Kapittel 14, Polymerers Struktur
•
•
•
•
•
•
•
Definisjon av polymer
Kjemisk sammensetning
Polymerisering
Struktur
Molekylvekt
Molekylform
Krystallinitet
Chapter 14 - 1
Polymerer
• Naturlige polymerer
– Tre
– Gummi
– Bomull
– Ull
– Lær
– Silke
• Syntetiske polymerer
• “Nye” materialer – fra midten av 1900-talet
– Plast
– Gummi
– Fibrer, folie, skum….
Chapter 14 - 2
Polymerer
Hva er en polymer?
Poly - mer
mange
repeterende enheter, monomerer
repeat
unit
repeat
unit
repeat
unit
H H H H H H
C C C C C C
H H H H H H
H H H H H H
C C C C C C
H Cl H Cl H Cl
Polyethylene (PE)
Polyvinyl chloride (PVC)
H
C
H
H H
C C
CH3 H
H H
C C
CH3 H
H
C
CH3
Polypropylene (PP)
Adapted from Fig. 14.2, Callister 7e.
Chapter 14 - 3
Polymers sammensetning
De fleste polymerer er hydrokarboner
– H og C
• Mettet hydrokarboner
– Hvær karbon bundet til fire atomer
H
H
etan
C
H
H
C
H
H
CnH2n+2
Chapter 14 - 4
Chapter 14 - 5
Umettet Hydrokarboner
• Dobbelt- & trippelbindinger: reaktive – kan
danne nye form bindinger
– Dobbeltbinding – etylen, eten - CnH2n
H
H
C C
H
H
• 4-bindinger, men kun 3 atomer bindet til C
– Trippelbinding – acetylen, etyn - CnH2n-2
H
C
C
H
Chapter 14 - 6
Isomeri
• Isomeri
– To forbindelser med den samme kjemiske
sammensetning kan ha ulik struktur
Ex: C8H18
• n-oktan
H H H H H H H H
H C C C C C C C C H
= H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
H H H H H H H H

H3C ( CH2 ) CH3
• 2-metyl-4-etyl pentan (isooktan)
6
CH3
H3C CH CH2 CH CH3
CH2
CH3
Chapter 14 - 7
Chapter 14 - 8
Polymerisering
• Fri radikal polymerisering
R
+
H H
H H
H H
C C
R C C
H H
monomer
(ethylene)
free radical
R C C
H H
+
initiation
H H
H H
H H H H
C C
R C C C C
H H
H H H H
propagation
dimer
• Initiator: exempel - benzoyl peroxid
H
C O O C
H
H
H
H
2
C O
=2R
H
Chapter 14 - 9
Polymerisering
Adapted from Fig.
14.1, Callister 7e.
Lange kjeder av repeterende enheter
Chapter 14 - 10
Poymerisering, andre eksempel
Polyvinylklorid
PVC
Polytetrafluoroetylen
Teflon
Chapter 14 - 11
Polymerisering
• Homopolymer: samme type av monomer
• Kopolymer: to eller flere monomerer
• Funksjonalitet
– Bifunksjonell: to bindinger
todimensjonale kjeder
– Trifunksjonell: tre bindinger
sidekjeder
Chapter 14 - 12
Bulk or Commodity Polymers
Chapter 14 - 13
Chapter 14 - 14
Chapter 14 - 15
MOLEKYLVEKT
• Molekylvekt, Mi: Masse av en mol av kjeder.
Lav M
høy M
total wt av polymer
Mn =
total # av molekyler
M n = Sxi M i
M w = Sw i Mi
Mw mer følsom for
høyere molekylvekt
Adapted from Fig. 14.4, Callister 7e.
Chapter 14 - 16
Beregning av molekylvekt
Molekylvekt bestemmer smeltepunkt
Typisk 10.000 – mange millioner g/mol
Chapter 14 - 17
Grad av polymerisering, DP
DP = antal repeterende enheter i kjede
Mn
DPn = å xi ni =
m
Mw
DPw = å wi ni =
m
m = midlere molekylvekt av repeterende enhet
m = Sf i mi
fraktion av kjede
Molekylvekt av repeternede enhet i
Chapter 14 - 18
Molekylform
Moleculens orientering kan endres gjennom
rotasjon rundt bindingene
Adapted from Fig.
14.5, Callister 7e.
Chapter 14 - 19
Molekylstruktur
End to End Avstand, r
Adapted from Fig.
14.6, Callister 7e.
Chapter 14 - 20
Molekylstruktur
• Kovalent kjede: konfigurering og styrke:
secondary
bonding
Lineær
Forgrenet
Kryssbunden
Nettverk
Økende styrke
Adapted from Fig. 14.7, Callister 7e.
Chapter 14 - 21
Molekylform, isomeri
• Konfigurasjon
head-to-tail
head-to-head
Chapter 14 - 22
Stereoisomeri - Taktisitet
isotaktisk – alle R grupper
på samme side
H H H H H H H H
C C C C C C C C
H R H R H R H R
syndiotaktisk – R grupper
alternerende sider
H H H R H H H R
C C C C C C C C
H R H H H R H H
ataktisk – R groups tilfeldig
orientert
H H H H H R H H
C C C C C C C C
H R H R H H H R
Chapter 14 - 23
Geometrisk isomeri - cis/trans
CH3
H
CH3
C C
C C
CH2
CH2
CH2
CH2
H
cis
trans
cis-isopren
(naturgummi)
trans-isopren
(guttaperka)
Grupper på samme side
Grupper på motsatt side
Chapter 14 - 24
Struktur hos polymerer
Chapter 14 - 25
Termoplaster/herdplaster
• Termoplaster (thermoplastics)
– Mykner – smelter ved oppvarming,
reversibel
– Lineære polymerer – fleksible sidekjeder
– Myke materialer
• Herdplaster (thermosets)
– Permanente hard ved polymerisering
– Mykner – smelter ikke ved oppvarming
– Kryssbundet eller netverkspolymerer
– Harde – sterke materialer
Chapter 14 - 26
Ko-polymerer
To eller flere monomerer
polymerisert sammen
• tilfeldig – A og B varierer
tilfeldig
• alternerende – A og B
alternerer
• blokk – store blokk av A
alternerer med store blokk
av B
• podet, graft – kjeder av B
podet på A-kjede
A–
B–
Adapted from Fig.
14.9, Callister 7e.
random
alternating
block
graft
Chapter 14 - 27
Polymer Krystallinitet
Adapted from Fig.
14.10, Callister 7e.
Ex: polyetylen enhetcell
– Chain folded struktur
Adapted from Fig.
14.12, Callister 7e.
10 nm
Chapter 14 - 28
Polymer krystallinitet
Polymerer er sjelden 100% krystalline
• Altfor vanskelig å ordne alle kjeder
krystallint
område
• % Krystallinitet:
-- TS og E øker ofte med
% krystallinitet.
-- Varmebehndling øker
% krystallinitet
amorf
onråde
Adapted from Fig. 14.11, Callister 6e.
(Fig. 14.11 is from H.W. Hayden, W.G. Moffatt,
and J. Wulff, The Structure and Properties of
Materials, Vol. III, Mechanical Behavior, John Wiley
and Sons, Inc., 1965.)
Chapter 14 - 29
Polymere krystallfomer
• Enkrystaller – kun ved langsom vekst
Adapted from Fig. 14.11, Callister 7e.
Chapter 14 - 30
Polymere krystallformer
• “Sfærulitter” – hurtig
vekst – lamelære
strukturer
Spherulite
surface
Nucleation site
Adapted from Fig. 14.13, Callister 7e.
Chapter 14 - 31
Defekter i polymerer
Chapter 14 - 32