Kristalliniteit in Polimere
Op hierdie bladsy gesels ons net oor polimeer kristalle. Die tipe kristalle waarvan hier gepraat word is enige voorwerp waar die molekules gerangskik is in 'n reëlmatige orde en patroon. Ys is 'n kristal. In ys word al die water molekule op 'n spesifieke manier gerangskik. En ook tafelsout, of natriumchloried. (Snaaks genoeg, jou ma se duur kristal wynglase is glad nie kristal nie, aangesien glas 'n amorfe vaste stof is, d.w.s. waar die molekules in geen orde of patroon gerangskik is nie.)
Om te help om te verstaan wanneer daar van kristalle en amorfe vaste stowwe gepraat word, is dit nodig om eers huis toe te gaan. Ja, en dan sommer reguit na jou laai waarin jou sokkies gehou word. Party mense is baie netjies en presies, en as hulle hulle sokkies wegpak, word die sokkies netjies opgevou en op mekaar gestapel. En dan lyk die laai so:
Ander mense gee nie regtig om hoe hulle sokkies lyk as hulle in die laai lê nie, en gooi dan sommer al die sokkies los in die laai. Dan lyk die sokkies in die laai so:
Polimere is net soos sokkies. Soms word hulle netjies in 'n geordende manier gerangskik. As dit die geval is, sê ons die polimeer is kristallyn. Ander kere is daar geen orde nie, en die kettings is in mekaar verstrengel, soos die sokkies in die onderste foto. As die polimeer so lyk, sê ons die polimeer is amorf.
Ons praat op hierdie bladsy van die netjies en geordende kristallyne polimere.
Die vraag is nou in watter tipe rangskikkings vind ons in polimere?
Hulle hou daarvan om reguit uitgestrek te wees, amper soos 'n hoop planke wat op mekaar gestapel is.
Maar hulle kan nie altyd so reguit uitgestrek wees nie. Wel, meeste polimere kan nie so reguit strek nie, en die wat kan is ultra hoë molekulêre gewig poliëtileen, en aramiede soos Kevlar en Nomex. Meeste polimere kan egter net vir 'n kort entjie reguit uitstrek, voordat hulle terugvou op hulle self, soos in die voorstelling hier onder.
Vir poliëtileen sal die lengte wat die ketting strek ongeveer 100 angstroms (10 nm) wees voordat hulle terug vou.
Maar die kettings vou nie net so nie. Die polimeer vorm stapels van hierdie gevoude kettings. Hier onder is 'n voorstelling van so 'n stapel, wat 'n lamella genoem word:
Dinge is egter nie altyd so netjies nie. Soms is 'n deel van 'n ketting in 'n kristal ingesluit, en 'n ander deel nie. As dit gebeur kry ons iets wat sal lyk soos die prentjie hier onder. Die lamella is nou nie meer so netjies soos voorheen nie, want orals hang daar nou kettings uit!
Soms gebeur dit ook dat so 'n los polimeerketting eers na 'n tydjie weer by die lamella sal kom aansluit. As dit gebeur, sal dinge so lyk:
Hierdie is die sogenaamde skakelbord model van 'n polimeer kristallyne lamella. En wanneer die kettings dadelik terugvou soos ons in die eerste voorstelling gesien het, word dit die naasliggende ingang model genoem.
Amorfheid en Kristalliniteit
Wonder jy dalk oor iets? As jy na die voorstellings hier bo kyk, kan jy sien dat dele van die polimeer kristallyn is, en ander dele nie. Ja, meeste kristallyne polimere is nie ten volle kristallyn nie. Die kettings, of dele van kettings, wat nie in die kristalle is nie, het geen orde of rangskikking nie. Hierdie dele is dus in 'n amorfe toestand. 'n Kristallyne polimeer het dus twee komponente: die kristallyne deel en die amorfe deel. Die kristallyne deel is in die lamellae, en die amorfe deel buite die lamellae. As ons nou na 'n lamella vanuit 'n ander hoek kyk, kan ons sien hoe die amorfe en die kristallyne dele gerangskik is.
Soos jy kan sien, groei die lamella soos speke van 'n fietswiel uit 'n sentrale nukleus (die lamella word dan ook soms lamellêre fibrille genoem). Hulle groei eintlik in drie dimensies, en lyk dus meer soos 'n sfeer as 'n wiel. So 'n hele sfeer word dan ook 'n sferuliet genoem. In 'n monster van 'n kristallyne polimeer is daar biljoene sferuliete.
Tussen die kristallyne lamellae is daar dele waar daar geen orde in die rangskikking van die polimeer kettings is nie. Hierdie wanordelike dele is die amorfe dele waarvan daar voorheen gepraat is.
Soos jy ook hier bo kan sien, kan 'n enkele polimeerketting gedeeltelik in 'n kristallyne lamella wees, en gedeeltelik in die amorfe toestand. Party kettings begin selfs in een lamella, is deel van 'n amorfe streek of deel, en word dan weer deel van 'n volgende lamella. Hierdie kettings word verbindingsmolekules genoem.
Jy kan dus sien dat geen polimeer ten volle kristallyn is nie. As jy 'n plastiek maak, is dit 'n goeie ding. Kristalliniteit maak 'n materiaal sterk, maar ook bros. 'n Ten volle kristallyne materiaal sou te bros gewees het om as plastiek te gebruik. Die amorfe dele verskaf aan die polimeer die vermoë om te kan buig sonder om te breek.
Maar as ons vesels wil maak, soek ons polimere wat so kristallyn as moontlik is. Dit is omdat 'n vesel eintlik 'n lang kristal is. Wil jy meer weet? Besoek gerus die vesel bladsy!
Baie polimere is 'n mengsel van amorfe en kristallyne streke of dele, maar sommige is hoogs kristallyn, en ander hoogs amorf. Hier is 'n paar polimere wat na die uiterstes van die skaal neig:
'n Paar hoogs kristallyne polimere: 'n Paar hoogs amorfe polimere:
Sindiotaktiese polistireen Ataktiese polistireen
Kevlar en Nomex Poliisopreen
Hoekom is sekere polimere hoogs kristallyn en ander weer hoogs amorf? Daar is twee belangrike faktore wat 'n rol speel: polimeer struktuur en intermolekulêre kragte.
Kristalliniteit en polimeer struktuur
'n Polimeer se struktuur sal die kristalliniteit tot 'n groot mate beïnvloed. As die struktuur reëlmatig en georden is, sal die kettings maklik in kristalle pak. As dit nie so is nie, sal dit nie maklik kristalle vorm nie. Kom ons kyk na polistireen as 'n voorbeeld:
Soos jy kan sien op die lys hier bo, is daar twee tipes polistirene. Daar is ataktiese polistireen, en daar is sindiotaktiese polistireen. Een is hoogs kristallyn, en die ander baie amorf.
Sindiotaktiese polistireen is baie georden, met die fenielgroepe wat aan alternerende kante van die ketting val. Dit beteken dus dat dit baie maklik kristalle kan vorm.
Maar ataktiese polistireen het geen orde nie. Die fenielgroepe kan aan enige kant van die ketting voorkom, sonder enige orde. Dit beteken dus dat die kettings nie so goed langs mekaar kan inpas nie, en lewer dus 'n baie amorfe polimeer.
Ander ataktiese polimere soos polimetielmetakrilaat en polivinielchloried is ook amorf. En soos jy seker dan kan verwag, is reëlmatige polimere soos isotaktiese polipropileen en politetrafluoroetileen hoogs kristallyn.
Poliëtileen is nog 'n goeie voorbeeld. Dit kan of kristallyn of amorf wees. Liniêre poliëtileen is byna 100 % kristallyn. Maar die vertakte weergawe kan net nie so goed gerangskik word nie, en is dus hoogs amorf.
Kristalliniteit en intermolekulêre kragte
Intermolekulêre kragte kan van groot hulp wees vir 'n polimeer as die polimeer kristalle wil vorm. 'n Goeie voorbeeld is nylon. Jy kan sien op die voorstelling hier onder dat die polêre amiedgroepe in die ruggraatketting van nylon 6,6 baie sterk na mekaar aangetrek word. Hulle vorm baie sterk waterstofbindings, en hierdie sterk bindings hou die kristalle bymekaar.
Poliësters is nog 'n voorbeeld. Die voorbeeld wat ons van nader sal ondersoek is die polimeer poliëtileentereftelaat.
Die polêre estergroepe veroorsaak dat sterk kristalle gevorm word. Verder verkies die aromatiese ringe om bo-op mekaar in 'n ordelike manier gepak te word, wat help om die kristalle nog sterker te maak.
Onthou dat daar gesê is dat polimere bestaan uit beide kristallyne sowel as amorfe materiaal. Daar is 'n manier wat ons kan uitvind hoeveel van 'n polimeer monster is amorf en hoeveel is kristallyn. Hierdie metode word differensiële skandeer kalorimetrie genoem. Kliek hier vir meer inligting hieroor.