6 Полимеры в строительстве

6.1 Основные понятия химии высокомолекулярных соединений - полимеров

Высокомолекулярные соединения (ВМС) - это химические вещества с большой молекулярной массой, молекулы которых состоят из огромного числа (сотен и даже тысяч) атомов, обычно соединенных между собой ко-валентными связями. Такие молекулы называются макромолекулами. Не­смотря на большое количество атомов, химическое строение макромолекул не так уж сложно, так как они построены из связанных между собой одина­ковых, многократно повторяющихся групп атомов - элементарных звеньев. Высокомолекулярные соединения часто называют просто полимерами (от греч. poly - много, meros - часть).

Таким образом, полимеры - это общее название, данное широкому кру­гу веществ, обладающих высокой молекулярной массой (обычно > 5000), «комплекс свойств которых остается практически неизменным при добав­лении или удалении одного или нескольких составных звеньев». Мономер — исходное низкомолекулярное соединение, используемое для получения полимеров. Олигомеры занимают промежуточное положение между моно­мерами и полимерами. Они обычно имеют молекулярную массу менее 5000. Физические свойства олигомера изменяются при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев его молекулы.

Глядя на формулы фрагментов макромолекул полипропилена

легко понять, что их элементарные звенья, формулами которых отражают состав полимеров - это остатки мономеров, из которых полимеры полу­чены:

у полипропилена

у поливинилхлорида - мономер винилхлорид:

[—СН₂—СН(С1)—]_n СН₂ ═ СН(С1)

Число элементарных звеньев в макромолекуле (n) называется степе­нью полимеризации. Между этой величиной и молекулярной массой поли­мера (М_n) имеется следующее соотношение: М_n = n • М_n, где М_n - молекулярная масса элементарного звена.

Молекулярная масса полимеров - особенное понятие. Если для обыч­ных химических соединений молекулярная масса - величина постоянная, то для полимеров молекулярная масса - величина среднестатистическая. Это связано с тем, что полимеры обычно состоят из смеси макромолекул, имеющих различные размеры и массу. Поэтому для полимеров пользуются понятием средней молекулярной массы.

6.2 Классификация, структура и свойства полимеров

Свойства, проявляемые полимерами, зависят от ряда параметров: со­става цепи полимера и групп, находящихся в боковом обрамлении цепи; от длины и структуры основных цепей макромолекул, их гибкости; от распо­ложения отдельных цепей и даже их фрагментов друг относительно друга в объёме полимерного вещества и некоторых других факторов.

Полимеры могут быть классифицированы различным образом.

Природные и синтетические полимеры.

Природные полимеры - полимеры из натуральных материалов, напри­мер: белок, целлюлоза, натуральный каучук и др.

Искусственные полимеры - полимеры, которые получены путем хи­мической модификации природных полимеров (например, эфиры целлюло­зы).

Синтетические полимеры - полимеры, которые синтезируют из низ­комолекулярных веществ (например полиэтилен, поливинилхлорид, поли­амид и др).

Органические и неорганические полимеры.

По химическому составу органическими называют полимеры, в состав которых входят в основном атомы углерода и водорода в сочетании с ато­мами кислорода, азота, фосфора, серы и небольшого количества других элементов.

Неорганические полимеры не содержат атомов углерода (например, силикаты, алюмосиликаты и т.д.).

Гомоцепные и гетероцепные полимеры.

По химическому составу основной макромолекулярной цепи высоко­молекулярные соединения делятся на гомоцепные, цепи которых построе­ны из одинаковых атомов, и гетероцепные, макромолекулярная цепь кото-

рых содержит атомы различных элементов. Если цепи полимеров состоят только из атомов углерода, то такие полимеры называют карбоцепными.

Гомополимеры и сополимеры.

Иногда полимерные цепи бывают построены из разных элементарных звеньев. Такие полимеры называют сополимерами в отличие от гомополи-меров, которые содержат в цепи одинаковые элементарные звенья.Если различные элементарные звенья расположены в главной цепи случайным образом, то сополимеры называются нерегулярными (статистическими). Элементарные звенья могут иметь и строгую последовательность (регуляр­ность). Часто в состав сополимеров входят целые фрагменты (блоки), по­строенные из элементарных звеньев только одного вида. Такие сополимеры называются блоксополимерами, или привитыми сополимерами (рис. 19).

а - нерегулярный (статистический) сополимер;

б - регулярный (чередущийся) сополимер;

в - блоксополимер;

г - привитый сополимер

Рисунок 19 - Схематическое изображение различных типов сополимеров

Линейные, разветвленные и пространственные.

В зависимости от формы макромолекул высокомолекулярные соеди­нения бывают линейными, разветвленными и пространственными (трех­мерными).

Линейные макромолекулы можно представить в виде длинных нитей, поперечный размер которых ничтожно мал по сравнению с ее длиной.

Из природных полимеров линейное строение имеют целлюлоза, нату­ральный каучук, а из синтетических - полиэтилен, поливинилхлорид, по­лиамиды и многие другие полимеры.

Рисунок 20 - Схематическое изображение линейного полимера

В разветвленных полимерах основная цепь имеет длинные боковые ответвления, длина которых сопоставима с длиной основной цепи:

К таким полимерам относятся некоторые синтетические полимеры и привитые сополимеры.

Рисунок 21 - Схематическое изображение разветвлённого полимера

Пространственные (трехмерные) полимеры построены из соединен­ных между собой макромолекулярных цепей. В качестве таких «мостиков», осуществляющих поперечную химическую связь, могут выступать отдель­ные атомы или группы. Такие полимеры называют сетчатыми, или «сши­тыми». Это резина, фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные полимеры и некоторые другие:

Рисунок 22 - Схематическое изображение пространственного полимера

Аморфные и кристаллические

В аморфных полимерах в твердом состоянии макромолекулы распо­ложены хаотично, и принимают форму взаимопроникающих клубков с ближним порядком расположения элементарных звеньев.

Кристаллическое состояние полимеров возникает при упорядоченной укладке отдельных фрагментов цепей друг относительно друга, при этом можно говорить лишь о степени кристалличности полимера, так как чаще всего в кристаллическом полимере содержится также неупорядоченная аморфная фаза.

Термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагревании до определенной темпе­ратуры плавятся, т.е. переходят в вязкие жидкости без химических превра­щений. При охлаждении они снова возвращаются в исходное состояние, сохраняя первоначальные свойства. К термопластичным полимерам отно­сятся полимеры линейной и разветвлённой структуры.

Термореактивные полимеры при нагревании не плавятся. При дости­жении определенной температуры начинается разрыв отдельных цепей, в результате за счёт химических превращений, после охлаждения свойства полимера не сохраняются, т.е. происходит деструкция. К термореактив­ным относятся полимеры пространственной структуры.

Обычно термин «деструкция» употребляется для обозначения процессов уменьшения моле­кулярной массы полимера.