Polymer Structures

Polymer Structures

1 May 2020 Off By Sdbamie

14) Polymer Structures

 

14.1 Introduction

Polymers are common in nature, in the form of wood, rubber, cotton, leather, wood, silk, proteins, enzymes, starches, cellulose. Artificial polymers are made mostly from oil. Their use has grown exponentially, especially after WW2. The key factor is the very low production cost and useful properties (e.g., combination of transparency and flexibility, long elongation).

 

14.2 Hydrocarbon Molecules

Most polymers are organic, and formed from hydrocarbon molecules. These molecules can have single, double, or triple carbon bonds. A saturated hydrocarbon is one where all bonds are single, that is, the number of atoms is maximum (or saturated). Among this type are the paraffin compounds, CnH2n+2 (Table 15.1). In contrast, non-saturated hydrocarbons contain some double and triple bonds.
Isomers are molecules that contain the same molecules but in a different arrangement. An example is butane and isobutane.

14.3 Polymer Molecules

Polymer molecules are huge, macromolecules that have internal covalent bonds. For most polymers, these molecules form very long chains. The backbone is a string of carbon atoms, often single bonded. Polymers are composed of basic structures called mer units. A molecule with just one mer is a monomer.

14.4 The Chemistry of Polymer Molecules

Examples of polymers are polyvinyl chloride (PVC), poly-tetra-chloro-ethylene (PTFE or Teflon), polypropylene, nylon and polystyrene. Chains are represented straight but in practice they have a threedimensional, zig-zag structure (Fig. 15.1b). When all the mers are the same, the molecule is called a homopolymer. When there is more than one type of mer present, the molecule is a copolymer.

14.5 Molecular Weight

The mass of a polymer is not fixed, but is distributed around a mean value, since polymer molecules have different lengths. The average molecular weight can be obtained by averaging the masses with the fraction of times they appear (number-average) or with the mass fraction of the molecules (called, improperly, a weight fraction).
The degree of polymerization is the average number of mer units, and is obtained by dividing the average mass of the polymer by the mass of a mer unit. Polymers of low mass are liquid or gases, those of very high mass (called high-polymers, are solid). Waxes, paraffins and resins have intermediate masses.

14.6 Molecular Shape

Polymers are usually not linear; bending and rotations can occur around single C-C bonds (double and triple bonds are very rigid) (Fig. 15.5). Random kings and coils lead to entanglement, like in the spaghetti structure shown in Fig. 15.6.

14.7 Molecular Structure

Typical structures are :

  • linear (end-to-end, flexible, like PVC, nylon)
  • branched
  • cross-linked (due to radiation, vulcanization, etc.)
  • network (similar to highly cross-linked structures).

14.8 Molecular Configurations

The regularity and symmetry of the side-groups can affect strongly the properties of polymers. Side groups are atoms or molecules with free bonds, called free-radicals, like H, O, methyl, etc.
If the radicals are linked in the same order, the configuration is called isostatic
In a stereoisomer in a syndiotactic configuration, the radical groups alternative sides in the chain. In the atactic configuration, the radical groups are positioned at random.

14.9 Copolymers

Copolymers, polymers with at least two different types of mers can differ in the way the mers are arranged. Fig. 15.9 shows different arrangements: random, alternating, block, and graft.

14.10 Polymer Crystallinity

Crystallinity in polymers is more complex than in metals (fig. 15.10). Polymer molecules are often partially crystalline (semicrystalline), with crystalline regions dispersed within amorphous material. .
Chain disorder or misalignment, which is common, leads to amorphous material since twisting, kinking and coiling prevent strict ordering required in the crystalline state. Thus, linear polymers with small side groups, which are not too long form crystalline regions easier than branched, network, atactic polymers, random copolymers, or polymers with bulky side groups.
Crystalline polymers are denser than amorphous polymers, so the degree of crystallinity can be obtained from the measurement of density.

14.11 Polymer Crystals

Different models have been proposed to describe the arrangement of molecules in semicrytalline polymers.
In the fringed-micelle model, the crystallites (micelles) are embedded in an amorphous matrix (Fig.15.11).
Polymer single crystals grown are shaped in regular platelets (lamellae) (Fig. 15.12). Spherulites (Fig. 15.4)
are chain-folded crystallites in an amorphous matrix that grow radially in spherical shape “grains”.

14.1 परिचय

पॉलिमर प्रकृति में लकड़ी, रबर, कपास, चमड़ा, लकड़ी, रेशम, प्रोटीन, एंजाइम, स्टार्च, सेलूलोज़ के रूप में आम हैं। कृत्रिम पॉलिमर ज्यादातर तेल से बनाए जाते हैं। उनका उपयोग तेजी से बढ़ा है, खासकर WW2 के बाद। मुख्य कारक बहुत कम उत्पादन लागत और उपयोगी गुण (जैसे, पारदर्शिता और लचीलेपन का संयोजन, लंबी बढ़ाव) है।

14.2 हाइड्रोकार्बन अणु

अधिकांश पॉलिमर कार्बनिक होते हैं, और हाइड्रोकार्बन अणुओं से बनते हैं। इन अणुओं में सिंगल, डबल या ट्रिपल कार्बन बॉन्ड हो सकते हैं। एक संतृप्त हाइड्रोकार्बन वह है जहां सभी बंधन एकल होते हैं, अर्थात, परमाणुओं की संख्या अधिकतम (या संतृप्त) होती है। इस प्रकार के पैराफिन यौगिक हैं, CnH2n + 2 (तालिका 15.1)। इसके विपरीत, गैर-संतृप्त हाइड्रोकार्बन में कुछ डबल और ट्रिपल बॉन्ड होते हैं।
आइसोमर्स अणु होते हैं जिनमें समान अणु होते हैं लेकिन एक अलग व्यवस्था में। एक उदाहरण ब्यूटेन और आइसोब्यूटेन है।

14.3 पॉलिमर अणु

पॉलिमर अणु विशाल होते हैं, मैक्रोमोलेक्यूलस जिसमें आंतरिक सहसंयोजक बंधन होते हैं। अधिकांश पॉलिमर के लिए, ये अणु बहुत लंबी श्रृंखला बनाते हैं। रीढ़ कार्बन परमाणुओं का एक स्ट्रिंग है, जो अक्सर एकल बंधुआ होता है। पॉलिमर बुनियादी संरचनाओं से बना होता है जिसे मेर यूनिट कहा जाता है। सिर्फ एक मेर वाला एक अणु एक मोनोमर है।

14.4 पॉलिमर अणु का रसायन विज्ञान

पॉलिमर के उदाहरण पॉलीविनाइल क्लोराइड (पीवीसी), पॉली-टेट्रा-क्लोरो-एथिलीन (पीटीएफई या टेफ्लॉन), पॉलीप्रोपाइलीन, नायलॉन और पॉलीस्टाइनिन हैं। जंजीरों को सीधे प्रतिनिधित्व किया जाता है लेकिन व्यवहार में उनके पास एक थ्रीडीमेटिक, जिग-ज़ैग संरचना (छवि। 15.1 बी) है। जब सभी मर्स समान होते हैं, तो अणु को एक होमोपोलिमर कहा जाता है। जब एक से अधिक प्रकार के मेर उपस्थित होते हैं, तो अणु एक कॉपोलिमर होता है।

14.5 आणविक भार

एक बहुलक का द्रव्यमान निश्चित नहीं होता है, लेकिन एक औसत मूल्य के आसपास वितरित किया जाता है, क्योंकि बहुलक अणुओं की लंबाई अलग-अलग होती है। औसत आणविक भार जनता के औसत से प्राप्त किया जा सकता है जब वे दिखाई देते हैं (संख्या-औसत) या अणुओं के द्रव्यमान अंश के साथ (जिसे अनुचित रूप से, एक वजन अंश) कहा जाता है।
पोलीमराइजेशन की डिग्री औसत इकाइयों की औसत संख्या है, और बहुलक के औसत द्रव्यमान को एक इकाई के द्रव्यमान से विभाजित करके प्राप्त किया जाता है। कम द्रव्यमान के पॉलिमर तरल या गैस होते हैं, जो बहुत अधिक द्रव्यमान वाले होते हैं (जिन्हें उच्च-पॉलिमर कहा जाता है, ठोस होते हैं)। वैक्स, पैराफिन और रेजिन में मध्यवर्ती द्रव्यमान होते हैं।

14.6 आणविक आकृति

पॉलिमर आमतौर पर रैखिक नहीं होते हैं; झुकने और घुमाव एकल सीसी बांड के आसपास हो सकते हैं (डबल और ट्रिपल बांड बहुत कठोर हैं) (छवि 15.5)। बेतरतीब राजा और कॉइल उलझाव की ओर ले जाते हैं, जैसे कि चित्र में दिखाए गए स्पेगेटी संरचना में। 15.6।

14.7 आणविक संरचना

विशिष्ट संरचनाएं हैं:

  • रैखिक (एंड-टू-एंड, लचीला, जैसे पीवीसी, नायलॉन)
  • शाखायुक्त
  • क्रॉस-लिंक्ड (विकिरण, वल्कीनकरण, आदि के कारण)
  • नेटवर्क (अत्यधिक क्रॉस-लिंक्ड संरचनाओं के समान)।

14.8 आणविक विन्यास

पक्ष-समूहों की नियमितता और समरूपता पॉलिमर के गुणों को दृढ़ता से प्रभावित कर सकती है। साइड समूह स्वतंत्र बॉन्ड के साथ परमाणु या अणु होते हैं, जिन्हें फ्री-रेडिकल्स कहा जाता है, जैसे एच, ओ, मिथाइल, आदि।
यदि रेडिकल्स को एक ही क्रम में जोड़ा जाता है, तो कॉन्फ़िगरेशन को
आइसोस्टैटिक कहा जाता है । एक सिंडियोटैक्टिक कॉन्फ़िगरेशन में एक स्टीरियोइसोमर में, कट्टरपंथी समूह श्रृंखला में वैकल्पिक पक्ष। एटिकैक्टिक कॉन्फ़िगरेशन में, कट्टरपंथी समूह यादृच्छिक पर स्थित होते हैं।

14.9 Copolymers

Copolymers, mers की व्यवस्था करने के तरीके में कम से कम दो अलग-अलग प्रकार के मेलर्स के साथ भिन्नता हो सकती है। अंजीर। 15.9 विभिन्न व्यवस्थाओं को दिखाता है: यादृच्छिक, वैकल्पिक, ब्लॉक और ग्राफ्ट।

14.10 पॉलिमर क्रिस्टलीय

पॉलिमर में क्रिस्टलीयता धातुओं की तुलना में अधिक जटिल है (अंजीर। 15.10)। पॉलिमर अणु अक्सर क्रिस्टलीय क्षेत्रों के साथ आंशिक रूप से क्रिस्टलीय (अर्धवृत्त) होते हैं, जो अनाकार सामग्री के भीतर बिखरे होते हैं। ।
चेन डिसऑर्डर या मिसलिग्न्मेंट, जो कि आम है, क्रिस्टलीय अवस्था में आवश्यक सख्त आदेश को रोकने के बाद से घुमा, किंकिंग और कोइलिंग से अनाकार सामग्री की ओर जाता है। इस प्रकार, छोटे पक्ष समूहों के साथ रैखिक पॉलिमर, जो कि ब्रांच्ड, नेटवर्क, एटिकेटिक पॉलिमर, यादृच्छिक कॉपोलिमर या भारी पक्ष समूहों वाले पॉलिमर की तुलना में बहुत लंबे रूप वाले क्रिस्टलीय क्षेत्र आसान नहीं हैं।
क्रिस्टलीय पॉलिमर अनाकार पॉलिमर की तुलना में सघन होते हैं, इसलिए क्रिस्टलीयता की डिग्री घनत्व के माप से प्राप्त की जा सकती है।

14.11 पॉलिमर क्रिस्टल

अर्धविक्षिप्त पॉलिमर में अणुओं की व्यवस्था का वर्णन करने के लिए विभिन्न मॉडल प्रस्तावित किए गए हैं।
फ्रिंजेड-मिसेल मॉडल में, क्रिस्टलीय (मिसेल) एक अनाकार मैट्रिक्स (छवि.1.1.11) में एम्बेडेड होते हैं।
उगाए गए पॉलिमर एकल क्रिस्टल नियमित प्लेटलेट्स (लामेले) (छवि 15.12) में आकार के होते हैं। गोलाकार (चित्र। 15.4)
एक अनाकार मैट्रिक्स में चेन-मुड़ा हुआ क्रिस्टलीय होते हैं जो गोलाकार आकार में “अनाज” के रूप में विकसित होते हैं।

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