Heading

Polymeren en elasticiteit

Een polymere molecule bestaat uit enkele duizenden chemische herhalende eenheden, of monomeren, die door covalente bindingen aan elkaar zijn verbonden. De assemblage van gekoppelde eenheden wordt vaak de “keten” genoemd, en de atomen waartussen de chemische binding plaatsvindt vormen de “ruggengraat” van de keten. In de meeste gevallen bestaan polymeren uit koolstofketens, d.w.z. ketens van koolstofatomen (C) die met elkaar verbonden zijn door enkele (C-C) of dubbele (C=C) bindingen. In theorie zijn koolstofketens zeer flexibel, omdat rotatie rond enkelvoudige koolstof-koolstofbindingen de moleculen in staat stelt veel verschillende configuraties aan te nemen. In de praktijk zijn veel polymeren echter tamelijk stijf en onbuigzaam. De moleculen van polystyreen (PS) en polymethylmethacrylaat (PMMA), bijvoorbeeld, bestaan uit relatief volumineuze eenheden, zodat bij kamertemperatuur de vrije beweging wordt belemmerd door een sterke verdichting. In feite bewegen de moleculen van PS en PMMA helemaal niet bij kamertemperatuur: men zegt dat zij zich in een glasachtige toestand bevinden, waarin de willekeurige, “amorfe” rangschikking van hun moleculen op zijn plaats bevroren is. Alle polymeren zijn glasachtig beneden een karakteristieke glasovergangstemperatuur (Tg), die varieert van zo laag als -125 °C (-195 °F) voor een uiterst flexibel molecuul zoals polydimethylsiloxaan (siliconenrubber) tot extreem hoge temperaturen voor stijve, volumineuze moleculen. Voor zowel PS als PMMA is de Tg ongeveer 100 °C (212 °F).

Sommige andere polymeren hebben moleculen die zo goed bij elkaar passen dat ze de neiging hebben zich samen te pakken in een geordende kristallijne opstelling. In polyethyleen met hoge dichtheid, bijvoorbeeld, kristalliseren de lange reeksen ethyleeneenheden waaruit het polymeer is opgebouwd spontaan bij temperaturen lager dan ongeveer 130 °C (265 °F), zodat, bij normale temperaturen, polyethyleen een gedeeltelijk kristallijne plastic vaste stof is. Polypropeen is een ander “semikristallijn” materiaal: de kristallieten, of gekristalliseerde gebieden, smelten pas wanneer ze worden verhit tot ongeveer 175 °C (350 °F).

Zo hebben niet alle polymeren de noodzakelijke interne flexibiliteit om rekbaar en zeer elastisch te zijn. Om deze eigenschappen te hebben, moeten polymeren weinig interne belemmering hebben voor de willekeurige beweging van hun monomeersubeenheden (met andere woorden, ze mogen niet glasachtig zijn), en ze mogen niet spontaan kristalliseren (althans niet bij normale temperaturen). Wanneer zij worden losgemaakt uit hun uitzetting, moeten zij spontaan kunnen terugkeren naar een ongeordende toestand door willekeurige bewegingen van hun repeterende eenheden als gevolg van rotaties rond de koolstof-koolstofverbinding. Polymeren die daartoe in staat zijn, worden elastomeren genoemd. Alle andere worden plastics of harsen genoemd; de eigenschappen en toepassingen van deze materialen worden afzonderlijk uitvoerig beschreven in het artikel plastic (thermoplastische en thermohardende harsen).

Vier veel voorkomende elastomeren zijn cis-polyisopreen (natuurrubber, NR), cis-polybutadieen (butadieenrubber, BR), styreen-butadieenrubber (SBR), en ethyleen-propyleenmonomeer (EPM). SBR is een gemengd polymeer, of copolymeer, dat bestaat uit twee verschillende monomeereenheden, styreen en butadieen, willekeurig gerangschikt langs de molecuulketen. (De structuur van SBR is afgebeeld in de figuur.) EPM bestaat ook uit een willekeurige rangschikking van twee monomeren – in dit geval ethyleen en propyleen. In SBR en EPM worden dichte pakking en kristalliniteit van de monomeereenheden verhinderd door hun onregelmatige rangschikking langs elk molecuul. In de reguliere polymeren NR en BR wordt kristalliniteit verhinderd door de vrij lage kristalsmelttemperaturen van respectievelijk ongeveer 25 en 5 °C (ongeveer 75 en 40 °F). Bovendien zijn de glasovergangstemperaturen van al deze polymeren vrij laag, ver onder kamertemperatuur, zodat ze allemaal zacht, zeer flexibel en elastisch zijn. De belangrijkste commerciële elastomeren zijn opgenomen in de tabel, waarin ook enkele van hun belangrijke eigenschappen en toepassingen zijn vermeld.