Polymeeri
Rakenne

Polymeerimateriaalin rakennetta voidaan kuvata eri mittaluokissa, alle nanometrin tarkkuudesta makroskooppiseen tarkkuuteen asti. Lähtökohtana rakenteen kuvauksen on kuitenkin tunnistaa sen monomeereistä koostuvat rakenneosat. Mikrorakenne (eli konfiguraatio) määrää polymeerin mahdollisuuden muodostaa faaseja esimerkiksi kiteytymisen, lasisiirtymän tai mikrofaasierotuksen kautta. Näillä ominaisuuksilla on tärkeä rooli polymeerin fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien määrittämisessä ja siinä, missä teollisuuden aloilla niitä voidaan esimerkiksi hyödyntää.
Polymeereillä on olemassa rakenteiden hierarkia, jossa jokainen vaihe muodostaa perustan seuraavalle. Polymeerin rakennetta voidaan kuvata eri tasoilla, mukaan lukien primäärinen, sekundäärinen, tertiäärinen ja kvaternäärinen rakenne. Primäärinen rakenne viittaa monomeerien järjestykseen ja sidostyyppeihin, kun taas sekundaarinen rakenne viittaa paikalliseen taittumiseen tai kiertymiseen. Sekundäärisen rakenteen perustana on sen vahvat sekundääriset sidokset, joiden myötä lämpötilaa nostaessa polymeeri hajoaa muovautumisen sijasta. Tertiäärinen rakenne viittaa polymeeriketjujen kolmiulotteiseen järjestykseen tilassa, ja kvaternäärinen rakenne viittaa useiden polymeriketjujen järjestelyyn suuremmassa rakenteessa.
Polymeeri, joka koostuu vain yhdentyyppisistä monomeereistä on homopolymeeri. Jos polymeeri sisältää kahta tai useampaa erilaista monomeeriä, kutsutaan sitä kopolymeeriksi. Polymeerien rakenne ilmaistaan piirtämällä toistuva rakenneosa ilmoitetaan hakasulkeiden sisään ja kirjain n ilmoittaa, kuinka monta kyseistä rakenneosaa polymeerissä on.
Jos kaikki yhdisteen monomeerit ovat samanlaisia, polymeeri on isotaktinen, mutta jos polymeeri koostuu stereorakenteeltaan vuorottelevista monomeereista, se on syndiotaktinen. Jos stereorakenteeltaan erilaisilla monomeereilla ei ole järjestystä, polymeeri on ataktinen. Tässä radikaalipolymeroinnissa käytetään usein nimityksiä head to tail, head to head, tail to tail ja tail to head, jotka näkyvät kuvassa (2). Kuvassa (2) on kuvattu monomeerien insertioita, kun insertion aiheuttajana on radikaali-initaattori.
Elastomeerit kuuluvat polymeereihin ja ovat yksi yleisimmistä polymeerien tyypeistä kertamuovien ja kestomuovien lisäksi (kuvassa 3). Niillä on usein korkea moolimassa ja ei-järjestynyt pääketju. Ne lasiutuvat alle 0 °C:essa ja niiden käyttölämpötila on lasiutumislämpötilaa korkeampi. Elastomeerit voidaan jakaa rakenteen perusteella kolmeen eri ryhmään: tyydyttymättömät, tyydyttyneet ja termoplastiset elastomeerit. Tyydyttymättömissä elastomeereissä on pääketjussa tiheästi kaksoissidoksia. Ne ovat useimmiten hieman silloitettuja (vulkanoimalla rikillä), jolla pyritään lisäämään mekaanista kestävyyttä lasittumispisteen yläpuolella, eli käyttölämpötiloissa.
Tyydyttyneet elastomeerit eivät sisällä pääketjussaan kaksoissidoksia. Niiden silloitus tapahtuu monifunktionaalisella mono- tai polymeerillä (askelpolymerointi) tai joissain tapauksissa divinyylimonomeerit reagoivat ketjupolymeroinnilla. Tyydyttyneiden elastomeerien pääketju on ataktinen, joten sen polymerointi suoritetaan ei spesifisellä katalyytillä.
Termoplastiset elastomeerit taas koostuvat kovista kiteisistä ja jäykistä sekä pehmeistä amorfisistä segmenteistä. Tällöin ne ovat hyvin lujia, mutta taipuvat hieman ja niissä on hyvin vähän ristisiloittumista. Hyvin monet lineaariset ja haaroittuneet polymeerit ovat näitä termoplastisia elastomeerejä. Niitä ei rakenteensa myötä tarvitse silloittaa kovalenttisesti, vaan niiden työstäminen voidaan suorittaa suoraan sulatilassa. Erityistä näiden polymeerien rakenteelle on se, että niitä voidaan käyttää uudelleen ja muokata helposti.
Muovi on yhden tai useamman polymeerin seos, johon on lisätty tämän ominaisuuksia parantavia aineita. Kumi on polymeerien seos, jossa polymeeriketjujen lisäksi on ketjujen välisiä sidoksia. Myös kumin ominaisuuksia parannetaan lisäaineilla.
Polymeerien ollessa silloitettu, voidaan se luokitella kertamuoviksi, eli sen uudelleenkäyttö tai muokattavuus ei ole mahdollista.
Polymeerin rakenteen lisäksi sen koheesioenergialla on suuri vaikutus polymeerin ominaisuuksiin. Koheesioenergia on energiaa, joka vaaditaan erottamaan aineen hiukkaset toisistaan tietyn etäisyyden päässä. Koheesioenergiatiheyden ollessa alhainen ja molekyylin sisältäessä sivuketjuja, on polymeeri elastinen. Kun taas ketjut ovat jäykempiä (esimerkiksi isojen sivuryhmien myötä) ja koheesioenergia on korkeampi, on polymeeri tyypillinen muovi. Tällaisella muovilla tarkoitetaan arkikielessä muovia, joka on käsin taivuteltavissa, mutta pitää muotonsa helposti. Jos koheesioenergia on kuitenkin todella korkea, on materiaali lujaa. Tämän lisäksi, jos materiaali pystyy kiteytymään, soveltuu se todennäköisesti kuitujen valmistukseen. Näitä polymeerikuituja voidaan hyödyntää esimerkiksi rakenteelliseen lujitukseen (makrokuidut) tai siivousvälineissä (mikrokuidut).