một mạng lưới duy nhất trải rộng khắp mẫu; vượt quá điểm đó, vật liệu có một phần gel không hòa tan cùng tồn tại với một phần sol hòa tan đang co lại, và mạng lưới trương nở trong dung môi tốt đến một mức độ được thiết lập bởi mật độ liên kết ngang của nó.

Clinical relevance

Liên kết ngang tạo ra các chất đàn hồi, vật liệu nhiệt rắn và gel thiết yếu cho vật liệu hiện đại: cao su lưu hóa cho lốp xe và gioăng, nhựa epoxy và phenolic cho chất kết dính và vật liệu composite, và hydrogel liên kết ngang cho kính áp tròng, chất siêu hấp thụ và giàn giáo mô. Bởi vì vật liệu nhiệt rắn không thể nóng chảy lại, sự hình thành mạng lưới cũng xác định liệu vật liệu có thể tái chế bằng cách nóng chảy hay không.

History

Việc Charles Goodyear phát hiện ra lưu hóa cao su vào năm 1839 là quá trình liên kết ngang thực tế đầu tiên, và lý thuyết thống kê về gel hóa được Flory và độc lập bởi Stockmayer phát triển vào khoảng năm 1941-1944, dự đoán điểm gel và kết nối sự phân nhánh phân tử với chuyển đổi sol-gel.

Key figures

• Paul Flory
• Walter Stockmayer
• Charles Goodyear

Seminal works

• flory1953
• odian2004

Frequently asked questions

Điểm gel là gì?

Đó là mức độ phản ứng tới hạn mà tại đó liên kết ngang lần đầu tiên tạo ra một mạng lưới duy nhất trải rộng khắp mẫu. Tại điểm đó, khối lượng mol trung bình trọng lượng phân kỳ và vật liệu thay đổi từ chất lỏng nhớt thành gel đàn hồi, không hòa tan.

Tại sao một polymer liên kết ngang trương nở nhưng không hòa tan?

Mạng lưới cộng hóa trị giữ tất cả các chuỗi lại với nhau như một phân tử khổng lồ, vì vậy dung môi có thể đi vào và mở rộng mạng lưới nhưng không thể tách rời các chuỗi riêng lẻ. Mức độ trương nở giảm khi mật độ liên kết ngang tăng.