ポリマーアーキテクチャ

高分子科学におけるポリマー構造は、分岐が厳密に直線的なポリマー鎖から逸脱する方法に関連しています。 ^[1]分岐はランダムに発生する場合もあれば、特定の構造をターゲットにするように反応が設計される場合もあります。^[1]これは重要な微細構造特性です。ポリマーの構造は、溶液粘度、溶融粘度、さまざまな溶媒への溶解度、ガラス転移温度、溶液中の個々のポリマーコイルのサイズなど、多くの物理的特性に影響します。

分岐は、ポリマー分子の成長末端が (a) 自分自身に戻るか、(b) 別のポリマー鎖に達すると形成されます。どちらの場合も、水素の抽出によって中間鎖成長部位が形成されます。

分岐は分岐指数によって定量化できます。

分岐に関連する効果は、化学架橋、つまり鎖間の共有結合の形成です。架橋はT _{g を}上昇させ、強度と靭性を高める傾向があります。他の用途の中でも、このプロセスは、硫黄による架橋に基づく加硫と呼ばれるプロセスでゴムを強化するために使用されます。たとえば、車のタイヤは、タイヤからの空気漏れを減らし、耐久性を強化するために高度に架橋されています。一方、消しゴムは、ゴムの剥離を可能にし、紙への損傷を防ぐために架橋されていません。高温での純粋な硫黄の重合は、硫黄が溶融状態で温度が上昇すると粘性が高くなる理由も説明しています。^[2]

架橋度の高いポリマー分子はポリマーネットワークと呼ばれます。^[3]架橋対鎖比が十分に高いと、各鎖が少なくとも1つ互いに結合した、いわゆる無限ネットワークまたはゲルの形成につながる可能性があります。^[4]

リビング重合の継続的な発展により、特定の構造を持つポリマーの合成がますます容易になっています。スターポリマー、コームポリマー、ブラシポリマー、デンドロン化ポリマー、デンドリマー、リングポリマーなどの構造が可能です。複雑な構造のポリマーは、特別に調整された出発化合物を使用するか、最初に線状鎖を合成し、さらに反応させて結合させることによって合成できます。結び目のあるポリマーは、単一のポリマー鎖内に複数の分子内環化単位で構成されています。線状ポリマーは、正式には接触トポロジーによって分類されるトポロジカル回路に折り畳まれることもあります。 ^[5]

一般的に、分岐度が高いほど、ポリマー鎖はコンパクトになります。分岐は鎖の絡み合い、つまり鎖が互いにすべり合う能力にも影響し、結果としてバルクの物理的特性に影響します。鎖の分岐が長いと、鎖あたりの絡み合いの数が増えるため、ポリマーの強度、靭性、およびガラス転移温度(T _g ) が上昇する可能性があります。一方、分岐間の鎖長がランダムで短いと、鎖同士の相互作用や結晶化の能力が損なわれるため、ポリマーの強度が低下する可能性があります。

分岐が物理的特性に与える影響の例は、ポリエチレンに見られます。高密度ポリエチレン(HDPE) は分岐度が非常に低く、比較的硬く、防弾チョッキなどの用途に使用されます。一方、低密度ポリエチレン(LDPE) は、長い分岐と短い分岐の両方が多数あり、比較的柔軟で、プラスチックフィルムなどの用途に使用されます。

デンドリマーは、すべてのモノマー単位が分岐点でもある分岐ポリマーの特殊なケースです。これにより、分子間の鎖の絡み合いと結晶化が軽減されます。関連する構造である樹枝状ポリマーは、完全に分岐しているわけではありませんが、分岐度が高いため、デンドリマーと同様の特性を持っています。

重合中に生じる分岐の程度は、使用されるモノマーの官能基によって影響を受ける可能性があります。 ^[6]たとえば、スチレンのフリーラジカル重合では、官能基数が2のジビニルベンゼンを添加すると、分岐ポリマーが形成されます。

• 回路トポロジー（線状ポリマーの折り畳み構造）