Konformaatiot ja taipuisuus
Ketjun yksiköt voivat kiertyä yksinkertaisten sidosten ympäri kuin käärmeen nivelet. Siksi ketju muuttaa jatkuvasti muotoaan ja on yleensä kiertynyt keräksi. Mitä helpommin kierto tapahtuu, sitä taipuisampi ketju on.
Konformaatiot ovat makromolekyylin muotoja, jotka syntyvät kiertymisestä yksinkertaisten sidosten ympäri sidoksia katkaisematta. Ketjun taipuisuus riippuu kiertymisen energiavalleista, ja sitä kuvataan Kuhnin (tilastollisen) segmentin pituudella: mitä pidempi segmentti, sitä jäykempi ketju. Polyeteenin ketju on taipuisa, selluloosan jäykkä pyranoosirenkaiden ja molekyylinsisäisten vetysidosten vuoksi.
Amorfinen ja kiteinen
Jos ketjut ovat säännöllisiä, ne voivat asettua riveihin kuin kynät laatikossa: nämä ovat kiteisiä alueita. Missä järjestys rikkoutuu, ketjut ovat sotkussa: nämä ovat amorfisia alueita. Selluloosassa on molempia.
Supramolekulaarinen rakenne koostuu järjestäytyneistä kiteisistä ja järjestäytymättömistä amorfisista alueista; kiteisyysaste riippuu ketjun säännöllisyydestä ja käsittelyoloista. Kiteytyvät polymeerit muodostavat lamelleja, fibrillejä ja sferuliitteja. Makromolekyylien orientoituminen venytyksessä lisää voimakkaasti kuidun lujuutta sen akselin suunnassa; puussa orientoituneita kuituja ovat selluloosan mikrofibrillit.
Kolme fysikaalista tilaa
Kuumenna muovinpalaa painon alla. Aluksi se on kova ja taipuu tuskin lainkaan. Sitten se pehmenee ja muuttuu kumimaiseksi: se venyy mutta palautuu. Kun kuumennat lisää, se alkaa virrata.
Kuumennettaessa amorfinen lineaarinen polymeeri siirtyy lasimaisesta tilasta korkeaelastiseen (kumimaiseen) tilaan lasisiirtymälämpötilassa Tg ja kumimaisesta tilasta viskoosin virtauksen tilaan virtauslämpötilassa Tf. Muodonmuutoksen kuvaaja lämpötilan funktiona on termomekaaninen käyrä. Kumimainen tasanne levenee ketjujen pidentyessä; silloitetulla polymeerillä ei ole viskoosia virtausta.
Lasisiirtymä ja pehmittyminen
Jotkin aineet tunkeutuvat ketjujen väliin ja tekevät polymeeristä pehmeämmän: ne ovat pehmittimiä. Puun tärkein pehmitin on vesi. Siksi höyrytettyä puuta voi taivuttaa, ja kuivuttuaan se säilyttää muotonsa.
Pehmittimet alentavat lasisiirtymälämpötilaa lisäämällä segmenttien liikkuvuutta. Vesi pehmittää voimakkaasti puun amorfisia polymeerejä: kosteana hemiselluloosien pehmenemislämpötila laskee huoneenlämmön alapuolelle ja ligniinin pehmenemislämpötila alueelle, joka voidaan saavuttaa höyrytyksellä. Tähän perustuvat höyrytetyn puun taivutus ja termomekaaninen käsittely (hakkeen jauhaminen mekaaniseksi massaksi).
Polymeerit liuoksessa
Polymeeri liukenee hitaasti: ensin se turpoaa imemällä liuotinta, ja vasta sitten se liukenee. Silloitettu polymeeri ei koskaan pääse turpoamista pidemmälle.
Polymeerien liukeneminen alkaa turpoamisella; rajoittamaton turpoaminen muuttuu liukenemiseksi, kun taas rajoitettu turpoaminen on tyypillistä verkkoutuneille polymeereille. Liuoksessa makromolekyylit muodostavat keriä, joiden koko riippuu liuottimen laadusta. Polymeeriliuokset ovat hyvin viskooseja jo pienissä pitoisuuksissa.
Keskeiset tiedot
- taipuisuus
- Kuhnin segmentti
- selluloosa
- jäykkä ketju
- tilat
- lasimainen, kumimainen, virtaus
- Tg
- lasisiirtymä
- puun pehmitin
- vesi
- silloitettu polymeeri
- ei virtaa
Luvun lähteet
- Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
- Odian G. Principles of Polymerization. 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2004.
- Salmén L. Viscoelastic properties of in situ lignin under water-saturated conditions. Journal of Materials Science 19, 3090-3096 (1984).