Klasifikácia polymérov podľa chemickej štruktúry hlavného reťazca a makromolekuly ako celku. Intermolekulové interakcie v polyméroch. Koncepcie kohéznej energetickej hustoty a parametra rozpustnosti.

Štruktúra makromolekúl zahŕňa ich chemickú štruktúru a dĺžku, rozdelenie dĺžok a molekulových hmotností, tvar a priestorové usporiadanie jednotiek. Na základe chemickej štruktúry hlavného reťazca sa rozlišujú homochain (s reťazcom uhlíkových atómov - uhlíkový reťazec ) A heteroreťazec polyméry a z hľadiska chemickej štruktúry makromolekúl ako celku - polyméry:

· organické - reťazec pozostáva z atómov uhlíka, kyslíka, dusíka a síry;

· organoelement - reťazec pozostáva z kremíka, fosforu a iných atómov, ku ktorým sú pripojené atómy uhlíka alebo skupiny, alebo naopak;

· anorganické - neexistujú úplne žiadne atómy uhlíka alebo atómy uhlíkového reťazca s viacnásobnými (dvojitými alebo trojitými) väzbami bez vedľajších skupín.

Najbežnejší organický uhlíkový reťazec polyméry vrátane ich rôznych derivátov (obsahujúce halogény, étery, alkoholy, kyseliny atď.), ktorých názov je tvorený názvom monoméru s predponou „poly“. Nasýtené alifatické polyméry s uhlíkovým reťazcom zahŕňajú polyetylén, polypropylén, polyvinylchlorid, polytetrafluóretylén, polytrifluórchlóretylén, polyvinylalkohol, polyvinylacetát, polyakrylamid, polyakrylonitril, polymetylmetakrylát a iné. Nenasýtené sú polybutadién, polyizoprén a polychloroprén, príkladom mastných aromatických polymérov je polyetylénfenylén a aromatickými polymérmi sú polyfenylén. číslo anorganický homoreťazec polyméry sú obmedzené - karbín s uhlíkovým reťazcom (~C≡C-C≡C~) a kumulén (=C=C=C=), ako aj polysíra (~S-S-S~), polysilán (~SiH 2 -SiH 2 ~), polynemecký (~GeH 2 -GeH 2 ~), atď. Častejšie organoelementový homoreťazec polyméry vyrobené z organických reťazcov (karbochin) s organoprvkovými bočnými skupinami alebo z anorganických reťazcov s organickými radikálmi: polyvinylalkylsilány, polyorganosilány, polyméry obsahujúce bór. Organický heteroreťazec Polyméry sú rozdelené do tried v závislosti od povahy funkčných skupín v hlavnom reťazci. Môžu byť alifatické alebo aromatické v závislosti od štruktúry uhľovodíkových skupín medzi funkčnými skupinami (tabuľka 1.1).

Tabuľka 1.1.

Heterochainové polyméry rôznych tried:

Funkčná skupina	Polymér
Názov triedy	zástupcovia
Obsahujúce kyslík
Jednoduché éterické	Polyétery	Polymetylénoxid (~CH2-O~)
		Polyetylénoxid (~CH2-CH2-O~)
Ester	Polyestery	Polyetyléntereftalát ([-CH2-CH2-O-OC-Ar-CO-O-]n)
		Polyaryláty ([-OC-R-COO-R`-O-] n)
		Polykarbonáty ([-O-Ar-CH2-Ar-O-CO-O-Ar-CH2-Ar-] n)
Obsahujúci dusík
Acetal	Acetály	Celulóza (C6H1005) n
Amid	Polyamidy (-СО-NН-)	Polyhexametylénadipamid
Imide	Polyimidy	Polypyromellitimid
Močovina	Polymočovina	Polynonametylénová močovina
uretán	Polyuretány (-HN-CO-O)	-(CH2)4-0-CO-NH-(CH2)2-
S obsahom síry
tioester	Polysulfidy	Polyetylénsulfid (~CH2-CH2-S~)
Sulfónová	polysulfóny	Poly- n,n'-oxydifenylsulfón

Anorganický heteroreťazec polyméry sú polyborazol, kyselina polykremičitá, polyfosfonitrilchlorid. Organoelementový heteroreťazec polyméry zahŕňajú veľkú skupinu najobľúbenejších zlúčenín z anorganických reťazcov s organickými bočnými skupinami. Patria sem polyméry obsahujúce kremík, ktorých reťazce pozostávajú zo striedajúcich sa atómov kremíka a kyslíka ( polyorganosiloxány ) alebo dusík ( polyorganosilazány ). Polyméry s tretím heteroatómom v hlavnom reťazci - kovom - sa nazývajú polymetalorganosiloxány (polyhliníkové organosiloxány, polybórové organosiloxány a polytitánové organosiloxány). Existujú aj polyméry s organoanorganickými reťazcami uhlíka, kremíka, kyslíka (polykarbosiloxány, polykarbosilány, polykarborány), ktoré môžu obsahovať alifatické alebo aromatické jednotky. Všetky atómy vo väzbách uvažovaných polymérov sú spojené chemické kovalentné väzby . Existujú tiež koordinácia (chelátové, intrakomplexné) heteroreťazcové polyméry, v ktorých sú jednotky spojené interakciou donor-akceptor s tvorbou kovového iónu koordinačné prepojenie (bočná valencia) a iónová väzba (hlavná valencia). Chemické a kovové spoje s dĺžkou 0,1-0,2 nm výrazne prevyšujú energetickú hodnotu fyzikálnych väzieb a dokonca vodíková väzba (dĺžka 0,24-0,32 nm), ktorá zaberá medzipolohu medzi fyzikálnymi a chemickými väzbami. Polarita väzieb závisí aj od chemickej štruktúry a zloženia jednotiek, ktorá je kvantifikovaná hodnotou dipólového momentu μ O rovná súčinu náboja a vzdialenosti medzi nábojmi (tabuľka 1.3), ako aj úrovni medzimolekulovej interakcie v polyméri. V závislosti od polarity väzieb môže byť polymér polárny A nepolárne . Dipólový moment všetkých organických alifatických (nepolárnych) polymérov s uhlíkovým reťazcom je blízky nule. V závislosti od štruktúry makromolekúl sa medzi nimi môže objaviť disperzia, orientácia a indukčné väzby. Disperzný väzby sú spôsobené objavením sa okamžitých dipólov v atómoch, keď elektróny rotujú okolo jadier. Polárne makromolekuly sa vyznačujú orientácia (dipól-dipól) spojenia. V oblasti dipólov polárnych makromolekúl možno polarizovať aj nepolárne makromolekuly. Medzi permanentnými a indukovanými dipólmi, indukcia komunikácie.

Intermolekulárna interakcia určuje schopnosť polyméru rozpúšťať sa v kvapalinách s nízkou molekulovou hmotnosťou, správanie pri nízkych teplotách, elastické a iné vlastnosti. Jeho hladina sa meria parameter rozpustnosti – pomer súčinu hustoty polyméru súčtom príťažlivých konštánt jednotlivých skupín atómov v zloženej jednotke k molekulovej hmotnosti jednotky. Na to používajú aj hustota kohéznej energie (kJ/mol), čo je ekvivalentné odstráneniu interagujúcich makromolekúl alebo skupín atómov od seba na nekonečne veľké vzdialenosti. Pri teplote skleného prechodu T s energia medzimolekulovej interakcie je vyššia ako energia tepelný pohyb a polymér ide do pevný vitrifikovaný stav . Polyméry s T s nad izbovou teplotou sa nazýva plasty a pod izbovou teplotou a parameter rozpustnosti je 14-19 ( M . J/m 3 ) 1/2 – elastoméry (gumy).

Molekulová hmotnosť polymérov a metódy jej stanovenia. Distribúcia molekulovej hmotnosti a tvar makromolekúl. Klasifikácia polymérov podľa počtu a poradia usporiadania základných jednotiek.

Molekulová hmotnosť(MM) je dôležitá charakteristika štruktúry polymérov, určujúca úroveň mechanických vlastností a patriaca do určitej skupiny: oligoméry (termosety) - 10 3 -10 4, kryštalické termoplasty - 10 4 -5 . 10 4, amorfné termoplasty - 5 . 10 4 -2 . 10 5, gumy – 10 5 -10 6. Čím nižšie je MM polymérov, tým nižšia je viskozita ich tavenín a tým ľahšie sa tvoria. Mechanické vlastnosti sú určené skôr stupňom tvrdnutia (oligoméry) a kryštalinitou (polyamidy, polyestery) alebo prechodom do sklovitého stavu. Najvyššie MM sú kaučuky, ktoré sa ťažko formujú, ale výrobky z nich majú vysokú elasticitu. Pretože veľká MW nevedie k rovnakému stupňu polymerizácie, makromolekuly sa líšia veľkosťou. Polydisperzita (polymolekularita) je jedným zo základných pojmov vo fyzikálnej chémii polymérov a typ distribúcia molekulovej hmotnosti (MMR) – dôležitý ukazovateľ, ktorý ovplyvňuje fyzikálne a mechanické vlastnosti polymérov nie menej ako MM.

Keďže MM je priemerná štatistická hodnota, rôzne metódy na jej určenie poskytujú rôzne hodnoty. S riedke čísla metódy sú založené na stanovení počtu makromolekúl v zriedených roztokoch polymérov, napríklad meraním ich osmotického tlaku a priemerná hmotnosť - o určovaní hmotnosti makromolekúl, napríklad meraním rozptylu svetla. Priemerný počet MM ( M n ) sa získa jednoduchým vydelením hmotnosti vzorky polyméru počtom makromolekúl v nej a hmotnostný priemer MM: Mw = M1w1+M2w2 +...+M i w i , Kde w 1 , w 2 , w i – hmotnostné zlomky zlomkov; M 1 , M 2 , M i – hmotnostne priemerné frakcie MM. Priemerná viskozita MM, ktorý sa blíži hmotnostnému priemeru MM, je určený viskozitou zriedených roztokov. Polymér je tzv monodisperzný , ak pozostáva z jednej frakcie s veľkosťami makromolekúl veľmi blízko sebe, a pre ňu pomer Mw/M n = 1,02-1,05. V iných prípadoch je hmotnostný priemer MM väčší ako číselný priemer MM a ich pomer ( Mw/M n =2,0-5,0) je miera polydisperzity polyméru. Viac Mw/M n , čím je MMR širší. Na krivke polymérnej MWD je hodnota M n tvorí maximum, t.j. do frakcie, ktorej podiel na polymérnom zložení je najväčší, a Mw posunuté doprava pozdĺž osi x.

Veľká veľkosť polymérnych makromolekúl určuje ďalší znak ich štruktúry. Môžu byť lineárne alebo rozvetvený (s bočnými vetvami z hlavnej reťaze alebo v tvare hviezdy). Pri blízkych hodnotách MM sa stávajú izoméry . Vlastnosti polymérov pozostávajúcich z lineárnych a rozvetvených makromolekúl sa značne líšia. Vetvenie - nežiaduci indikátor štruktúry makromolekúl, znižujúci ich pravidelnosť a sťažujúci kryštalizáciu polyméru. Spojenie makromolekúl chemickými väzbami vedie k vzniku sieťové štruktúry , ďalej meniace vlastnosti polymérov. V súlade s takýmito rozdielmi v štruktúre makromolekúl (obr. 1.1) sa polyméry nazývajú lineárne , rozvetvený A pletivo (šité ).

V druhom prípade pojem „makromolekula“ stráca svoj význam, pretože celá vzorka zosieťovaného polyméru sa stáva jednou obrovskou molekulou. Preto sa v zosieťovaných polyméroch určuje priemerná hodnota MM segmentu reťazca medzi chemickými väzbami (uzlami siete) spájajúcimi makromolekuly.

Kopolyméry obsahujú jednotky dvoch alebo viacerých rôznych monomérov v hlavnom reťazci (napríklad styrén-butadiénový kaučuk) a majú zložitejšiu štruktúru ako homopolyméry , pozostávajúce z jednotiek jedného monoméru. Kopolymér s náhodnou kombináciou monomérnych jednotiek v makromolekule sa nazýva štatistické , s ich správnym striedaním - striedavý a s veľkým rozsahom sekcií (blokov) jednotiek jedného monoméru - blokový kopolymér . Ak sú bloky jedného z monomérov pripojené k hlavnému reťazcu makromolekuly, zloženému z jednotiek iného monoméru, vo forme veľkých bočných vetiev, potom sa kopolymér nazýva zaočkovaný . Charakterizuje sa štruktúra kopolyméru chemické zloženie a dĺžku blokov alebo vrúbľovaných reťazcov a počet blokov alebo štepov v makromolekule. Jednotky rovnakých alebo rôznych monomérov môžu byť spojené pravidelne (koniec jedného - začiatok druhého) príp nepravidelne (koniec jednej je koncom druhej, začiatok ďalšej je začiatkom tretej väzby atď.) a substituenty vo vedľajších skupinách môžu mať pravidelné alebo nepravidelné priestorové usporiadanie. Štruktúra makromolekuly je tiež určená jej konfiguráciou a konformáciou.

Konfigurácia makromolekúl a stereoizomérov. Konformácia a flexibilita makromolekúl. Flexibilné a tuhé reťazové polyméry a tvar ich makromolekúl.

Konfigurácia makromolekúl- ide o určité priestorové usporiadanie jeho atómov, ktoré sa pri tepelnom pohybe nemení, v dôsledku čoho sú jeho rôzne typy stabilnými izomérmi. Cis izoméry charakterizované umiestnením rôznych substituentov na rôznych stranách dvojitej väzby v každej opakujúcej sa jednotke a trans izoméry - prítomnosť rôznych substituentov na jednej strane dvojitej väzby. Príkladom takýchto izomérov sú NA a gutaperča - prírodné polyizoprény identické v chemickej štruktúre. Gutaperča je plast s kryštálovú štruktúru, topiaci sa pri 50-70 °C a NK je elastomér v rozsahu teplôt od +100 O Od do -72 O C, keďže ich makromolekuly majú rozdielne obdobia identity . IN cis-polyizoprénové (NC) metylové skupiny orientované jedným smerom sa vyskytujú cez jednu základnú jednotku, ktorá sa rovná 0,82 nm a v jeho tranz-izomér (gutaperča) – po 0,48 nm:

cis- 1,4-polyizoprén (NC)

tranz-1,4-polyizoprén

Z makromolekúl optické polyméry s asymetrickým atómom uhlíka sa na získanie používajú špeciálne metódy syntézy stereoregulárne izoméry - izotaktické (substituenty sú na jednej strane roviny makromolekúl) a syndiotaktický (poslanci sú na opačných stranách):

Líšia sa vlastnosťami od ataktický polyméry s nepravidelným usporiadaním substituentov. Vzájomné odpudzovanie substituentov vedie k ich vzájomnému posunutiu v priestore, a preto sa rovina symetrie ohýba do tvaru špirály. Štruktúra špirál je charakteristický aj pre biologicky aktívne polyméry (napríklad dvojitá špirála DNA). Štruktúra makromolekúl stereoizomérov je nositeľom informácií o spôsoboch ich syntézy a v proteínoch nesú dvojzávitnice DNA obrovskú informáciu o ich biologickej dedičnosti.

Konformácia makromolekúl- ide o priestorové usporiadanie atómov alebo skupín atómov, ktoré sa vplyvom tepelného pohybu môže meniť bez toho, aby došlo k zničeniu chemických väzieb medzi nimi. Určuje veľká dĺžka makromolekuly s možnosťou rotácie jej častí okolo pevných chemických väzieb rotačná izoméria , vyjadrené vo vzhľade rôznych konformácií. Ako bližší priateľ atómy vodíka sú umiestnené vedľa seba ( cis-poloha), tým väčšia je ich odpudivosť a teda aj potenciálna energia makromolekuly. Interakciu zosilňujú polárne substituenty, ako sú atómy chlóru. IN tranz-izoméry, potenciálna energia makromolekuly je menšia, usporiadanie atómov je priaznivejšie ako v cis-izoméry. Energia rotačná bariéra časti makromolekuly, ktoré ho tvoria inhibované , pozostávajúce zo série kmitov, pomáhajú prekonať kolísanie tepelnej energie . Súbor kmitov a pohybov okolo jednoduchých spojení vedie k ku zakriveniu makromolekuly vo vesmíre, ktoré sa môžu uberať rôznymi smermi a časom sa meniť. Inými slovami, makromolekula má flexibilita - schopnosť meniť svoju konformáciu v dôsledku tepelného pohybu alebo pôsobenia vonkajších síl. Pri veľkom počte atómov sa reťaz môže nielen ohýbať, ale dokonca skrútiť sa veľmi voľné makromolekulárna cievka , ktorých veľkosť možno charakterizovať odmocnina stredná štvorcová vzdialenosť medzi jej koncami a vypočítajte matematicky, pričom poznáte počet jednotlivých odkazov v ňom. Vďaka reťazovej štruktúre makromolekúl bude pohyb jedného atómu alebo skupiny viesť k pohybu ďalších, výsledkom čoho je pohyb podobný pohybu húsenice alebo červa, ktorý je tzv. reptačný (obr. 1.2). Úsek reťaze, ktorý sa pohybuje ako celok v elementárnom pohybe, sa nazýva reťazový segment . Termodynamická flexibilita charakterizuje schopnosť reťaze meniť svoju konformáciu vplyvom tepelného pohybu a môže byť hodnotená parametrom tuhosti, dĺžkou termodynamického segmentu alebo parametrom Floryho flexibility. Čím nižšie sú tieto ukazovatele, tým vyššia je pravdepodobnosť prechodu makromolekuly z jednej konformácie do druhej (tabuľka 1.4). Parameter tvrdosti sa odhaduje pomerom stredných kvadrátových vzdialeností medzi koncami skutočných a voľne spojených reťazcov v zriedených polymérnych roztokoch. Dĺžka termodynamického segmentu A (Kuhnov segment) charakterizuje postupnosť článkov, v ktorých sa každý článok správa nezávisle od ostatných a súvisí aj s odmocninou-mean-square vzdialenosť medzi koncami reťazca. Rovná sa hydrodynamickej dĺžke makromolekuly pre extrémne tuhé reťazce a dĺžke opakujúcej sa jednotky pre extrémne flexibilné reťazce. Polyméry diénového radu a s väzbami ~Si-O~ alebo ~C-O~ v hlavnom reťazci sa vyznačujú väčšou flexibilitou v porovnaní s polymérmi vinylového radu, pretože v dôsledku zníženia výmenných interakcií medzi CH 2 -skupiny majú 100-krát nižšiu energiu rotačných izomérov. Povaha substituentov má malý vplyv na flexibilitu makromolekúl. Flory parameter flexibility f O ukazuje obsah flexibilných väzieb v makromolekule a slúži ako kritérium flexibility, podľa ktorého sa polyméry delia na flexibilná reťaz (f O>0,63; A<10nm) A pevná reťaz (f O<0,63; A>35nm). Posledne menované nie sú v konformácii makromolekulovej cievky a majú predĺžený tvar makromolekúl - elastický reťazec (polyalkylizokyanát, A =100), kľukový hriadeľ (poly- P-benzamid, A =210) alebo špirály (biopolyméry, A =240).Kinetická flexibilita makromolekula odráža rýchlosť jej prechodu v silovom poli z jednej konformácie do druhej a je určená hodnotou kinetický segment , t.j. tá časť makromolekuly, ktorá ako celok reaguje na vonkajšie vplyvy. Na rozdiel od termodynamického segmentu je určený teplotou a rýchlosťou vonkajšieho vplyvu. S rastúcou teplotou sa zvyšuje kinetická energia a flexibilita makromolekuly a veľkosť kinetického segmentu sa zmenšuje. V podmienkach, kde je čas pôsobenia sily väčší ako čas prechodu z jednej konformácie do druhej, je kinetická flexibilita vysoká a kinetický segment sa svojou veľkosťou približuje k termodynamickému segmentu. Pri rýchlej deformácii sa kinetický segment blíži k hydrodynamickej dĺžke makromolekuly a aj termodynamicky pružný reťazec sa správa ako tuhý. Kinetická flexibilita izolovanej makromolekuly sa určuje z viskoelastických vlastností vysoko zriedených roztokov s ich následnou extrapoláciou na nulovú koncentráciu. Makromolekuly amorfného polyméru s pružným reťazcom majú guľovitého tvaru v izolovanej forme aj vo veľkom. Navyše štruktúra polyméru nie je podobná štruktúre „molekulárnej plsti“, v ktorej sú makromolekuly chaoticky zapletené, ako sa predtým myslelo. Myšlienku usporiadaných oblastí v amorfných polyméroch vyjadril v roku 1948 Alfrey.

Rozmery makromolekuly sú určené jej dĺžkou l a priemerom d. Ak vezmeme do úvahy makromolekulu vo forme predĺženého reťazca určitej konfigurácie, potom jej priemer je približne 0,5 nm a dĺžka monomérnej jednotky je 0,154 nm. Pri počte jednotiek 10 000 bude dĺžka celej makromolekuly približne 1540 nm. Nie je však možné uvažovať o makromolekule vo forme predĺženého reťazca vo forme plochého cikcaku, pretože to nezohľadňuje: 1) úlohu interakcie (príťažlivosti a odpudzovania) atómov a skupín, najmä postranné skupiny a 2) vplyv tepelného pohybu, ktorý existuje pre akúkoľvek inú teplotu ako absolútnu nulu.

Berúc do úvahy tieto faktory, makromolekuly v ktoromkoľvek danom okamihu nadobúdajú určité konformácie. Každá konformácia je charakteristická len svojim špecifickým usporiadaním v priestore atómov a skupín.

Prechod z jednej konformácie do druhej nastáva v dôsledku rotácie, rotácie alebo vibrácií okolo jednoduchých väzieb pod vplyvom tepelného pohybu alebo vonkajších síl a nie je sprevádzaný porušením valenčných chemických väzieb. Prechod z jednej formy do druhej je možný len vtedy, ak je kinetická energia väčšia ako určitá hodnota nazývaná potenciálna bariéra Uo. Jeho hodnota závisí od typu substituenta a jeho polarity. So zvyšujúcim sa objemom substituentov alebo ich polaritou sa hodnota U o zvyšuje. Túto hodnotu znižujú atómy kyslíka, síry, dusíka, ako aj dvojité väzby.

Pravdepodobnosť existencie konkrétnej konformácie je určená pomerom síl príťažlivosti a odpudzovania, t.j. intra- a intermolekulárne interakcie. Táto interakcia môže byť v krátkom dosahu (napríklad medzi susednými atómami a skupinami) a na diaľku (medzi atómami umiestnenými v značnej vzdialenosti). Oveľa väčší vplyv majú interakcie objednávok krátkeho dosahu.

Konformácie makromolekuly (reťazca) sú veľkosti a špecifické tvary, ktoré makromolekula nadobúda v dôsledku celkového vplyvu tepelného pohybu a vonkajších síl. V závislosti od pomeru týchto síl a intenzity tepelného pohybu možno realizovať rôzne konformácie:

1) štatistická spleť, t.j. viac či menej zložená konformácia.

Túto konformáciu zvyčajne prijímajú polymérne makromolekuly, u ktorých intenzita vnútorného tepelného pohybu prevyšuje vonkajší vplyv. Je charakteristický pre mnohé polyméry, napríklad lineárny (polyetylén, polypropylén, polybutadién, polyizoprén, trinitrocelulóza atď.), rebríčkový (polyfenylénsiloxán);

2) konformácia špirály. Prijímajú ho makromolekuly, v ktorých je poriadok na veľké vzdialenosti udržiavaný, napríklad vodíkovými väzbami.

Špirálovitá konformácia je charakteristická pre proteíny a nukleové kyseliny.

3) konformácia globule, t.j. veľmi kompaktná častica, takmer guľovitého tvaru.

Túto konformáciu majú makromolekuly polymérov s veľmi silnými intramolekulárnymi interakciami, napríklad polyméry obsahujúce atóm fluóru (polytetrafluóretylén).

4) tyčinková alebo strunová konformácia – predĺžená makromolekula (alkylpolyizokyanáty);

5) skladaná konformácia; charakteristické pre polyméry v kryštalickom stave;

6) konformácia kľukového hriadeľa (poly-p-benzamid).

Konformácia makromolekuly sa môže meniť v závislosti od rôznych vonkajších faktorov - teploty, mechanického namáhania atď. Napríklad pri deformácii v ťahu sa polybutadiénová makromolekula premení zo štatistickej cievky na predĺžený reťazec. Preto sa konformácia makromolekuly zvyčajne posudzuje v neprítomnosti rušivých faktorov.

SUPRAMOLEKULÁRNA ŠTRUKTÚRA

V dôsledku pôsobenia vodíka a medzimolekulových väzieb polymérne makromolekuly navzájom interagujú a vytvárajú agregáty rôzneho stupňa zložitosti a s rôznou životnosťou. Štruktúra takýchto jednotiek závisí od:

1) chemické zloženie interagujúcich monomérnych jednotiek makromolekúl;

2) počet a veľkosť atómov alebo skupín;

3) podmienky (teplota, tlak, prostredie atď.

Najstabilnejšie štruktúry sú tie, v ktorých je maximálny počet medzimolekulových väzieb. V mnohých prípadoch sa jednotlivé makromolekuly kombinujú do sekundárnych formácií, sekundárnych - do formácií tretieho a štvrtého rádu. Fyzikálna štruktúra polymérnych telies, v dôsledku rôznych typov usporiadania vo vzájomnom usporiadaní makromolekúl, je tzv supramolekulárnej štruktúry.

Relatívne usporiadanie a veľkosti základných prvkov supramolekulárnej štruktúry závisia od:

1) konfigurácia a konformácia;

2) chemické zloženie jednotlivých monomérnych jednotiek a makromolekuly ako celku;

3) veľkosti jednotlivých atómov a štruktúra ich orbitálov;

4) podmienky tvorby štruktúry, ktoré nastali počas chladenia polyméru po syntéze, skladovaní, spracovaní a následnej prevádzke produktu;

5) trvanie a rýchlosť tvorby štruktúry atď.

Čím zložitejšia je chemická štruktúra polymérnej makromolekuly, tým rozmanitejšie sú podmienky, za ktorých bol polymér syntetizovaný, spracovaný a skladovaný, čím zložitejšie a rozmanitejšie sú v ňom nadmolekulárne štruktúry, tým sú jeho vlastnosti menej homogénne. Keďže zloženie surovín, ako aj formulácie a spôsoby výroby a spracovania polymérov môžu kolísať, ich supramolekulárne štruktúry sa líšia aj v rámci výrobných šarží.

Nadmolekulárna štruktúra polyméru určuje komplex jeho fyzikálnych vlastností, rýchlosť a mechanizmus fyzikálno-chemických a chemických procesov.

Príkladmi sú diamant a grafit.

Na základe stupňa usporiadania prvkov supramolekulárnych štruktúr sa delia na dve skupiny: amorfné a kryštalické.

V kryštalických polyméroch existuje trojrozmerný poriadok v usporiadaní atómov, jednotiek a reťazcov. Amorfné polyméry sa vyznačujú usporiadaním jednotiek s krátkym dosahom. To sú však dva extrémne prípady.

Typicky nie sú amorfné polyméry úplne neusporiadané a bez štruktúry, ale dokonca aj vysoko kryštalické polyméry majú defekty v kryštalickej štruktúre.

· organické polyméry(zloženie obsahuje organogénne prvky - C, N, O, P, S).Rozdeľujú sa na homoreťazce (hlavný reťazec obsahuje iba atómy uhlíka) a heteroreťazec (hlavný reťazec obsahuje ďalšie atómy).Do tejto triedy polymérov patria biopolyméry.

· organoprvkové polyméry(v hlavnom reťazci sú spolu s atómami uhlíka atómy Si, Al, Ti, Ge, B).

· anorganické polyméry ( hlavný reťazec neobsahuje atómy uhlíka, ako sú silikóny).

1. Uveďte typy názvoslovia polymérov.

2. Ako vzniká názvoslovie podľa názvov monomérov?

3. Uveďte príklady názvov polymérov pomocou nomenklatúry na základe chemickej štruktúry polymérneho reťazca.

4. Vymenujte typy klasifikácie polymérov. Uveďte príklady.

5. Aké typy kopolymérov existujú?

6. Ako prebieha chemická klasifikácia polymérov?

Problémy na nezávislé riešenie*

2. Klasifikácia a štruktúrne vzorce hlavných polymérov

2.1 Klasifikácia polymérov

Otázky 2501 – 2502, 2403 – 2406, 2307

2.2. Štruktúrne vzorce hlavných polymérov

Otázky 3501, 3402, 3303 – 3309

*Tu a ďalej sú uvedené úlohy zo „Zbierky testových úloh na tematickú a záverečnú kontrolu v disciplíne „Chémia a fyzika polymérov“, M., MITHT, 2009.

Oddiel č.3. Hlavné charakteristiky makromolekúl

Makromolekuly sa vyznačujú 4 hlavnými parametrami:

1. Molekulová hmotnosť (MM), distribúcia molekulovej hmotnosti (MWD);

2. konfigurácia makromolekúl;

3. Konformácia makromolekuly;

4. Topológia (lineárna, rozvetvená).

· MM umožňuje určiť dĺžku a veľkosť makromolekúl;

· Konfigurácia určuje chemickú štruktúru makromolekúl;

· Konformácia určuje tvar makromolekúl.

3.1. Molekulová hmotnosť (MM), distribúcia molekulovej hmotnosti (MWD)

Hlavné rozdiely medzi konceptom MM pre IUD a NMS:

MW je miera molekulovej dĺžky pre lineárne polyméry a môže byť vyjadrená ako MW opakujúcich sa jednotiek s nízkou molekulovou hmotnosťou:

https://pandia.ru/text/78/135/images/image040_18.gif" width="12" height="2 src=">m0 – molekulová hmotnosť opakujúcej sa jednotky zlúčeniny;

Pn – stupeň polymerizácie

Väčšina syntetických polymérov nie sú jednotlivé zlúčeniny, ale pozostávajú zo zmesi molekúl rôznych veľkostí, ale rovnakého zloženia.

To vedie k:

· pre polyméry je efektívna molekulová hmotnosť priemernou hodnotou v dôsledku polydisperzity - rozšírenia makromolekúl v molekulovej hmotnosti;

· pre väčšinu polymérov sa koncové skupiny líšia od zloženia článkov v polymérnom reťazci;

· v makromolekulách môžu existovať určité bočné vetvy, čo tiež odlišuje makromolekuly od seba navzájom;

· väčšina biopolymérov sú jednotlivé zlúčeniny (každý špecifický polymér je jedinečný zložením, štruktúrou a molekulovou hmotnosťou).

Dôvody polydisperzity:

1. v dôsledku štatistického charakteru procesu výroby polyméru: počas procesu syntézy sa získavajú makromolekuly rôznych dĺžok;

2. v dôsledku procesov čiastočnej deštrukcie makromolekúl, napríklad počas prevádzky materiálu;

3. v dôsledku rozdielu v koncových skupinách molekuly polyméru;

4. kvôli tomu, že niektoré polyméry majú vetvy na rôznych miestach a rôzne chemické štruktúry.

3.1.1. Metódy spriemerovania molekulových hmotností

1) Spriemerovanie počtu molekúl

Priemerný počet MM:

Мw=∑(Ni Mi2)/∑(NiMi) (3.1.1.2)

Do úvahy sa berie hmotnosť frakcie danej molekulovej hmotnosti.

Mw sa stanovuje pomocou chromatografie, ultracentrifugácie a metód rozptylu svetla.

Kn=Mw/Mn (3.1.1.3)

Pre monodisperzné (biologické) polyméry Kn=1.

Pri úzkom rozložení Kn=1,01÷1,05.

V priemysle sa najčastejšie vyrábajú polyméry s Kn=3÷10.

3) Priemerná viskozita mm:

Mŋ=((∑NiMi)1+α/∑(NiMi))1/α, 0<α<1 (3.1.1.4)

3.1.2. Distribúcia molekulovej hmotnosti (MWD)

Najkompletnejšou charakteristikou molekulových hmotností polymérov je funkcia distribúcie molekulovej hmotnosti.

Dusík, bór a hliník môžu byť prvkami makromolekulárnych reťazcov v iných zložkách polymérnej štruktúry alebo môžu byť zahrnuté ako heteroatómy v hlavnom reťazci.

4.3. Uhlík

Má vysokú tendenciu vytvárať silné kovalentné väzby, a to ako medzi vlastnými atómami, tak aj s inými atómami.

https://pandia.ru/text/78/135/images/image064_12.gif" width="102" height="92"> - dvojrozmerná uhlíkovo-uhlíková štruktúra grafénu, grafitu a sadzí

Je tiež možné získať lineárny reťazec atómov uhlíka:

https://pandia.ru/text/78/135/images/image066_10.gif" width="238" height="14 src=">

Po zahriatí sa zmení na grafit.

Oveľa väčšie možnosti na konštrukciu lineárnych makromolekúl z atómov uhlíka sa otvárajú, keď sú 1 alebo 2 valencie uhlíka nasýtené inými atómami alebo skupinami.

- polyetylén

- polypropylén

- polytetrafluóretylén

Hlavný reťazec môže tiež obsahovať rôzne skupiny obsahujúce heteroatómy:

https://pandia.ru/text/78/135/images/image071_11.gif" width="93" height="43 src="> - skupina esterov

https://pandia.ru/text/78/135/images/image073_9.gif" width="105" height="45 src="> - karbamidová (močovinová) skupina

https://pandia.ru/text/78/135/images/image076_9.gif" width="185 height=84" height="84">

Ale nie sú veľmi chemicky stabilné a pri oxidácii sa kremík viaže s kyslíkom, čím vznikajú veľmi silné väzby kremík-kyslík.

V prírode sa kremík vyskytuje vo forme kremeňa:

Ide o tuhú trojrozmernú štruktúru, ktorá nevykazuje „polymérne“ vlastnosti lineárnych makromolekúl. Lineárne makromolekuly sa získajú nahradením dvoch valencií každého atómu kremíka organickými radikálmi (CH3-, C2H5- atď.). V tomto prípade sa objavujú kremíkovo-organické polyméry.

Polyméry obsahujúce kremík možno syntetizovať:

- polysiloxány

Do reťazca môžu byť zabudované atómy Al, B, Ti, Zn a niektoré ďalšie.

4.5. Fosfor

Atómy fosforu môžu tvoriť polyméry, ale hlavný reťazec musí obsahovať aj ďalšie atómy (najčastejšie kyslík):

- polyfosfáty

- kyselina polyfosforečná

Zvyšky kyseliny ortofosforečnej sa nachádzajú v prírodných polyméroch ( nukleových kyselín, DNA a RNA):

Teda dvojmocné alebo polyvalentné atómy (C, O, P, N, S, Si, Al, B a niektoré ďalšie) môžu byť vo forme prvkov hlavného reťazca makromolekúl alebo môžu byť umiestnené vo vedľajších fragmentoch; monovalentné atómy (H, F, Cl, J, Br a niektoré ďalšie) môžu byť usporiadané len ako substituenty.

Na základe týchto prvkov je postavená polymérna chémia.

4.6. Typy polymérov

Polyméry sa získavajú buď synteticky, alebo extrahované zo živých organizmov (biopolyméry), alebo spracovaním už izolovaných prírodných polymérov.

Niektoré synteticky vytvorené polyméry existujú v prírode. Polyméry sa získavajú z monomérov - nízkomolekulových látok alebo v dôsledku transformácií hotových polymérov (syntetických alebo prírodných) - transformácií analogických polymérom.

1,4-cis-polybutadién v prírode neexistuje, získava sa synteticky z butadiénu.

1,4-cis-polyizoprén existuje v prírode (prírodný kaučuk), ale v prírode sa syntetizuje z glukózy a iných látok (nie však z izoprénu ako v priemysle)

Tento polyester je možné získať kondenzáciou poly-β-hydroxybutyrátu a súčasne ho syntetizuje aj množstvo baktérií.

Syntéza biopolymérov nebude v tomto kurze uvažovaná.

Mnohé prírodné polyméry sa synteticky vyrábajú veľmi ťažko. Vyrábajú sa v živých organizmoch ako výsledok zložitých biochemických reakcií.

Najdôležitejšie prírodné polyméry:

Príklady zahŕňajú reakcie polyesterifikácia:

HO-R-COOH + HO-R-COOH > HO-R-COO-R-COOH + H2O atď.

polyamidácia:

H2N-R-NH2 + ClOC-R"-COCl > H2N-R-NHCO-R"-COCl + HCl atď.

Navyše, na rozdiel od polymerizácie, elementárne zloženie polykondenzačných produktov sa v tomto prípade nezhoduje so zložením monomérnych zlúčenín, pretože každý chemický akt polykondenzácie je sprevádzaný uvoľňovaním molekuly produktu s nízkou molekulovou hmotnosťou.

Vyššie uvedené všeobecná schéma Polykondenzácii zodpovedajú aj niektoré typy procesov, ktoré nie sú sprevádzané uvoľňovaním produktov s nízkou molekulovou hmotnosťou. Patrí sem napríklad syntéza polyuretánov z glykolov a diizokyanátov:

HO-R-OH + O=C=N-R"-N=C=O > HO-R-O-CO-NH-R"-N=C=O atď.

Takéto polykondenzačné procesy sa často nazývajú polyadícia. Podľa kinetických zákonov sú polyadičné reakcie veľmi podobné polykondenzačným reakciám. V oboch typoch polykondenzačných procesov sa rast makromolekúl uskutočňuje prostredníctvom interakcie funkčných skupín molekúl monomérov alebo rovnakých skupín nachádzajúcich sa na koncoch už vytvorených reťazcov rôznych molekulových hmotností. Polymérne medziprodukty získané ako výsledok týchto reakcií sú celkom stabilné a môžu sa izolovať voľná forma. Na koncoch však obsahujú reaktívne skupiny, a preto sú schopné ďalších kondenzačných reakcií, a to ako medzi sebou navzájom, tak aj s príslušnými molekulami monomérov. Z toho vyplýva, že teoreticky možno polykondenzáciu považovať za úplnú až vtedy, keď zreagujú všetky koncové funkčné skupiny, výsledkom čoho je vytvorenie jednej obrovskej cyklickej makromolekuly. V praxi sa to však nikdy nedosiahne.

Otázky pre samostatné štúdium:

1. Aké prvky Periodická tabuľka schopný vytvárať polymérne reťazce?

2. Uveďte príklady polymérov vyrábaných synteticky.

3. Uveďte príklady prírodných polymérov.

Od rovnakého polyméru sa líši vo vysoko elastickom stave pohyblivosťou štruktúrnych prvkov makromolekúl, t.j. relaxačnými časmi: pre makromolekuly, segmenty a supramolekulárne útvary v sklovitom stave sú veľmi dlhé a často prekračujú skúšobný alebo operačný čas polymérov. Posledné uvedené je potvrdené skutočnosťou, že hodnota teploty skleného prechodu závisí od času expozície vzorky polyméru počas fyzikálneho alebo mechanického pôsobenia.

V závislosti od podmienok prebieha kryštalizácia triacetátu celulózy rôznymi spôsobmi.Vo väčšine prípadov dochádza k skladania polymérnych makromolekúl nepravidelne. Najvýraznejšie kryštalické oblasti sú slabo spojené so zvyškom polymérnej hmoty. Tieto výrazné kryštalické oblasti sú akoby ponorené do amorfnej oblasti triacetátu celulózy. Menej výrazné kryštalické oblasti sú pevnejšie spojené s polymérnou hmotou. nemožno oddeliť od zvyšku hmoty bez zničenia.

Zároveň je rýchlosť tvorby kryštalickej fázy z roztokov s nízkym presýtením veľmi nízka. Pre samovoľnú tvorbu jadier novej (kryštalickej) fázy je potrebná fluktuačná kombinácia skupiny segmentov viacerých polymérnych makromolekúl, a to nielen kombinácia v prísnom geometrickom poradí, ale aj kvantitatívna kombinácia, v ktorej je kritická hodnota nukleácie je prekročená. Stručne povedané, sú tu zachované všetky vzorce nukleácie charakteristické pre nízkomolekulové systémy, len s tým rozdielom, že v dôsledku nízkej mobility makromolekúl sa výrazne znižuje pravdepodobnosť vzniku kryštalizačného centra a izolácia kryštalického fáza vyžaduje veľmi dlhý čas alebo výrazné presýtenie roztoku, čo zvyšuje pravdepodobnosť aozity fluktuácie tvorby zárodkov. Ďalším obmedzením kryštalizácie môže byť dosiahnutie koncentrácií polyméru, pri ktorých je viskozita systému veľmi vysoká, pohyblivosť makromolekúl prudko klesá (pri sklenom prechode prakticky zmizne) a kryštalizácia sa stáva nemožnou. "Tieto extrémne prípady by sa mali zvážiť podrobnejšie, najmä pri analýze fázových premien v želé.

Konformáciu plochého cikcaku v polyetylénovej makromolekule možno ľahko dosiahnuť vďaka skutočnosti, že atómy vodíka majú malú veľkosť: ich van der Waalsov polomer je 0,12 nm (1,2 A). Keď sú atómy vodíka nahradené inými atómami alebo skupinami, napríklad atómami chlóru [polomer 0,18 nm (1,8 A) | alebo fluóru [polomer 0,15 nm (1,5 A)], vo väčšine prípadov už reťazec nedokáže udržať rovinnú konformáciu, pretože veľké atómy spôsobujú značné napätie v makromolekule. Preto má väčšina polymérnych makromolekúl špirálovitú konformáciu. V tomto prípade môže obdobie identity zahŕňať jedno alebo viac. špirálové otáčky. Napríklad v prípade polytetrafluóretylénovej makromolekuly, ktorá má pri teplote pod 20 °C tvar mierne skrútenej špirály, perióda identity [rovná 1,68 nm (16,8 A)] zahŕňa šesť závitov špirály, v ktorých je trinásť CF2 jednotky sa nachádzajú. V rozsahu teplôt 20-30 °C sa reťaz mierne odvíja, takže na jedno obdobie identity pripadá pätnásť článkov. Tvar makromolekuly polytetrafluóretylénu je blízky valcovitému tvaru. Pri teplotách nad 30 °C dochádza k čiastočnému neusporiadaniu štruktúry; reťaze, bez narušenia ich vzájomnej polohy, oscilujú alebo rotujú konzistentným spôsobom okolo svojich osí.

Konformáciu plochého cikcaku v polyetylénovej makromolekule možno ľahko dosiahnuť vďaka skutočnosti, že atómy vodíka majú malú veľkosť: ich van der Waalsov polomer je 0,12 nm (1,2 A). Keď sú atómy vodíka nahradené inými atómami alebo skupinami, napríklad atómami chlóru [polomer 0,18 nm (1,8 A)] alebo fluóru [polomer 0,15 nm (1,5 A)], vo väčšine prípadov už reťaz nemôže udržiavať rovinnú konformáciu, pretože veľké atómy spôsobujú značné napätie v makromolekule. Preto má väčšina polymérnych makromolekúl špirálovitú konformáciu. V tomto prípade môže obdobie identity zahŕňať jedno alebo viac. špirálové otáčky. Napríklad v prípade polytetrafluóretylénovej makromolekuly, ktorá má pri teplote pod 20 °C tvar mierne skrútenej špirály, perióda identity [rovná 1,68 nm (16,8 A)] zahŕňa šesť závitov špirály, na ktorých je trinásť CF2 jednotky sa nachádzajú. V rozsahu teplôt 20-30 °C sa reťaz mierne odvíja, takže na jedno obdobie identity pripadá pätnásť článkov. Tvar makromolekuly polytetrafluóretylénu je blízky valcovitému tvaru. Pri teplotách nad 30 °C dochádza k čiastočnému neusporiadaniu štruktúry; reťaze, bez narušenia ich vzájomnej polohy, oscilujú alebo rotujú konzistentným spôsobom okolo svojich osí.

Pri vyššej úrovni kryštalitu sú možné dva typy disperzie. Prvým je distribúcia jednej zložky v druhej na mikroúrovni vo forme jednotlivých kryštalitov umiestnených v oblastiach matrice s výrazným defektom hustoty; druhým je makrodistribúcia jednej zo zložiek ako dispergovanej fázy a druhý typ distribúcie sa pravdepodobnejšie vyskytuje pri významných koncentráciách dispergovanej zložky a v prípade zlého predbežného zmiešania. Avšak v oboch prípadoch by sa malo očakávať objavenie sa iného typu distribúcie polymérnych makromolekúl, ktorý je charakteristický pre prechodnú oblasť. Treba poznamenať, že keď je dispergovaná zložka distribuovaná na úrovni kryštalitu, fázové hranice sa budú pravdepodobne len málo líšiť od hraníc existujúcich v čistom polyméri, ktoré sú spôsobené prítomnosťou amorfných a kryštalických fáz.

Existuje množstvo experimentálnych údajov potvrdzujúcich prítomnosť prechodovej vrstvy na rozhraní medzi polymérmi. V zmesi kaučukov sa teda dá určiť kohézna energia. Ak by bola zmes jednofázová, potom by sa kohézna energia menila so zložením zmesi pozdĺž krivky ležiacej nad alebo pod aditívnou krivkou rovnakým spôsobom, ako sa mení teplo vyparovania zmesi kvapalín s nízkou molekulovou hmotnosťou. V dvojfázovej zmesi je interakcia polymérov obmedzená iba rozhraním a pri absencii prechodovej vrstvy by mala byť intenzita interakcie nízka. V tomto prípade si možno myslieť, že kohézna energia sa mení aditívne so zložením. Odchýlka od aditivity kohéznej energie v zmesi polymérov indikuje prítomnosť prechodnej vrstvy, v ktorej dochádza k interakcii polymérnych makromolekúl. Podľa energie súdržnosti v zmesi kaučukov

Plastifikácia polymérov sa zvyčajne považuje za technologickú metódu zvýšenia elastických a plastických vlastností materiálu, t. j. zníženie jeho krehkosti v dôsledku zavádzania špeciálne vybraných nízkomolekulárnych látok - zmäkčovadiel. V tomto prípade, ako je známe, body prechodu polyméru od jedného

Samotné slovo makromolekula je odvodené z gréckeho slova makros a doslovne sa prekladá ako veľká molekula. Termín bol prvýkrát publikovaný v prácach laureáta Nobelovej ceny Hermanna Straudingera v roku 1922. V literatúre sa vyskytujú aj náhradné slová - molekula polyméru, molekula polyméru, vysokomolekulárna látka alebo megamolekula. Vo vedeckej interpretácii je makromolekula molekula s veľkou hmotnosťou, pozostávajúca z opakovane sa opakujúcich nepodobných alebo rovnakých skupín atómov (väzieb), spojených chemickými väzbami do jedného reťazca. Počet atómov v jednej makromolekule dosahuje niekoľko miliónov. Všeobecne sa uznáva, že látka s molekulovou hmotnosťou nad 500-1000 amu je makromolekula. Príkladmi makromolekúl sú polyméry, polysacharidy, proteíny, DNA a RNA.

Najdôležitejšou vlastnosťou makromolekuly je schopnosť vykazovať pružnosť (meniť tvar) vplyvom tepelnej energie a vonkajších mechanických vplyvov. Konfigurácia makromolekuly však odráža jej štruktúru a mení sa iba vtedy, keď je väzba prerušená na chemickej úrovni.

Klasifikácia makromolekúl

Podľa molekulovej hmotnosti makromolekuly:

• nízka molekulová hmotnosť (do 500 amu)
• vysoká molekulová hmotnosť (od 5000 amu)

Podľa pôvodu makromolekuly:

• prírodné (proteíny, kaučuky, DNA)
• syntetické (získané procesom syntézy z látok s nízkou molekulovou hmotnosťou, napríklad polyuretánov, polyolefínov, polyamidov, polyesterov atď.)
• umelé (získané spracovaním prírodných polymérov, ako je celulóza)

Podľa chemického zloženia:

• organické (reťazec je tvorený atómami uhlíka)
• organoprvok (reťazec obsahuje atómy uhlíka)
• anorganické (v reťazci nie sú žiadne atómy uhlíka; reťazec je spravidla tvorený oxidmi)

Podľa štruktúry:

• lineárny (reťaz predĺžená v rade)
• rozvetvený (reťaz s bočnými vetvami)
• mesh (trojrozmerné zosieťované siete makromolekúl)

Podľa štruktúry:

• kryštalický (so stabilnou usporiadanou trojrozmernou štruktúrou)
• amorfný (nie štruktúrovaný)

Podľa spôsobu spracovania:

• termoplastické (pri zahriatí získavajú viskózne vlastnosti a po ochladení sa opäť menia na pevnú látku, napríklad polyetylén alebo polypropylén)
• termosetovanie (pri zahriatí sa štruktúra zničí bez prechodu do viskózneho tekutého stavu, napríklad polyuretánové alebo epoxidové živice)

Konformácia makromolekúl

Konformácia je charakteristikou geometrického usporiadania atómov makromolekuly v priestore (poradia), ktoré závisí od väzbových uhlov a dĺžok väzieb, a usporiadania reťazcov makromolekuly, ktoré zasa závisí od síl medzimolekulové interakcie. Jedna makromolekula teda môže mať určitý počet konformácií, t.j. priestorové štruktúry. Je to spôsobené tým, že na dlhých úsekoch sa vplyvom tepelného pohybu mení orientácia väzieb. V dôsledku toho získava dlhý molekulárny reťazec štatistický formulár zamotať (ako zamotané nite). Najhustejšia konformácia sa nazýva globula. Vytvorenie takejto konformácie je sprevádzané medzimolekulovými príťažlivými silami.

Makromolekula polyuretánovej peny (polyuretán)

Makromolekula polyuretánovej peny (PUF) je heteroreťazcový polymér pozostávajúci predovšetkým z uretánových skupín, ale obsahuje aj funkčné skupiny jednoduchých a polyesterových, amidových, močovinových a dokonca aromatických skupín. Pomer a prítomnosť týchto skupín v makromolekule určuje súbor fyzikálne a chemické vlastnosti konečný produkt z polyuretánovej peny. Polyesterové prvky v reťazci makromolekúl teda dodávajú PU pene elasticitu, zatiaľ čo uretánové a aromatické inklúzie dodávajú tuhosť. Aromatické skupiny spôsobujú zvýšenie fyzikálnych a mechanických vlastností a odolnosti voči zvýšeným teplotám.