Полимеры и полимерные материалы

Полимеры (высокомолекулярные соединения, ВМС) - сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч и миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся эле­ментарных звеньев – мономеров.

[-М-]_n, где М – мономер; n – степень полимеризации.

Классификации полимеров по типу составных звеньев:

1. Неорганические (мономеры - неорганические молекулы).

2. Органические (мономеры – органические молекулы).

3. Элементоорганические  (мономеры – органические молекулы с неорганическими компонентами).   

Неорганические полимеры – полимерная сера, олово, селен, теллур. Самые распространенные – природные силикаты и алюмосиликаты, составляющие основу земной коры.

Рис. 1.9.2. Полимерные кремнекислородные цепочки в составе силикатов

 

 Органические полимеры – полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Полиэтилен – один из наиболее распространенных промышленных полимеров.

[-CН₂-CН₂-]n - полиэтилен

Элементоорганические полимеры – кремнийорганические полимеры (силиконы), политетрафторэтилен (фторопласт, тефлон).

Силиконы

[-CF₂-CF₂-]n - политетрафторэтилен

Полимеры широко распространены в природе (природные полимеры). К известным природным полимерам можно отнести полимеры группы полисахаридов - целлюлозу, крахмал, хитин (основа панциря ракообразных), белки, без которых невозможна жизнедеятельность живых организмов, нуклеиновые кислоты, являющиеся передатчиками признаков наследственности живых организмов, лигнин, составляющий около 20-30% массы древесных растений, природный (изопреновый) каучук, получаемый из сока топического дерева гевея.

[—СН₂С(СН₃)=СНСН₂—]_n - полиизопрен (природный каучук)

Некоторые полимеры получают путем химической модификации природных полимеров (искусственные полимеры). Например, ацетил- и нитроцеллюлоза, являющиеся основой искусственных волокон, мембран (первая) и кинопленки пленки и пороха (вторая), хитозан, продукт деацетилирования хитина, рассматриваемый сейчас как ценное сырье для медицинской промышленности, (2-гидроксиэтил)крахмал, используемый как компонент кровезаменителей.

[C₆H₇O₂(ONO₂)₃] _n, - тринитроцеллюлоза

[C₆H₇O₂(OСOСН₃)₃] _n, - триацетилцеллюлоза

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ путем синтеза.  Получение полимеров из низкомолекулярных веществ может быть осуществлено двумя путями:

1. Реакция полимеризации — процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономера) соединяются друг с другом, образуя новое вещество (полимер), молекулярная масса которого в целое число раз больше, чем у мономера. Полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями, например для пропилена (пропена):

полипропилен

Полимеризацией также получают полиэтилен, полистирол, поливинолхлорид, некоторые каучуки (эластомеры) – бутадиеновый каучук, хлоропреновый каучук, политетрафторэтилен, полиметилметакрилат.

Поливинилхлорид [-CH₂-CHCl-]n

Бутадиеновый каучук [-СН₂-СН=СН-СН₂-]n

Хлоропреновый каучук [-СН₂-ССl=СН-СН₂-]n

СН₃

Полиметилметакрилат [-CH₂-C-]n

СООСН₃

Частным случаем полимеризации является сополимеризация – процесс образования полимеров из двух или нескольких различных мономеров. Например, получение бутадиен-стирольного каучука [-СН₂-СН=СН-СН₂-]n-[-СН₂-СН(С₆Н₅)-]n, бутадиен-нитрильного каучука [-CH₂-CH=CH-CH₂-]n-[-CH₂-CH(CN)-]n.

2. Реакция поликонденсации — процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп побочных низкомолекулярных веществ (вода, аммиак, галогеноводород и т. п.). Состав элементарного звена полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера. Поликонденсацией получают фенолоформальдегидные смолы (ФФС) из формальдегида и фенола, найлон, капрон. Процессы сопровождаются выделением воды:

ε-аминокапроновая кислота капрон (поли-ε-капроамид)

[-NH-(CH₂)₅-NH-CO-(CH₂)₄-CO-]n - полигексаметиленадипинамид (найлон)

По своему строению полимеры бывают:

1. Линейные – получают при полимеризации или поликонденсации линейных молекул полимеров.

2. Разветвленные – получают при взаимодействии мономеров, имеющих боковые цепи.

3. Лестничные – получают при частичной сополимеризации соседних цепей.

4. Трехмерные сшитые  - получают в результате сшивки цепей, например, при вулканизации. Вулканизация – процесс насыщения каучука серой с образованием резины (до 5% серы) или эбонита (серы 20% и более).    

Рис. 1.9.3. Строение полимеров

Свойства полимеров зависят от их химического состава, молекулярной массы и структуры. Полимерам свойственны:

1. соединение макромолекул поперечными связями;

2. взаимодействие функциональных групп друг с другом, а также с другими низкомолекулярными веществами. Так, гидролиз (взаимодействие с водой) определяет распад полимеров в окружающей среде, что важно с экологической и медицинской точки зрения;

3. деструкция – разрушение полимеров под действием кислорода воздуха, света, теплоты, радиации. В ходе деструкции ухудшаются свойства полимеров – старение полимеров.

Большинство полимеров обладает высокими механическими свойствами, которые возрастают при переходе линейных форм в сшитые. Высокую механическую стойкость имеют пластмассы и композиционные материалы (композиты) на основе полимеров.

По электрическим свойствам полимеры делятся на:

1. диэлектрики (имеют очень низкую проводимость) – большинство полимеров;

2. полупроводники (имеют среднюю проводимость за счет сопряженных двойных связей);

3. проводники – получают введением в полупроводники различных неорганических катионов и анионов.