חומרים פולימריים

פולימרים המופיעים באופן טבעי - אלה שמקורם בצמחים ובעלי חיים - היו בשימוש במשך מאות שנים; חומרים אלה כוללים עץ, גומי, כותנה, צמר, עור ומשי. פולימרים טבעיים אחרים כגון חלבונים, אנזימים, ועמילנים חשובים בתהליכים ביולוגיים ופיזיולוגיים בצמחים ובבעלי חיים. הרבה מהפלסטיק, הגומי וחומרי הסיבים השימושיים שלנו הם פולימרים סינתטיים. ניתן לייצר את החומרים הסינתטיים בזול, ומאפייניהם ניתנים לשליטה במידה רבה, כך שלרוב שהם עדיפים על מקביליהם הטבעיים.

מולקולות פולימר

המולקולות בפולימר לרוב ענקיות ביחס למולקולות כמו מתאן (); לכן הם לרוב נקראים מאקרומולקולות. בתוך כל מולקולה, אטומים מחוברים יחדיו ע”י קשרים קוולנטיים. מולקולות אלה מורכבות ממספר מולוקולות קטנות (מונומרים).

book

מבנים מולקולריים

התכונות הפיזיקליות של פולימר תלויים במספר משתנים - בינהם המבנה של שרשראות המולקולות שלהם:

פולימר לינארי

book

בפולימר לינארי המונומרים מחוברים מקצה לקצה בשרשראות יחידות. שרשראות אלו הן גמישות. כמו ספגטי.

פולימר מסועף

book

ניתן להנדס פולימרים בצורה כך ששרשראות משניות מחוברות לשרשראות מרכזיות. קשה יותר לדחוס את המבנה הזה, ולכן הוא לרוב בעל צפיפות נמוכה יותר.

פולימר מצולב

book
בפולימר מצולב, שרשראות לינאריות שכנות מקושרות אחת לשנייה במרחקים שונים ע”י קשרים קוולנטיים. רוב חומרי הגומי האלסטיים הם פולימרים מצולבים.

אחוז גבישיות

המצב הגבישי יכל להתקיים בתוך חומרים פולימרים. אבל, מאחר וישנם גם מולקולות במקום רק אטומים או יונים (כמו במתכות), המבנה האטומי יהיה יותר מסובך עבור פולימרים. ניתן לחשוב על גבישיות הפולימר כהאריזה של שרשראות מולקולות לייצור שרשרת אטומית מסודרת.

book

סידור שרשראות מולקולות בתא יחידה עבור פוליאתילן.

חומרים מולקולריים בעלי מולקולות קטנות (למשל מים) לרוב גבישיים לחלוטין (כמוצק) או אמורפיים ( לא גבישיים) לחלוטין (כנוזל). כתוצאה מגודלם ומורכבותם, מולקולות פולימריים לרוב רק גבישיים חלקית, ובעלי אזורים גבישיים מפוזרים בתוך שאר האזור האמורפיים.

מידת הגבישיות נעה בין אמורפיות מוחלטת לכמעט (כ-95%) גבישי. הצפיפות של פולימר גבישי יהיה יותר גבוה מאשר הצפיפות של אותו החומר כאשר הוא אמורפי, מאחר והשרשראות דחוסות יותר עבור המבנה הגבישי. אחוז הגבישיות ניתן לקביעה ע”י מדידת הצפיפויות:

נוסחה:

כאשר הוא הצפיפות של הדגם, הוא צפיפות כלל החומר האמורפי, ו- הוא הצפיפות של הפאזה הגבישית.

היתוך ומעבר זכוכיתי

ההתכה של פולימר היא המעבר של חומר מוצק, בעל מבנה של שרשראות מולקולות מיושרות, לנוזל צמיגי בו המבנה מאוד רנדומלי. תופעה זו מתרחשת בטמפרטורות ההתכה, .

מעבר זכוכיתי מתרחש בחלקים האמורפיים (הלא מסודרים) של הפולימר, והוא קורה כתוצאה מירידה בתנועה של קטעים גדולים משרשראות המולקולות עם ירידת הטמפרטורה.

בקירור, המעבר הזכוכיתי הוא מעבר מנוזל לחומר צמיגי, ומשם למוצק. הטמפרטורה בה הפולימר עובר את תהליך זה נקראת טמפרטורת המעבר הזכוכיתי, .

פולימרים תרמוסטיים, תרמופלסטיים ואלסטומריים

התגובה של פולימר לכוח מכני בטמפרטורות גבוהות תלויות במבנה המולקולרי העיקרי שלהם. דרך אחת לסווג את החומרים היא לפי התנהגותם בטמפרטורות גבוהות.

פולימר תרמופלסטי - פולימר לינארי או מסועף עם ועם . ניתן לעיבוד ולמחזור.

פולימר תרמוסטי - פולימר עם קשרים מצולבים בצפיפות גבוהה. לרוב אין לו כלל ויישרף בחימום גבוה. ניתן לעצב את הפולימר רק בזמן הפילמור (בזמן יצירת הפולימר). לא ניתן למחזרו, אך הוא בעל חוזק ופריכות גבוהים מאוד, ועמיד מאוד לשחיקה (למשל, צמיגים של רכבים).

אלסטומר - (גומי) בעל מעט מאוד קשרי צילוב. יכל להימתך במאות אחוזים ביחס לגודלו ההתחלתי ולחזור בשחרור למימדיו ההתחלתיים. מודול האלסטיות שלו גדל עם ההתארכות. בעל הנמוך מטמפרטורות החדר.

book

גרף מאמץ עיבור של:
פולימר תרמופלסטי -
פולימר תרמוסטי -
אלסטומר -

קופולימרים

קופלימורים הם פולימרים בהם שני מונומרים שונים מחוברים יחדיו בצורות שונות:

  1. לחילופין:
    book
  2. אקראית:
    book
  3. מקטעית:
    book

עבור קופילמרים, בהינתן טמפרטורת המעבר הזכוכיתית של שני הפולימרים המרכיבים אותם, ניתן לחשב את טמפרטורות המעבר הזכוכיתית של הקופולימר:

נוסחה:

כאשר היא טמפרטורת המעבר הזכוכיתית של הקופולימר (ב-), היא טמפרטורת המעבר הזכוכיתית של כל אחד ממרכיבי הקופולימר (ב-), ו- הוא השבר המשקלי של כל אחד ממרכיבי הקופולימר.