Amorphe vs. kristalline Polymere

Polymere unterscheiden sich aufgrund ihres hohen Molekulargewichts von anderen Arten von Materialien. Das Molekulargewicht ist der Wert, der verwendet wird, um die Größe eines Moleküls auszudrücken. Wasser beispielsweise hat ein Molekulargewicht von 18 atomaren Masseneinheiten. Polymere sind viel größer, mit Molekulargewichten im Bereich von Zehntausenden bis zu mehreren Millionen atomaren Masseneinheiten. Die schiere Größe von Polymeren hat einen großen Einfluss auf ihre einzigartigen Eigenschaften.

Eine wichtige Implikation der Polymergröße ist, wie sich Atome in verschiedenen Phasenzuständen verhalten. Kleinmolekulare Verbindungen haben drei Aggregatzustände – Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Die Teilchen eines Festkörpers sind dicht beieinander gepackt und haben nur eine sehr geringe Bewegung. Die Partikel einer Flüssigkeit sind dagegen lockerer gepackt und gleiten leichter aneinander vorbei. Und die Teilchen eines Gases sind sehr locker gepackt und bewegen sich mit großer Energie.

Große Moleküle verhalten sich wie Polymere anders, weil so viel mehr Atome miteinander interagieren können. Polymere werden beispielsweise nicht einfach als Feststoffe betrachtet – sie werden weiter in zwei Typen eingeteilt: amorph und kristallin. Darüber hinaus können einige polymere Feststoffe gleichzeitig amorph und kristallin sein. Diese überraschende Idee ist besonders wichtig für das Studium von Polymeren. In diesem Artikel erklären wir den Unterschied zwischen amorphen und kristallinen Polymeren und geben jeweils einige gängige Beispiele.

In der Polymerchemie ist die Morphologie ein Schlüsselfaktor, um die Unterscheidung zwischen amorphen und kristallinen Feststoffen zu beschreiben. Polymere mit amorpher Morphologie haben ihre Atome in einer lockeren Struktur zusammengehalten, aber diese Struktur ist nie geordnet oder vorhersehbar, weshalb Chemiker sagen werden, dass amorphe Festkörper keine Fernordnung haben.

Um dies besser zu verstehen, stellen Sie sich eine Polymerkette als ein Stück Spaghetti vor. Ein Stück ungekochte Spaghetti bildet eine schöne gerade Kette, aber wenn Sie es in kochendem Wasser kochen, wird die Kette weich und kann sich kompliziert falten. Kochen Sie eine ganze Schachtel Spaghetti und legen Sie die Nudeln in ein Sieb, und Sie erhalten einen wild zufälligen Haufen ineinander verschlungener "Polymere".

Chemiker nennen dies Kettenverschränkung, und in dieser Konfiguration gibt es keine Fernordnung – die Ketten sind zufällig im gesamten Material angeordnet, wodurch die Atompositionen quasi zufällig sind. Dies beschreibt, wie sich amorphe Polymere verhalten, und sie würden die Eigenschaften jedes anderen amorphen oder glasartigen Feststoffs zeigen.

In kristallinen Polymeren verhalten sich die Ketten anders. Sie bilden immer noch Falten, aber anstatt sich hoffnungslos zu verheddern, bilden sie geordnete Stapel gefalteter Ketten, sogenannte Lamellen. Lamellen bringen weitreichende Ordnung in Polymere, was eher der geordneten Anordnung von Atomen in typischen Kristallen entspricht. Interessanterweise haben einige Lamellen in bestimmten Polymeren eine kleine Anzahl von Ketten, die sich aus den ordentlichen Stapeln herausschlingen, ähnlich wie ein paar wilde Haare, die aus einer schön gepflegten Frisur herausragen. Dies erzeugt amorphe Bereiche in einem ansonsten kristallinen Polymer. Wir werden uns die Auswirkungen davon im nächsten Abschnitt ansehen.

Die meisten kristallinen Polymere haben amorphe Bereiche, was bedeutet, dass kristalline Polymere nie vollständig kristallin sind. Wissenschaftler beziehen sich oft auf den Kristallinitätsgrad eines Polymers, um zu beschreiben, wo es sich in diesem Spektrum befindet. Die Kristallinität kann von 0 Prozent (völlig amorph) bis 100 Prozent (völlig kristallin) reichen, aber die meisten Polymere liegen irgendwo zwischen diesen Extremen. Die Kettenflexibilität – sowohl die Biegung entlang der gesamten Kette als auch die Biegung in Bindungen zwischen Atomen – spielt eine große Rolle bei der Polymerkristallbildung. Wenn sich Ketten biegen und gegeneinander biegen, beeinflussen verschiedene anziehende und abstoßende Kräfte, wie sich Polymerketten entweder geordneter oder weniger geordnet anordnen.

Der Kristallinitätsgrad hängt direkt davon ab, ob ein Polymer wie ein typischer Feststoff schmilzt oder zwischen glasartigen und gummiartigen Zuständen übergeht. Hochkristalline Polymere haben einen eher traditionellen Schmelzpunkt, so dass sie beim Erhitzen eine bestimmte Temperatur erreichen, bei der die geordnete Anordnung ihrer langkettigen Struktur in eine zufällige und desorganisierte Anordnung übergeht. Dieser Wert ist normalerweise eine bestimmte Zahl, die als Schmelzpunkt oder T . bezeichnet wird _m .

Amorphe Feststoffe schmelzen beim Erhitzen nicht plötzlich. Stattdessen erreichen sie einen Temperaturbereich, bei dem das Material weniger glasig und gummiartiger wird oder umgekehrt. Infolgedessen haben amorphe Polymere keinen Schmelzpunkt – sie haben eine Glasübergangstemperatur oder T _g . Die Glasübergangstemperatur eines bestimmten Polymers kann als einzelne Temperatur aufgeführt werden, aber diese Zahl ist ein repräsentativer Wert, der einen Temperaturbereich repräsentiert.

Um die Glasübergangstemperatur anhand der Molekülbewegung zu erklären, würden wir sagen, dass bei Temperaturen unter T _g , die amorphen Polymerketten können sich nicht drehen oder im Raum bewegen (die gekochten Spaghetti sind gefroren und können sich nicht bewegen). Dadurch entsteht der glasige Zustand, der hart, starr und spröde ist. Wenn die Temperatur über T . steigt _g , können sich die verwickelten Ketten bewegen (kleine Portionen der Spaghetti-Nudeln können sich bewegen). Dies erzeugt einen gummiartigen Zustand, wenn ein amorphes Polymer weich und flexibel ist.