Полимер (от греческих слов poly — много и meros — доля, часть) — соединение с высокой молекулярной массой, макромолекулы которого состоят из очень большого числа простых, одинаковых, повторяющихся звеньев (мономеров) или повторяющихся группировок. Например, полиэтилен [– СН2 – СН2 –]n образуется из мономера этилена СН2 = СН2, где число n может достигать нескольких десятков тысяч единиц. Для макромолекулы полимера характерно то, что ее длина в тысячу раз и более превышает поперечный размер. Так, для полистирола при n = 6000 макромолекула имеет длину 1,5·10-6 м, а ее поперечный размер равен 1,5·10-9 м, т. е. в 1000 раз меньше. Простейшей моделью макромолекулы является нить, с насаженными на нее бусинками, причем эта нить находится в запутанном состоянии.
Молекулярная масса полимера может составлять от 5000 до 1000000 а.е.м. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.
По происхождению полимеры могут быть природными и синтетическими. Природными полимерами являются белки, полисахариды, целлюлоза, крахмал, натуральный каучук, слюда, асбест, природный графит. К синтетическим полимерам относятся синтезированные высокомолекулярные вещества, полученные полимеризацией или поликонденсацией (синтетические смолы, волокна, каучуки и т. д.). При этом ведущей группой используемых полимеров являются синтетические полимеры.
Поскольку макромолекулы образуют цепи, состоящие из отдельных звеньев и простирающиеся в длину на расстояния в тысячи раз большие, чем их поперечные размеры, то макромолекулам свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов — жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.
Если макромолекула состоит из звеньев различной природы, то материал называется сополимером. Введение в полимер звеньев другой природы позволяет получить материал с требуемыми свойствами. Например, в сополимере стирола помимо основного звена содержится каучук, благодаря чему повышается ударная вязкость материала.
Макромолекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную или сетчатую (сшитую) структуры (рис. 1).
Рис. 1. Структуры полимеров: а — линейная; б — разветвленная; в — сетчатая (сшитая)
Внутри макромолекулы между атомами во всех трех случаях действуют прочные ковалентные связи, энергия которых составляет 300…500 кДж/моль. У полимеров с линейной и разветвленной структурами между макромолекулами чаще всего действуют силы притяжения отрицательных и положительных частиц (силы Вандер-Ваальса), энергия которых составляет до 10 кДж/моль, т. е. в десятки раз меньше. У полимеров с сетчатой структурой между макромолекулами действуют, главным образом, прочные ковалентные связи.
Линейные полимеры обладают специфичными свойствами, в частности, способностью к образованию анизотропных высокоориентированных волокон и пленок, а также к большим обратимым деформациям. По мере перехода от линейных полимеров к разветвленным и сшитым полимерам комплекс их специфических свойств становится все менее выраженным. Трехмерные полимеры с очень большой частотой сетки этими свойствами вообще не обладают.
По химическому строению главной цепи различают гомоцепные и гетероцепные полимеры. Макромолекулы гомоцепных полимеров в составе главной цепи содержат одинаковые атомы (углерода, кремния, серы, фосфора и др.). Характерным представителем этой группы являются карбоцепные полимеры, главная цепь в молекулах которых состоит из атомов углерода. В макромолекулах гетероцепных полимеров в состав главной цепи входят различные атомы.
Полимеры могут находиться только в двух агрегатных состояниях (твердом и жидком). Перевод макромолекул полимеров в газообразное состояние без разрушения связей основной цепи невозможен.
Что такое полимеры
Синтетические полимеры – это производные нефти. Большую часть из них получают за счет двух основных реакций – полимеризации и поликонденсации.
В реакцию полимеризации вступают вещества, которые имеют кратные связи мономеров. В итоге получают один продукт.
В реакцию поликонденсации вступают вещества, которые имеют в цепочке функциональные группы мономеров. При этом на выходе получают высокомолекулярный полимер и низкомолекулярное вещество (вода).
Полимеры являются не только искусственно созданными человеком веществами, но и природным строительным материалом для всего живого.
К ним относятся:
- сложные углеводы
– полимеры элементарных сахаров;
- белки
– полимеры аминокислот;
- целлюлоза
– полимер, находящийся в древесине;
- кератин
– является полимером и содержится в волосах, ногтях и перьях птиц;
- хитин
– полимер, скрепляющий панцири членистоногих;
- производные нуклеиновой кислоты
– гетерополимеры ДНК.
Типы полимеров
По химическому составу различают:
- органические;
- элементоорганические;
- неорганические.
Органические полимеры:
- природные;
- искусственные (модифицированные);
- синтетические.
Природные полимеры
Такие полимеры можно найти в природе. Человек не участвует в производстве таких полимеров. В качестве примера можно привести белки, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и др.
Искусственные полимеры
Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.
Пример такого полимера — целлюлоза.
Синтетические полимеры
Произвести такие полимеры можно с помощью химического синтеза (т. е. химическим путём). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, чтобы получить синтетический полимер лавсан нужно поликонденсировать (т. е. провести химический опыт) терефталевую кислоту и этиленгликоль.
Пример — капрон, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы.
Элементоорганические полимеры
Содержат атомы других химических элементов, например кремния, алюминия, титана и др. Выделяют:
- термостойкие полимеры;
- полимеры с высокой электропроводностью и полупроводниковыми свойствами;
- вещества с высокой твёрдостью и эластичностью;
- биологические активные полимеры и др.
Химики получают такие полимеры при взаимодействии определённых органических веществ с солями или заменяя некоторые атомы углерода в молекулах на другие составляющие. Пример — полисилоксаны, полититаноксаны и др.
Неорганические полимеры
Полимеры, молекулы которых построены из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры можно обнаружить в составе земной коры.
Полимеры могут отличаться составом мономерных звеньев. Мономерное звено — это составная часть макромолекулы полимера. Различают:
- гомополимеры;
- гетерополимеры (или сополимеры).
Гомополимеры
Это такие полимеры, у которых одинаковые мономерные звенья. Например: полихлорвинил, поливинилацетат и полистирол.
Гетерополимеры
Это полимеры, которые имеют различные мономерные звенья. Например: сополимер хлористого винила с винилацетатом, сополимер стирола с бутадиеном.
Полимеры могут также подразделяются также на карбоцепные (или гомоцепные) и гетероцепные полимеры.
Карбоцепные полимеры
Главные цепи макромолекул таких полимеров включают только атомы углерода. Например: каучук.
Гетероцепные полимеры
Главные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но ещё и атомы кислорода, азота и серы. Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и др.).
Полимеры также могут подразделяться в зависимости от расположения мономерных цепей в пространстве. Различают:
- стереорегулярные (полимеры с линейной структурой);
- нестереорегулярные (или атактические).
Строение макромолекул полимеров может быть различным. Таким образом, есть полимеры:
- линейные;
- разветвлённые;
- лестничные;
- трёхмерные сшитые (сетчатые, пространственные).
Полимеры можно получить разными способами:
- если полимер получают с помощью поликонденсации, то такой полимер называют поликонденсационным (или реактопластами);
- если с помощью полимеризации — речь идёт о полимеризационном полимере.
В зависимости от реакции полимера на нагревание выделяют:
- термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол);
- термореактивные полимеры (полиэфиры, эпоксидные, меламиновые и фенольные смолы).
Открытие полимеров
ХХ век вполне обоснованно можно назвать веком полимеров. Открытие их не было целенаправленным исследованием. Первоначально они были побочным продуктом в ходе различных экспериментов и химических реакций.
Химик Лео Бакеланд со временем обратил внимание на эти бесполезные материалы, и в ходе его экспериментальной работы была получена пластмасса — полимер, который при изменении температуры и давления может принимать различные формы. С момента изобретения бакелита (первоначальное название пластмассы) началась эра производства полимеров.
Во время Второй мировой войны для потребностей американской армии велись разработки синтетического каучука для производства резины. В ходе неудачных экспериментов так же был открыт новый полимер в виде мастики с повышенной упругостью. Это было время создания оргалитового стекла и смол на основе фенолформальдегида. В химии появилась отдельная отрасль – полимеры.
Производство полимеров
Полимер. Что это такое? Это практически все, что нас окружает. Где же они производятся?
- Нефтехимическая (нефтеперерабатывающая) промышленность.
- Специальные заводы по производству полимерных материалов и изделий из них.
Это основные базы, на основе которых получают (синтезируют) полимерные материалы.
Классификация полимеров
Полимеры имеют несколько классификаций.
В первую очередь их подразделяют по происхождению:
- природные
– каучук, белки, картофельный и кукурузный крахмал, древесная целлюлоза;
- искусственные
– вискоза;
- синтетические
– капрон, полиуретаны.
Далее по молекулярной массе. Она указывает, насколько однородна молекула в ее химическом составе. От количества повторений одного структурного звена мономеров их построения зависит процент ее реакции и полимеризации. Поэтому в классификации большую роль играют дополнительные свойства.
Полимеры в различных отраслях науки и техники
Мы уже затрагивали вопрос о том, в каких областях применяются полимеры. Примеры, показывающие их значение в науке и технике, можно привести следующие:
- применение резины;
- антистатические покрытия;
- электромагнитные экраны;
- корпусы практически всей бытовой техники;
- транзисторы;
- светодиоды и так далее.
Нет никаких ограничений фантазии по применению полимерных материалов в современном мире.
Разветвленность молекулы
В зависимости от структуры полимеры обладают разными свойствами.
Их формулы отображают разные виды и строение молекул:
- линейные
– макромолекула состоит из одной цепочки мономеров;
- разветвленные
– в линейной цепочке присутствуют ответвления;
- сетчатые
– разветвленные макромолекулы имеют между собой связующие звенья.
Образование полимеров
Искусственные полимеры получают в результате трех типов реакций: полимеризации, поликонденсации, химических реакций. Полимеризацией называется процесс присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) к активному центру роста макромолекулы. Механизм полимеризации состоит из таких этапов, как: — образование центров полимеризации; — рост молекул путем последовательного присоединения новых звеньев; — перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают активно расти; — разветвление молекул; — прекращение процесса роста молекул.
Для того чтобы вызвать полимеризацию в исходном низкомолекулярном сырье, используют различные способы воздействия: высокое давление, высокие температуры, воздействие светом или облучением, катализатором. В результате полимеризации химический состав сырья и готового продукта остается одним и тем же, но меняется структура вещества.
Поликонденсацией называется процесс изготовления полимеров из многофункциональных соединений методом перегруппировки атомов и отделения побочных продуктов (воды, низкомолекулярных соединений). Способом поликонденсации, например, производят поликарбонаты, полиуретаны, фенолальдегидные смолы.
Реакция на термическую обработку
Существует два вида:
- Термопластичные
– после нагревания возвращаются в исходную форму. Могут многократно подлежать переработке.
- Термореактивные
– под воздействием высоких температур разрушаются.
В результате различных процессов переработки полученные полимеры делят на 4 основные группы:
- пластмассы
– полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;
- волокна
– ацетатный шелк, вискоза;
- эластомеры
– каучук, резина (вулканизированный каучук);
- биополимеры
— углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.
Примеры изделий из полимерных материалов
Прежде чем называть конкретные изделия из полимеров (их невозможно перечислить все, слишком большое их многообразие), для начала нужно разобраться, что дает полимер. Материал, который получают из ВМС, и будет основой для будущих изделий.
Основными материалами, изготовленными из полимеров, являются:
- пластмассы;
- полипропилены;
- полиуретаны;
- полистиролы;
- полиакрилаты;
- фенолформальдегидные смолы;
- эпоксидные смолы;
- капроны;
- вискозы;
- нейлоны;
- полиэфирные волокна;
- клеи;
- пленки;
- дубильные вещества и прочие.
Это только небольшой список из того многообразия, что предлагает современная химия. Ну а здесь уже становится понятным, какие предметы и изделия изготавливаются из полимеров — практически любые предметы быта, медицины и прочих областей (пластиковые окна, трубы, посуда, инструменты, мебель, игрушки, пленки и прочее).
Свойства полимеров
В зависимости от того, имеют ли полимеры органический состав или являются производными неорганических соединений, проявляются их основные свойства:
- имеют высокую прочность при механическом воздействии;
- нет точно определенной температуры плавления;
- основная часть не растворима в воде;
- сохраняют способность к вязким течениям;
- не меняют своих качеств после нагревания и охлаждения;
- диэлектрики;
- пластичны, легко формуются;
- водостойкие.
Они могут быть мягкими, твердыми, гибкими, жесткими или прочными.
Физические свойства полимерных материалов
Основные два агрегатных состояния, характерные для полимеров, это:
- аморфное;
- кристаллическое.
Каждое характеризуется своим набором свойств и имеет важное практическое значение. Например, если полимер существует в аморфном состоянии, значит, он может быть и вязкотекущей жидкостью, и стеклоподобным веществом и высокоэластичным соединением (каучуки). Это находит широкое применение в химических отраслях промышленности, строительстве, технике, производстве промышленных товаров.
Кристаллическое состояние полимеры имеют достаточно условное. На самом деле данное состояние перемежается с аморфными участками цепи, и в целом вся молекула получается очень удобной для получения эластичных, но в тоже время высокопрочных и твердых волокон.
Температуры плавления для полимеров различны. Многие аморфные плавятся при комнатной температуре, а некоторые синтетические кристаллические выдерживают довольно высокие температуры (оргстекло, стекловолокно, полиуретан, полипропилен).
Окрашиваться полимеры могут в самые разные цвета, без ограничений. Благодаря своей структуре они способны поглощать краску и приобретать самые яркие и необычные оттенки.
Применение полимеров
Без данных соединений не может развиваться и существовать современная цивилизация. Изделия, в основе которых лежит сырье с различным соединениями мономеров, необходимы как в повседневной жизни, так и для работы высокотехничных производств.
Предлагаемая таблица только в малой степени отображает примеры их применения.
| Название полимерных соединений | Сфера применения |
| Полиэтилен | Упаковочные материалы, изоляция электропроводов, детали машин, емкости для хранения кислот и щелочей, защита от коррозии нефтепроводов. |
| Полистирол | Игрушки, детали бытовой техники, внутренняя облицовка салонов машин и самолетов, фурнитура, корпуса для электроники, посуда. |
| Поливинилхлорид | Детали машин, оборудование для химической промышленности, искусственная кожа, рамы для окон ПВХ. |
| Полиметилметакрилат | Органическое стекло, детали осветительных приборов, облицовка самолетов и машин. |
| Поликарбонаты | Особо точные детали машин и электроники, замена металлических конструкций, стройматериалы. |
| Эпоксидные смолы | Лаки, клей, ламинат. |
| Полиэстеры | Лампы, мачты, удочки, средства защиты, корпуса летательных аппаратов и машин. |
Эластомеры и их сокращенные обозначения
- БК – статический сополимер изобутилена и 0,6 -3,0 % изопрена.
- ДСТ-30 – термоэластопласт с 30% блоков стирола.
- СКД – цис-полибутадиеновый.
- СКДЛ – цис-полиизобутиленовый (литиевый катализатор).
- СКИ – цис-полиизопреновый.
- СКМС-30 – бутадиен-метилстирольный.
- СКН-18, СКН-26 – бутадиен-нитрильные с указанным содержанием нитрила акриловой кислоты в макромолекуле (в %) и т.д.
- СКС-30, СКМС-30 – бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный с 30% стирола в молекуле.
- СКС-30А – бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.
- СКТВ – метилвинилсилоксановый [до 1% (мол.) винилового мономера]
- СКЭП – сополимер этилена (40-70%) и пропилена.
- СКЭПТ – сополимер этилена, пропилена и 1-2% несопряженного диена.
- СКУ – полиуретановый.
- ТЭП – термоэластопласт, блок-сополимер бутадиена и стирола.
Наука о полимерах
По-настоящему заниматься исследованиями структуры полимеров начали только в 20-м веке. Первоначально считалось, что природные полимеры типа крахмала и целлюлозы состоят из особых, но обычных по длине молекул, которые обладают способностью образовывать коллоидные растворы. Автором принципиально другой точки зрения, высказавшим предположении об необычно длинных макромолекулах, был немецкий химик Герман Штаудингер.
Необходимость найти замену натуральному каучуку для бурно развивающейся автомобильной промышленности стимулировала развитие науки о полимерах, которая окончательно сформировалась после Второй мировой войны.
