Polümeerid ja polümerisatsioon

Polümeer on väga suur molekul (makromolekul), mis on ehitatud paljude väiksemate korduvate üksuste, mida nimetatakse monomeerideks, keemilisel ühendamisel protsessi kaudu nimega polümerisatsioon. Üksik polümeeriahel võib sisaldada sadadest miljonite monomeeriüksusteni, mis on omavahel otsast otsa ühendatud kovalentsete sidemetega, ja just see ahela pikkus annab polümeeridele nende iseloomuliku omaduste kombinatsiooni — painduvuse, sitkuse ja võime olla töödeldud kiledeks, kiududeks ja vormitud kujudeks —, mis eristub nii väikemolekulide tahketest ainetest kui lihtsatest vedelikest.

See, kuidas mahupolümeermaterjal kuumuse all käitub, sõltub kriitiliselt sellest, kas üksikud ahelad on üksteisega ristsidestatud. Termoplastis ei ole üksikud polümeeriahelad naaberahelatega kovalentselt seotud; neid hoiavad koos ainult võrdlemisi nõrgad molekulidevahelised jõud (van der Waalsi jõud, mõnikord vesiniksidemed) ahelate vahel, mis on muidu vabad üksteisest mööda libisema, kui saavad piisavalt soojusenergiat. Termoplasti kuumutamine üle iseloomuliku pehmenemistemperatuuri nõrgestab neid molekulidevahelisi jõude piisavalt, et ahelad saaksid üksteisest mööda voolata, lubades materjali sulatada ja ümber vormida; jahutamine taastab molekulidevahelised jõud ja materjal tahkub uuesti oma uues kujus, ilma ühtki kovalentset sidet katkestamata või moodustamata — seda tsüklit saab põhimõtteliselt korrata mitu korda, mis on täpselt põhjus, miks termoplaste nagu polüetüleen ja polüstüreen saab ringlusse võtta, neid ümber sulatades.

Termoreaktiivne polümeer käitub põhimõtteliselt erinevalt, kuna tema polümerisatsiooniprotsess, mida nimetatakse kõvenemiseks, moodustab naaberahelate vahele otse püsivad kovalentsed ristsidemed, lisaks kovalentsetele sidemetele iga ahela sees. Kord kõvenenuna ei ole termoreaktiivne polümeer enam tegelikult eraldi ahelate kogum, vaid on lähemal ühele, tohutule kolmemõõtmelisele kovalentsele võrgustikule, mis ulatub üle kogu materjalitüki. Kuna voolamine nõuaks kovalentsete sidemete katkestamist kogu selles võrgustikus, mitte lihtsalt nõrkade molekulidevaheliste jõudude ületamist, ei saa kõvenenud termoreaktiivset polümeeri sulatada ja ümber vormida — selle edasine kuumutamine kaldub sidemeid hävitavalt katkestama, põhjustades söestumist või lagunemist voolamise asemel, mis on põhjus, miks termoreaktiivseid plaste nagu epoksüvaigud ja vulkaniseeritud kumm hinnatakse kõrgtemperatuurse mõõtmestabiilsuse ja konstruktsioonilise jäikuse eest, hinnaga, et neid ei saa uuesti sulatada ega ümber töödelda nii, nagu termoplaste saab.