Hal apa yang Anda kaitkan dengan dunia modern dalam hal teknologi? Komputer, robot, pesawat ruang angkasa, organ buatan, kloning, dll. Penemuan dan penelitian di area ini dan lainnya seperti kilatan kembang api yang cerah - kita melihatnya, mendengarnya, dan terkagum-kagum bersama, mengatakan sesuatu seperti "wow" atau "wow, betapa keren". Dan ya, ketika Anda membaca bahwa setelah 5 tahun mereka berencana untuk melakukan transplantasi paru-paru buatan untuk seseorang, Anda mengerti bahwa kita hidup di dunia yang indah di mana segala sesuatu yang sebelumnya tidak mungkin menjadi nyata. Namun, hari ini kita akan berbicara tentang teknologi, yang kontribusinya bagi kehidupan kita telah menjadi sangat besar, meskipun sekarang kita menerima begitu saja. Ini akan menjadi tentang polimer buatan. Lebih tepatnya, sintesis spontan dari jaringan polimer termoset homogen. Tampaknya bagi seseorang bahwa ini adalah bahasa kotor ilmiah yang sulit dirasakan, tetapi tidak semuanya begitu rumit dan jauh lebih menarik di sini. Mari kita lihat bagaimana para ilmuwan berhasil menciptakan jenis polimer baru dan apa yang istimewa dari mereka. Ayo pergi.
Latar belakangTapi pertama-tama, penyimpangan kecil ke dalam sejarah atau terminologi.
Polimer bukan zat antropogenik, yaitu, mereka tidak diciptakan oleh manusia dalam bentuk aslinya. Polimer mengelilingi kita jauh sebelum zaman keemasan sains atau revolusi industri. Protein, polisakarida, asam nukleat dan sebagainya - semua ini adalah polimer, lebih tepatnya biopolimer. Ini adalah kelas polimer yang ada di semua organisme, tanaman, atau hewan. Kami sendiri terdiri dari biopolimer.
Contoh mencolok biopolimer adalah heliks ganda DNA.Polimer adalah zat yang terdiri dari unit monomer yang diikat menjadi makromolekul panjang.
Jika kita berbicara tentang hubungan antara manusia dan polimer, sebagai objek penelitian, maka sejarah muncul cukup lama. Kembali di pertengahan abad ke-19, ilmuwan Alexander Butlerov adalah yang pertama melakukan percobaan dengan polimerisasi, dengan demikian membuktikan secara empiris bahwa adalah mungkin untuk mengubah struktur molekul, sementara komposisi dan beratnya akan tetap sama. Karya ini adalah konfirmasi pernyataannya, yang kemudian tumbuh menjadi "teori struktur kimia."
Dasar-dasar teori Butlerov:
- Berdasarkan valensi mereka, atom-atom dalam molekul terhubung satu sama lain dalam urutan tertentu. Urutan ini disebut struktur kimia.
- Sifat-sifat suatu zat tidak hanya bergantung pada atom mana yang membentuknya, tetapi juga pada urutan koneksi atom dalam molekul.
- Mengetahui sifat-sifat suatu zat, seseorang dapat menentukan struktur molekulnya. Begitu juga sebaliknya.
- Atom dan kelompoknya saling memengaruhi di dalam molekul.
Alexander Mikhailovich ButlerovPenemuan semacam itu menjadi pandangan yang benar-benar baru secara radikal pada struktur zat dan berfungsi sebagai landasan bagi teori modern struktur kimia.
Kemudian, pada tahun 1906, ahli kimia Amerika Leo Bakeland menerima resin bakelite, produk kondensasi fenol dan formaldehida. Ini adalah penampilan pertama dari polimer organik sintetis.
Maka dimulailah perjalanan panjang dan sukses polimer sintetik. Seiring waktu, semakin banyak spesies baru yang muncul, memiliki sifat yang lebih dan lebih menonjol. Sekarang, untuk menunjukkan prevalensi polimer, Anda hanya perlu melihat-lihat. Dan tidak masalah apakah Anda di rumah atau di luar ruangan, ada polimer buatan hampir di mana-mana: pena alat tulis, kasing komputer, suku cadang di dalam mobil, tas belanjaan, popok, dan banyak lagi.
Penemuan ini, meskipun sekarang kita anggap remeh, pernah membuat revolusi nyata dalam kimia, yang menyebabkan revolusi dalam berbagai teknologi dan kehidupan kita secara keseluruhan.
Dasar-dasar belajarStudi ini berfokus pada kategori spesifik polimer sintetik - termoseting. Sebaliknya, polimer termoplastik ada.
Molekul polimer termoseting memiliki struktur linier, seperti molekul polimer termoplastik. Namun, ada perbedaan penting: molekul-molekul yang pertama dapat bergabung menjadi kelompok-kelompok. Di bawah tindakan tertentu, sebagai suatu peraturan, pemanasan, jaringan spasial kontinu (homogen) terbentuk, sehingga struktur molekul polimer termoseting menjadi non-linear.
Omong-omong, resin bakelite, yang kami sebutkan sebelumnya, merujuk secara khusus pada polimer termoseting.
Perbedaan penting antara polimer termoplastik dan termoseting adalah bahwa ketika dipanaskan, yang pertama melunak dan meleleh, dan mengeras saat didinginkan. Tetapi polimer thermosetting bila terkena kerusakan kimia yang tidak dapat dikembalikan, tetapi tidak meleleh.
Polimer termoseting memiliki beberapa keunggulan (harga murah, ketahanan terhadap faktor eksternal, dll.) Dan, tentu saja, kerugian (toksisitas, kerapuhan, proses pembentukan yang panjang, dll.).
Pembuatan polimer termoset homogen akan dibahas dalam penelitian hari ini. Para ilmuwan memutuskan untuk meningkatkan proses ini dengan menyederhanakannya. Metode membuat struktur jaringan dari
polimer monodispersed * sangat sederhana - mencampurkan senyawa yang diperlukan. Dengan kata lain, vinaigrette kimia, bahan-bahan yang Anda pilih secara eksperimental untuk mencapai "rasa" sempurna dalam output.
Polimer monodispersed * - polimer yang terdiri dari makromolekul identik.
Untuk mencapai tujuan ini, para ilmuwan menggabungkan
polimerisasi * dengan laju reaksi tinggi dan
ikatan silang * dengan laju reaksi yang rendah (dibandingkan dengan polimerisasi). Poin penting adalah bahwa kedua reaksi memiliki katalis yang sama.
Polimerisasi * adalah proses menciptakan senyawa dengan berat molekul tinggi, ketika molekul monomer secara berurutan menempel pada pusat aktif di ujung rantai yang sedang tumbuh, yang membentuk molekul polimer.
Crosslinking * adalah reaksi pembentukan ikatan kimia transversal makromolekul dengan pembentukan jaringan spasial.
Para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan karya kolega dan pendahulu mereka dalam pekerjaan mereka. Khususnya, polimerisasi radikal dalam mode rantai hidup, ketika dimungkinkan dalam waktu singkat untuk mendapatkan varian polimer monodispersed yang paling diperlukan untuk penelitian ini.
Skema pembuatan polimerSelama percobaan, sampel jaringan polimer diperoleh, terdiri dari polimer dengan
MMP kecil
* , menggunakan metode
inisiator multifungsi
* dan
terminator multifungsi
* .
MMP * - distribusi berat molekul adalah rasio makromolekul dari berbagai berat molekul dalam polimer.
Inisiator * - zat yang mudah terurai menjadi radikal bebas. Ini digunakan untuk memulai polimerisasi radikal dengan menambahkan zat ini (tidak lebih dari 1% berat monomer).
Terminator * - suatu zat yang merupakan dasar dari reaksi terminasi ketika pembentukan zat antara reaktif pada tahap pembuatan rantai selama polimerisasi berhenti.
Dalam percobaan ini, untuk penghentian, polimer dengan MMP kecil disiapkan terlebih dahulu dengan polimerisasi radikal dalam mode rantai hidup. Kemudian polimer-polimer ini dihubungkan ke beberapa rantai polimer untuk membentuk polimer berbentuk bintang (diagram di atas, gambar
c ). Setelah mencampurkan "bahan-bahan" yang diperlukan, dua reaksi berturut-turut terjadi pada laju yang berbeda (seperti yang disebutkan sebelumnya), yang mengarah pada pembentukan gel polimer dengan jaringan yang relatif homogen struktur.
Hasil percobaanDMF / H 2 O: evaluasi rasio optimal komponenSelama polimerisasi monomer vinil menggunakan tembaga (sebagai katalis) dan senyawa organik terhalogenasi (sebagai inisiator) dalam larutan
dimetilformamida * (DMF) dan air, reaksi
disproporsionasi terjadi pada tembaga, yang mengarah pada polimerisasi radikal dalam mode rantai hidup yang dimulai dengan transfer elektron.
Dimethylformamide * - (CH 3 ) 2 NC (O) H adalah zat organik, yang dalam hal ini digunakan sebagai pelarut untuk membuat polimer.
Disproportionation * - reaksi kimia ketika satu elemen bertindak sebagai zat pengoksidasi dan zat pereduksi pada saat yang bersamaan.
Teknik ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan jumlah yang cukup dari polimer yang diinginkan dalam waktu singkat.
Menggunakan pada polimerisasi inisiator multifungsi (tetra pentaerythritol 2-chloropropionate - C
37 H
68 O
8 ) dalam mode rantai hidup yang diprakarsai oleh transfer elektron, adalah mungkin untuk mensintesis polimer berbentuk bintang dari empat polimer monodispersi.
Untuk memeriksa bagaimana komposisi larutan mempengaruhi proses polimerisasi, C
37 H
68 O
8 digunakan sebagai inisiator dalam larutan dimethylformamide (DMF) dan air (H
2 O), ketika proporsi DMF adalah 25, 50, atau 75 vol%. Selain itu, N-isopropylacrylamide ((C
6 H
11 NO)
n ) digunakan sebagai monomer vinil untuk membentuk polimer termoseting. Suhu polimerisasi adalah 4 ° C.
Gambar No. 1:
a) adalah diagram proses konversi monomer menjadi polimer tergantung pada waktu reaksi;
b) pertimbangan polimerisasi sebagai reaksi utama berdasarkan diagram a;
c) adalah rasio berat molekul rata-rata dari polimer yang diperoleh dan konversi (konversi monomer menjadi polimer);
d) adalah hubungan antara distribusi berat molekul (MMP) dan konversi.Grafik di atas bersama-sama menunjukkan proses polimerisasi, di mana C
37 H
68 O
8 , (C
6 H
11 NO)
n dan CuCl (tembaga klorida) bertindak sebagai katalis, dan C
12 H
30 N
4 sebagai
ligan * . Baik katalis dan ligan dilarutkan dalam sistem pelarut dengan komposisi DMF / H2O yang berbeda dalam argon.
Ligan * - molekul, atom atau ion yang terkait dengan pusat tertentu.
Setelah mencampur semua komponen, polimerisasi N-isopropylacrylamide dilanjutkan. Ketika proporsi DMF mencapai 25%, hampir semua N-isopropil akrilamida digunakan setelah 2 jam.
Pada konsentrasi DMF 50%, prosesnya sedikit melambat, tetapi sekitar 95% N-isopropylacrylamide digunakan setelah 4 jam. Penurunan signifikan dalam indikator ini (67% dalam 24 jam) sudah diamati dengan pangsa DMF 75%.
Analisis data menunjukkan bahwa untuk mencapai hasil polimerisasi terbaik, fraksi DMF harus dari 25 hingga 50 vol.%. Sudah pada 60 vol.% Indeks MMP meningkat pada paruh kedua proses, dan pada 75 vol.% - seluruh proses sangat rumit dan melambat.
Efek komposisi dan suhu pelarut pada pembengkakan gel polimerPolimer memiliki sifat untuk membengkak, yaitu untuk meningkatkan volumenya karena penyerapan cairan, sambil mempertahankan sifat non-fluiditasnya.
Dalam hal ini, sangat penting bahwa pelarut memiliki kualitas yang sesuai, untuk berbicara. Karena polimer mengumpulkan dan mengendapkan selama sintesis gel dalam pelarut tersebut, ini mencegah pembentukan gel polimer dengan struktur jaringan yang homogen. Artinya, hasil dari tindakan ini akan sepenuhnya berlawanan dengan apa yang diharapkan.
Untuk percobaan, kami menggunakan polimer gel silindris yang dibuat oleh polimerisasi radikal klasik dengan metilen bisakrilamida (C7H10N2O2) sebagai agen "pengikat silang".
Sampel gel ini disiapkan dalam air pada suhu 4 ° C. Suhu ini tidak disengaja. Pada suhu 4 ° C, air menjadi pelarut yang sangat baik untuk polimer uji. Karena itu, selain rasio komponen pelarut, suhu juga berperan penting.
Gambar No. 2Grafik di atas menunjukkan tingkat pembengkakan gel polimer pada suhu yang berbeda dan pelarut DMF / H2O dengan komposisi yang berbeda. Tingkat pembengkakan (
L / L0 ) adalah rasio panjang gel polimer pada saat persiapan (
L0 ) dan dalam kondisi tertentu (
L ) ditetapkan secara eksperimental.
Pada suhu ≤ 35 ° C dan ≤ 50 vol.% DMF, jika volume air meningkat, gel mulai membengkak secara aktif, tetapi ketika suhu naik hingga 40 ° C berkontraksi.
Jika vol.% DMF sama dengan atau lebih besar dari 50, pengaruh suhu menjadi kurang terlihat, namun pembengkakan masih terjadi jika volume DMF sangat besar.
Ketika indeks pembengkakan L / L0 ≤ 1, menjadi tidak mungkin untuk mendapatkan gel polimer yang diinginkan, yaitu, indikator ini harus sama dengan atau lebih besar dari 1. Dan ini sesuai dengan kondisi berikut: suhu tidak lebih tinggi dari 20 ° C, dan persentase volume DMF dalam pelarut tidak lebih tinggi dari 50% .
Membuat gel polimer homogenSelain senyawa-senyawa di atas, tetraallyl glycolauryl (TA-G), komponen dari kelompok radikal alil, digunakan dalam pembuatan gel polimer masa depan.
Dalam proses percobaan, viskositas meningkat secara bertahap, tetapi campuran uji tetap dalam larutan sampai tanda 5 jam dari awal percobaan. Pada titik ini, C
37 H
68 O
8 mengaktifkan polimerisasi. Namun, dengan fraksi volume DMF 25 vol.%, Solidifikasi sampel terjadi hanya setelah 6 jam.
Gambar No. 3: proses curing gel pada 25 vol.% DMF dan suhu 4 ° C.Dalam hal ini, TA-G bertindak sebagai terminator yang menyelesaikan proses polimerisasi, sehingga membentuk gel polimer. Untuk mencapai hasil ini, 5 ekuivalen TA-G dalam C
37 H
68 O
8 ditambahkan.
Jika hanya 1 setara TA-G digunakan, viskositas meningkat, tetapi solidifikasi tidak pernah diamati. Pada 2 TA-G - viskositas parsial diamati, pada 3 atau lebih - penuh, dan pada 5 - gel polimer transparan dan elastis diperoleh.
Gambar No. 4Gambar
4a menunjukkan struktur kimia C
37 H
68 O
8 dan TA-G.
4b adalah hasil kromatografi eksklusi polimer yang diperoleh dengan hidrolisis polimer bintang.
4c menunjukkan hasil kromatografi eksklusi polimer yang diperoleh dengan hidrolisis jaringan polimer.
Video di atas menunjukkan 2 sampel gel polimer: eksperimental (biru) dan diperoleh dengan polimerisasi radikal konvensional (putih). Seperti yang bisa kita lihat, perbedaannya cukup jelas. (
Tautan unduhan untuk video (otomatis) )
Laporan oleh para ilmuwan tentang studi ini tersedia di
sini .
Dan bahan tambahan untuk itu - di
sini .
EpilogPara ilmuwan telah berhasil membuat jenis baru gel polimer termoset homogen dengan sifat luar biasa. Selain itu, metode pembuatannya juga ditingkatkan oleh mereka sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk membuat sejumlah besar gel dalam waktu singkat.
Bahan ini secara unik secara tidak sengaja digunakan dalam berbagai teknologi, dari kedokteran hingga eksplorasi ruang angkasa. Tidak ada keraguan tentang ini, tetapi para peneliti tidak akan terburu-buru, karena penemuan ini membutuhkan penyempurnaan, meskipun hasilnya sudah mengejutkan.
Mengingat penelitian ini, serta pekerjaan di bidang kecerdasan buatan, penggunaan bakteri dalam berbagai teknologi, dll., Anda mulai berpikir tentang fakta bahwa Flabber (komedi 1997) bukan fiksi ilmiah.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?