Раздел 14. Полимерные материалы в технике

14.1. Теоретическая часть

14.1.1. Классификация полимеров

Полимеры – это высокомолекулярные соединения, которые находят широчайшее применение в самых различных сферах деятельности человечества: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и технике, во всех видах транспорта. Полимеры отличаются от обычных низкомолекулярных соединений большой длиной и гибкостью макромолекул, что придаёт полимерам свойство высокоэластичности, т.е. способности к большим (порядка нескольких сотен процентов) обратимым деформациям. Твёрдые полимерные тела – пластики сочетают высокие модули упругости, сопоставимые по величине с моделями упругости обычных твёрдых тел (неорганическое стекло, металлы, керамика), с высокими разрывными удлинениями (на порядок большими, чем у обычных твёрдых тел). Поэтому полимерные тела менее склонны к хрупкому разрушению. Благодаря высокой анизотропии формы макромолекул полимеры образуют волокна с высокой прочностью.

Полимеры отличаются от низкомолекулярных соединений и тем, что при растворении проходят сначала через стадию набухания; вязкость разбавленных (до 1 %) растворов полимеров намного превышает вязкость растворов низкомолекулярных соединений той же концентрации. Высокие молекулярные массы полимеров существенно расширяют спектр их времен релаксации по сравнению с низкомолекулярными жидкостями. А сочетание больших молекулярных масс с высокими межмолекулярными взаимодействиями обуславливают ряд аномальных вязкоупругих свойств полимерных жидкостей, не характерных для низкомолекулярных соединений.

Среди полимерных материалов, выпускаемых промышленностью, ведущие позиции занимают:

– пластические массы и органические стекла;

– синтетические каучуки;

– синтетические и искусственные волокна;

– плёнки и многочисленные декоративно-защитные покрытия (краски, лаки, эмали).

К высокомолекулярным соединениям относятся также и биологические полимеры: нуклеиновые кислоты; мышечные белки; ферменты.

Все перечисленные выше особенности свойств полимеров связаны с их цепным строением. Именно цепное строение молекул полимеров является их важнейшим свойством, что позволяет дать им следующее определение:

Полимеры представляют собой особый класс химических соединений, специфика свойств которых обусловлена большой длиной, цепным строением и гибкостью составляющих их макромолекул.

Исходными веществами для синтеза высокомолекулярных соединений являются низкомолекулярные вещества (мономеры). В некоторых случаях для синтеза высокомолекулярных соединений (ВМС) используются также олигомеры.

Макромолекула - совокупность атомов или атомных групп, различных или одинаковых по составу и строению, соединённых химическими связями в линейную или разветвлённую структуру, достаточно большой молекулярной массы.

Наименьшая, многократно повторяющаяся группировка атомов цепи, называется звеном макромолекулы.

Существует несколько способов классификации полимеров.

1) По топологии, геометрии скелета макромолекулы полимеры подразделяют (рис. 14.1) на следующие виды:

Линейные – основная цепь макромолекул которых состоит из повторяющихся звеньев, соединённых друг с другом в линейную конструкцию (А).

Разветвленные полимеры состоят из макромолекул, основная цепь которых, в отличие от линейных, содержит произвольно расположенные боковые ответвления длиной от нескольких атомов до размеров основной цепи (Б). Предельный случай разветвлённых полимеров - звездообразные, макромолекулы которых представляют собой совокупность цепей, выходящих из одного центра (В). К разветвлённым относятся также гребнеобразные полимеры, содержащие короткие ответвления в каждом звене (Г).

Сшитые или сетчатые полимеры состоят из макромолекул, образующих пространственную сетку, охватывающую весь образец; в сшитых полимерах макромолекулы во многом утрачивают свою индивидуальность (Д). Среди сшитых полимеров различают густо- и редкосшитые, резко различающиеся по своим свойствам. К сшитым иногда относят, так называемые, "лестничные" полимеры, две параллельные цепи которых соединены поперечными связями в каждом звене (Е).

Рис.14.1. Схематическое изображение макромолекул различной топологии:

А – линейный полимер; Б, В, Г – разветвленные; В – звездообразный; Г – гребнеобразный; Д, Е – сшитые; Е – лестничный.

2) В зависимости от наличия в макромолекулах одного или нескольких различных типов мономерных звеньев различают гомо- и сополимеры, состоящие из одного и минимум из двух (или более) типов звеньев (табл. 14.1).

Таблица 14.1

Различные типы сополимеров

Тип полимера	Схема строения макромолекулы
1. Гомополимер	-А-А-А-А-А-А-А- (-А-)n
2. Сополимер (бинарный)
а) статистический	-А-В-В-А-В-А-А-В-А-В-В-
б) чередующийся	-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-
в) блочный	-А-А-А-А-А-А-А-А-В-В-В-В-В- -(А)-n -(B)-m
г) привитой	-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А-А- I I (B)n (B)m

3) В зависимости от атомного состава основной цепи различают гомоцепные (цепь построена из одинаковых атомов) и гетероцепные (цепь построена из разнородных атомов) полимеры.