21.2. Классификация полимеров
По форме строения молекул полимеры разделяются на 3 группы:
1) линейные полимеры, состоящие из макромолекул, атомы которых соединены между собой химическими связями в длинные цепи.
Рис. 21.2. Линейная структура макромолекулы.
Соединения, имеющие линейную структуру макромолекул характеризуются высокой прочностью, значительной упругостью и способностью к высокоэластической деформации.
Пример: полиэтилен: (-СН2-СН2-)n.
2) разветвленные полимеры, в которых в основной цепи макромолекулы появляются ответвления, состоящие из многократно повторяющихся мономерных звеньев.
Рис. 21.3. Разветвленная система макромолекулы
Появление в макромолекулах разветвлений (боковых групп) увеличивает расстояние между отдельными макромолекулами, вследствие чего улучшается растворимость, повышается пластичность и снижается механическая прочность.
Пример: Полистирол [-СН2-СН-]n
|
С6Н5
3) Сетчатые, или трехмерные полимеры, в которых цепи, составляющие макромолекулы, образуют пространственную сетку. Цепи макромолекул сетчатых полимеров связаны между собой силами основных валентностей при помощи поперечных мостиков, образованных различными атомами.
Рис. 21.4. Структура пространственного полимера
Для макромолекул с пространственной структурой характерна высокая твердость и хрупкость, отсутствие растворимости, пластичности и эластичности при повышенной температуре.
В качестве примера образования "сшитых" молекул можно указать на реакцию вулканизации каучука, при которой в результате действия серы происходит соединение отдельных цепочек между собой.
По составу основной цепи макромолекулы полимера делят на 3 класса:
1) Карбоцепные полимеры, основные цепи которых построены только из углеродных атомов. К ним относятся полиэтилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полиметилметакрилат и т.д.
2) Гетероцепные полимеры имеют в основных цепях помимо углерода атомы кислорода, азота, серы (поликарбонаты, полиамиды, полиэфиры, полиакрилаты и др.).
3) Элементоорганические полимеры могут иметь в основных цепях атомы кремния, бора, алюминия, титана, никеля, германия.
21.3. Получение полимеров.
Полимеры получают путем соединения исходных элементарных группировок (низкомолекулярных веществ) в результате реакций полимеризации или поликонденсации.
Полимеризация - это процесс соединения отдельных молекул в одну большую молекулу без выделения каких-либо низкомолекулярных веществ, вследствие чего полимер имеет состав, одинаковый с исходным мономером.
Если полимеризуются одинаковые молекулы, то полимеризация называется гомополимеризацией и идет по схеме:
n.A(-A-)n,
где А - молекула мономера;
(-А-) - молекула полимера;
n - степень полимеризации, т.е. число молекул мономера, образующих одну молекулу полимера.
В случае полимеризации смеси различных мономеров процесс называется сополимеризацией и происходит по схеме:
n.A+n.B(-A-B-)n.
Процесс полимеризации может иметь ступенчатый или цепной характер.
Ступенчатая полимеризация заключается в том, что в начале две молекулы в димер, который, присоединяя еще одну молекулу, дает тример и т.д.
Процесс цепной полимеризации состоит из трех стадий:
1) возбуждение молекул;
2) рост цепи;
3) обрыв цепи.
Важнейшими факторами, определяющими процесс полимеризации, являются температура, давление, концентрация инициатора и мономера.
В настоящее время в промышленности применяются следующие методы полимеризации:
1) Блочный метод заключается в том, что смесь мономера с другими компонентами (инициаторами) заливают в форму и прогревают в ней до определенной температуры. Полимер получается в виде сплошного блока, чаще всего имеющего форму пластины или цилиндра. В качестве инициатора применяются чаще всего перекиси, например, перекись бензоила.
2) Полимеризация в растворителях может быть проведена двумя способами. В первом случае применяют растворитель, в котором растворимы как мономер, так и образующийся полимер. Образующийся конечный продукт представляет собой раствор полимера в растворителе. Во втором случае полимеризацию проводят в таком растворителе, в котором растворим только мономер. Образующийся при этом полимер непрерывно осаждается из раствора в виде суспензии и может быть отделен фильтрацией.
3) Полимеризация в водных эмульсиях является наиболее распространенным методом производства полимеров. При эмульсионной полимеризации мономер предварительно эмульгируют путем перемешивания в водной среде с добавкой эмульгаторов и затем добавляют инициатор, растворимый в воде или мономере. При перемешивании или взбалтывании происходит полимеризация. Для выделения полимера прибавляют кислоту или соль, что приводит к разрушению коллоидного раствора и осаждению полимера.
Поликонденсация - химический процесс получения высокомолекулярных органических соединений из различных низкомолекулярных исходных веществ, сопровождающийся отщеплением различных побочных продуктов (воды, спирта, хлористого водорода и т.д.). Образующиеся в результате поликонденсации высокомолекулярные соединения отличаются по составам от исходных веществ, тогда как при полимеризации исходный мономер и образующийся полимер имеет одинаковый состав.
Реакция поликонденсации носит ступенчатый характер.
Рост цепи происходит путем взаимодействия одной молекулы с другой, полученный продукт взаимодействует с третьей молекулой и т.д.
Н О Н О Н O Н О
| || | || | || | ||
Н-N-СН2-С-ОН+Н-N- СН2-С-ОН Н-N-СН2-С- N-СН2-С-ОН+Н2О
аминокислота.
Контрольные вопросы:
1. Что является основой пластмасс?
2. Какие компоненты входят в состав пластмасс и их назначение?
3. Как классифицируются полимеры?
4. Какие стадии включает процесс цепной поляризации?
5. Какие методы полимеризации применяются в промышленности?
Лекция № 22. Общие сведения о пластмассах