توصيف البوليمر

يُعد توصيف البوليمرات الفرع التحليلي لعلم البوليمرات .

يهتم هذا التخصص بتوصيف المواد البوليمرية على مستويات متعددة. ويهدف التوصيف عادةً إلى تحسين أداء المادة. ولذلك، ينبغي ربط العديد من تقنيات التوصيف بالخصائص المرغوبة للمادة، مثل المتانة، وعدم النفاذية، والاستقرار الحراري، والخصائص البصرية. ^{[ 1 ]}

تُستخدم تقنيات التوصيف عادةً لتحديد الكتلة الجزيئية ، والبنية الجزيئية، والشكل الجزيئي ، والخواص الحرارية، والخواص الميكانيكية. ^{[ 2 ]}

تختلف الكتلة الجزيئية للبوليمر عن الجزيئات العادية، إذ تُنتج تفاعلات البلمرة توزيعًا للأوزان الجزيئية والأشكال. ويمكن تلخيص توزيع الكتل الجزيئية باستخدام متوسط ​​الوزن الجزيئي العددي، ومتوسط ​​الوزن الجزيئي الوزني، ومعامل تشتت الوزن الجزيئي . ومن أكثر الطرق شيوعًا لتحديد هذه المعايير قياسات الخواص التجميعية ، وتقنيات تشتت الضوء الساكن ، وقياس اللزوجة ، وفصل الجزيئات حسب الحجم .

تُعدّ كروماتوغرافيا نفاذية الهلام ، وهي نوع من كروماتوغرافيا الاستبعاد الحجمي، تقنيةً مفيدةً للغاية تُستخدم لتحديد معايير توزيع الوزن الجزيئي مباشرةً بناءً على الحجم الهيدروديناميكي للبوليمر . وكثيرًا ما تُستخدم كروماتوغرافيا نفاذية الهلام بالتزامن مع تقنيات تشتت الضوء متعدد الزوايا (MALS) وتشتت ضوء الليزر بزاوية منخفضة (LALLS) و/أو قياس اللزوجة لتحديد توزيع الوزن الجزيئي بشكل مطلق (أي بشكل مستقل عن تفاصيل الفصل الكروماتوغرافي)، بالإضافة إلى نسبة التفرع ودرجة تفرع السلسلة الطويلة للبوليمر، شريطة توفر مذيب مناسب. ^{[ 3 ]}

يُعدّ تحديد الكتلة المولية للبوليمرات المشتركة إجراءً أكثر تعقيدًا. تنشأ هذه التعقيدات من تأثير المذيب على البوليمرات المتجانسة، وكيف يؤثر ذلك على بنية البوليمر المشترك. يتطلب تحليل البوليمرات المشتركة عادةً استخدام طرق توصيف متعددة. على سبيل المثال، تتطلب البوليمرات المشتركة ذات التفرعات قصيرة السلسلة، مثل البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (وهو بوليمر مشترك من الإيثيلين وألكين أعلى مثل الهكسين أو الأوكتين)، استخدام تقنيات الفصل التحليلي بالاستخلاص الحراري التصاعدي (ATREF). تكشف هذه التقنيات عن كيفية توزيع التفرعات قصيرة السلسلة على مختلف الأوزان الجزيئية. يُمكن إجراء تحليل أكثر كفاءة للكتلة الجزيئية وتركيب البوليمر المشترك باستخدام كروماتوغرافيا الاستبعاد الحجمي (GPC) مع نظام كشف ثلاثي يشمل تشتت الضوء متعدد الزوايا ، وامتصاص الأشعة فوق البنفسجية، وقياس الانكسار التفاضلي، إذا كان البوليمر المشترك مكونًا من بوليمرين أساسيين يُظهران استجابات مختلفة للأشعة فوق البنفسجية و/أو معامل انكسار مختلف. ^{[ 4 ]}

تُستخدم العديد من التقنيات التحليلية المستخدمة لتحديد البنية الجزيئية للمركبات العضوية المجهولة في توصيف البوليمرات أيضًا. وتُستخدم تقنيات التحليل الطيفي، مثل مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية ، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء ، ومطيافية رامان ، ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي ، ومطيافية رنين الدوران الإلكتروني ، وحيود الأشعة السينية ، ومطيافية الكتلة ، لتحديد المجموعات الوظيفية الشائعة.

تُعدّ مورفولوجيا البوليمر خاصية مجهرية تتحدد إلى حد كبير بالأجزاء غير المتبلورة أو المتبلورة من سلاسل البوليمر وتأثيرها المتبادل. وتُعدّ تقنيات المجهر مفيدة بشكل خاص في تحديد هذه الخصائص المجهرية، حيث إن النطاقات التي تُنشئها مورفولوجيا البوليمر كبيرة بما يكفي لرؤيتها باستخدام أجهزة المجهر الحديثة. ومن أكثر تقنيات المجهر شيوعًا: حيود الأشعة السينية ، والمجهر الإلكتروني النافذ ، والمجهر الإلكتروني الماسح النافذ ، والمجهر الإلكتروني الماسح ، ومجهر القوة الذرية .

تُعدّ مورفولوجيا البوليمرات على المستوى المتوسط ​​(من النانومترات إلى الميكرومترات) ذات أهمية بالغة للخواص الميكانيكية للعديد من المواد. ويُعتبر المجهر الإلكتروني النافذ ، بالإضافة إلى تقنيات التلوين ، وكذلك المجهر الإلكتروني الماسح ، ومجهر المسح المجهري ، أدوات مهمة لتحسين مورفولوجيا مواد مثل بوليمرات البولي بوتادين - بوليسترين والعديد من مزائج البوليمرات.

لا يُعد حيود الأشعة السينية فعالاً بشكل عام مع هذه الفئة من المواد، لأنها إما غير متبلورة أو ضعيفة التبلور. ويمكن استخدام تقنية تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة ( SAXS ) لقياس الفترات الطويلة للبوليمرات شبه المتبلورة.

يُعد التحليل الحراري ، ولا سيما المسعر التفاضلي الماسح، أداةً أساسيةً في توصيف البوليمرات . فالتغيرات في المعايير التركيبية والبنيوية للمادة تؤثر عادةً على انتقالات انصهارها أو انتقالاتها الزجاجية، والتي بدورها ترتبط بالعديد من معايير الأداء. وبالنسبة للبوليمرات شبه البلورية، يُعد التحليل الحراري طريقةً مهمةً لقياس درجة التبلور. كما يُمكن أن يُعطي التحليل الوزني الحراري مؤشرًا على استقرار البوليمر الحراري وتأثيرات الإضافات، مثل مثبطات اللهب. أما تقنيات التحليل الحراري الأخرى، فهي عادةً ما تكون مزيجًا من التقنيات الأساسية، وتشمل التحليل الحراري التفاضلي ، والتحليل الحراري الميكانيكي ، والتحليل الحراري الميكانيكي الديناميكي، والتحليل الحراري العازل .

تعتبر التحليلات الطيفية الميكانيكية الديناميكية والتحليلات الطيفية العازلة امتدادات أساسية للتحليل الحراري الذي يمكنه الكشف عن تحولات أكثر دقة مع درجة الحرارة حيث أنها تؤثر على المعامل المركب أو الوظيفة العازلة للمادة.

يشير توصيف الخواص الميكانيكية في البوليمرات عادةً إلى قياس قوة المادة البوليمرية ومرونتها ولزوجتها المرنة وتباين خواصها. وتعتمد الخواص الميكانيكية للبوليمر اعتمادًا كبيرًا على تفاعلات فان دير فالس بين سلاسل البوليمر، وقدرة هذه السلاسل على الاستطالة والاصطفاف في اتجاه القوة المؤثرة. كما تؤثر ظواهر أخرى، مثل ميل البوليمرات لتكوين تشققات دقيقة، على الخواص الميكانيكية. وعادةً ما تُصنف المواد البوليمرية إلى مطاطات أو لدائن أو بوليمرات صلبة، وذلك بناءً على خواصها الميكانيكية. ^{[ 5 ]}

تُعدّ مقاومة الشد ، ومقاومة الخضوع ، ومعامل يونغ مقاييس للقوة والمرونة، وهي ذات أهمية خاصة لوصف خصائص الإجهاد والانفعال للمواد البوليمرية. ويمكن قياس هذه الخصائص من خلال اختبار الشد. ^{[ 6 ]} بالنسبة للبوليمرات البلورية أو شبه البلورية ، يلعب التباين دورًا كبيرًا في الخصائص الميكانيكية للبوليمر. ^{[ 7 ]} ويمكن قياس بلورية البوليمر باستخدام المسعر التفاضلي الماسح . ^{[ 8 ]} أما بالنسبة للبوليمرات غير المتبلورة وشبه البلورية، فعند تطبيق الإجهاد، تتفكك سلاسل البوليمر وتصطف. إذا طُبّق الإجهاد في اتجاه اصطفاف السلاسل، فإن سلاسل البوليمر ستُظهر مقاومة خضوع ومقاومة أعلى، حيث تمتص الروابط التساهمية التي تربط هيكل البوليمر الإجهاد. ومع ذلك، إذا طُبّق الإجهاد عموديًا على اتجاه اصطفاف السلاسل، فإن تفاعلات فان دير فالس بين السلاسل ستكون مسؤولة بشكل أساسي عن الخصائص الميكانيكية، وبالتالي، ستنخفض مقاومة الخضوع. ^{[ 9 ]} يمكن ملاحظة ذلك في منحنى الإجهاد والانفعال الناتج عن اختبار الشد. لذا، فإن تحضير العينة، بما في ذلك توجيه السلاسل داخلها، لاختبارات الشد، يلعب دورًا كبيرًا في الخصائص الميكانيكية المرصودة.

يمكن تقييم خصائص الكسر للبوليمرات البلورية وشبه البلورية باستخدام اختبار شاربي للصدم . تُجرى اختبارات شاربي، التي يمكن استخدامها أيضًا مع أنظمة السبائك، عن طريق إحداث شق في العينة، ثم استخدام بندول لكسرها عند هذا الشق. يمكن استخدام حركة البندول لاستقراء الطاقة التي امتصتها العينة لكسرها. كما يمكن استخدام اختبارات شاربي لتقييم معدل الإجهاد عند الكسر، وذلك بقياس التغيرات في كتلة البندول. عادةً ما تُستخدم اختبارات شاربي لتقييم البوليمرات الهشة والبوليمرات ذات الليونة المتوسطة فقط. بالإضافة إلى طاقة الكسر، يمكن تقييم نوع الكسر بصريًا، أي ما إذا كان الكسر كسرًا كليًا للعينة أو كسرًا جزئيًا فقط، مع بقاء الأجزاء المشوهة بشدة متصلة. لا تُستخدم اختبارات شاربي عادةً لتقييم المطاطات نظرًا لإجهاد الخضوع العالي الذي يُعيق نتائج الاختبار. ^{[ 10 ]}

تؤثر العديد من خصائص المواد البوليمرية على خواصها الميكانيكية. فكلما زادت درجة البلمرة، زادت قوة البوليمر، إذ تتميز السلاسل الأطول بتفاعلات فان دير فالس القوية وتشابك السلاسل. ويمكن للبوليمرات الطويلة أن تتشابك، مما يؤدي إلى زيادة لاحقة في معامل الحجم. ^{[ 11 ]} أما التشققات الدقيقة فهي شقوق صغيرة تتشكل في مصفوفة البوليمر، ولكنها تتوقف بفعل عيوب صغيرة في هذه المصفوفة. تتكون هذه العيوب عادةً من بوليمر ثانٍ ذي معامل مرونة منخفض، منتشر في جميع أنحاء الطور الأساسي. ويمكن للتشققات الدقيقة أن تزيد من قوة البوليمر وتقلل من هشاشته، وذلك بالسماح للشقوق الصغيرة بامتصاص إجهاد وانفعال أكبر دون التسبب في كسر. وإذا سُمح للتشققات الدقيقة بالانتشار أو الاندماج، فقد تؤدي إلى حدوث تجويف وكسر في العينة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} ويمكن رؤية التشققات الدقيقة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ والمجهر الإلكتروني الماسح، وعادةً ما تُصمم هندسيًا في المادة البوليمرية أثناء عملية التصنيع. يمكن أن يؤدي التشابك، الذي يُلاحظ عادةً في البوليمرات المتصلبة حرارياً، إلى زيادة معامل المرونة، وإجهاد الخضوع، وقوة الخضوع للبوليمر. ^{[ 14 ]}

يُعد التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) التقنية الأكثر شيوعًا لتوصيف السلوك المرن اللزج الشائع في العديد من الأنظمة البوليمرية. ^{[ 15 ]} كما يُعد DMA أداةً مهمةً لفهم اعتماد السلوك الميكانيكي للبوليمرات على درجة الحرارة. يُستخدم التحليل الميكانيكي الديناميكي لقياس معامل التخزين ودرجة حرارة التحول الزجاجي، وتأكيد التشابك، وتحديد درجات حرارة التحول في بوليمرات الذاكرة الشكلية، ومراقبة عمليات التصلب في المواد المتصلبة حراريًا، وتحديد الوزن الجزيئي. يتم تطبيق قوة متذبذبة على عينة من البوليمر، ويتم تسجيل استجابة العينة. يوثق DMA الفارق الزمني بين القوة المطبقة واستعادة التشوه في العينة. تُظهر العينات المرنة اللزجة معاملًا جيبيًا يُسمى المعامل الديناميكي . يتم أخذ كل من الطاقة المستعادة والمفقودة في الاعتبار أثناء كل تشوه، ويتم وصفهما كميًا بواسطة معامل المرونة (E') ومعامل الفقد (E'') على التوالي. يُظهر الإجهاد المطبق والانفعال على العينة فرقًا في الطور، Δ، والذي يتم قياسه بمرور الوقت. يتم حساب معامل مرونة جديد في كل مرة يتم فيها تطبيق إجهاد على المادة، لذلك يتم استخدام التحليل الديناميكي الميكانيكي لدراسة التغيرات في معامل المرونة عند درجات حرارة أو ترددات إجهاد مختلفة. ^{[ 16 ]}

وتشمل التقنيات الأخرى قياس اللزوجة ، وقياس التدفق ، وقياس صلابة البندول .

• تجزئة التدفق الميداني
• تحليل الكتلة بمساعدة الليزر
• ACOMP ^{[ 17 ] [ 18 ]}
• مؤسسة التمويل الأصغر
• قياس التداخل ثنائي الاستقطاب
• التحلل/التأين بالليزر بمساعدة المصفوفة