Полимерлер

Полимерлер

 

Жоғары молекулалы қосылыстар немесе полимерлер (гр. πολύ- — көп, μέρος — бөлік, бөлігі) — молекула құрамында өзара химикалық немесе координаттық байланыстармен қосылған жүздеген, мыңдаған атомдары бар және өздеріне ғана тән қасиеттермен ерекшеленетін заттар тобы. Жоғары молекулалы қосылыстар көбіне молекулалары көп қайталанып отыратынмономерлер тізбегінен тұрады. Олардың ішіндегі ең қарапайымы — полиэтилен, оның мономері — этилен. Жоғары молекулалы қосылыстар табиғи (белоктар, нуклеин қышқылдары, табиғи шайырлар), жасанды (табиғи полимерді химикалық реактивтермен әрекеттестіру кезінде алынатын), синтетикалық (полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиамид, фенолды шайыр, т.б.) болып үш топқа бөлінеді. Табиғи

 

Жоғары молекулалы қосылыстар Биосинтез  барысында тірі организм клеткаларында түзіледі. Синтетикалық Жоғары молекулалы қосылыстар мономерлерді поликонденсациялау, полимерлеу арқылы алынады. Олардың тізбектері ашық, бірінен соң бірі түзу сызық бойымен орналасқан мономер бөліктерінен, тарамдалған немесе тор тәрізді Жоғары молекулалардан құралған (қ. Полимерлер). Жоғары молекулалы қосылыстар машина жасауда, құрылыста, ауыл шаруашылығында, электртехникада, медицинада, т.б. көптеген салаларда кеңінен қолданылады. 

 

Жоғары молекулалы қосылыстарды қысқаша  ЖМҚ деп стандартты атауға немесе "полимерлер" деуге болады. Полимерлер  ондаған және жүздеген мың, кейде  миллиондаған атомдардан тұратын үлкен  молекулалар.

Жоғары молекулалы қосылыстардың құрылымы

Атомдар санының өзгеруіне қарай макромолекулалардың сапалық қасиеттерінде де ерекшеліктері болады. Химиялық таза полимерлердің макромолекулалары қайталанып отыратын құрылым буындарынан құралады.

Құрылым буындарының саны полимерлену дәрежесі – n деп аталады, оның сан мәні 1000-нан 1 млн-ға жуық болуы мүмкін. Іс жүзінде кез келген полимерлер — құрамы және химиялық құрылысы бірдей, тек құрылым буын саны әр түрлі бірнеше макромолекуланың қоспасы. Егер құрылым буындары әр түрлі болса, онда сополимер деп атайды.

Полимер синтезделетін кіші молекулалы зат мономер деп аталады. ЖМҚ кұрамының күрделілігі оның молекулалық массасының да өте үлкен болуын қамтамасыз етеді. "Үлкен", "кіші" деген сөздер салыстырмалы шартты түрде қолданылады. Сондықтан Мr < 500 болса, кіші молекулалы, Мг >5000 болса, жоғары молекулалы қосылыс деп саналады. Ал 500 < Мг<5000 болса, онда олигомер (грек. "олигос" — "көп емес, шамалы" деген мағынаны білдіреді) деп аталады. Бұлай бөлудің негізі молекула шектен тыс көп атомнан тұратын жағдайда олардың сандарының шамалы өзгеруі қасиеттеріне аса көп әсерін тигізбейді, кейде тіпті өзгермейді.

Полимерлердің осындай ірі макромолекулаларының пішіні әр түрлі болады. Оларды: сызықтық, тармақты немесе торлыжәне кеңістіктік, т.б. деп бөледі. Табиғи полимерлерден целлюлоза мен табиғи каучуктың құрылымдары сызықты екенін білесіңдер, ал синтетикалық полимерлерден капрон, төменгі қысымда өндірілетін полиэтилен сызықты болады. Тармақты құрылымды полимерлерге: крахмал, полипропилен жатады. Жүн, резеңке мен фенолформаль-дегид полимерлерінің құрылымдары кеңістік болады. Полимерлердің физикалық қасиеттері полимерлену дәрежесі мен полимердің құрылымына тәуелді болады.

Полимерлер атаулының барлығында сансыз жіңішке жіптердіңқатарласа немесе шумақтала шатасып жатуы мүмкін емес. Ұсақмолекулалар бірімен-бірі түйін арқылы берік жалғасып, шарбак немесе торкөз тәрізді пішінде болады. Мұндай торкөздердің үш өлшемі: биіктігі, ұзындығы және ені болғандықтан, тримерлі молекула деп аталады (55-сурет).

Қазіргі кезде полимерлер өндіру қарқынды дамуда. Машина жасау, радио және электротехника, құрылыс, сонымен катар кеме, авто, ұшақ, ракета жасау өндірісін, жеңіл  өнеркәсіпті, тұрмысты полимерсіз көзге  елестету мүмкін емес. Полимерлердің  осындай көп түрлі болуы олардың химиялық құрамына, макромолекулаларында жеке бөліктерінің бір-бірімен қалай байланысқанына және олардың кеңістіктегі геометриялық орналасуына байланысты.

Полимер бұйымдарының бұрын байқалмаған  қасиеттері анықталып, өндіріске енгізілуде. Сондықтан полимер бұйымдары адамзат игілігіне айналып, техникалық өнердің, ғылымның жаңа қырынан дамуына өзіндік үлесін қосуда.

Қазіргі кезде адамзат ғарыштық биіктер мен өте терең бүрғылау ұңғымаларын бағындыра отырып, күрделі  электронды есептегіш машиналардың микроскопиялық тетіктерінен бастап, үлкен каналдар мен су қоймаларының гидрооқшаулағыштарын жасауға дейінгі барлық жағдайда полимер бұйымдарымен жұмыс істейді. Сондықтан қолданылатын орнына, мақсатына, жұмыстың түріне қарай полимер материалдарын қасиеттеріне сай пайдалану қажет. Қазіргі кезде қолданылып жүрген полимер бұйымдарын жалпы қасиеттері мен олардан жасалатын заттардың түріне, сондай-ақ өндіру әдісіне қарай төрт типке бөледі:

1. Конструкциялық пластиктер. Оларды көбіне пластмассалар деп атайды. Пластмассаға кейін толығырақ тоқталамыз. Басқа полимерлерден айырмашылығы мынадай: пластиктер — бөліну беріктігі 50—200 кг/см2 болатын қатты заттар.
2. Эластомерлер. Оған каучук, резеңке және осыларға ұқсас материалдар жатады. Эластомерлерге атына сәйкес жоғары (эластикалық) иілімділік, созылғыштық тән, деформациялығы қайтымды.
3. Талшықтар мен жіптер. Бұларға осы талшықтардан тоқылған маталар жатады. Бұл материалдардың қасиеттері молекулаларының үш өлшемінің қайсысын негізге алуға байланысты бір-бірінен айқын ерекшеленеді. Талшықты материалдардың беріктігі, иілімділігі, қаттылығы, кейде тіпті тығыздығы да анизотропиялық (дененің барлық немесе бірқатар физикалық қасиеттері әр бағытта әр түрлі) болады. Бұл бастапқы полимердің химиялық құрылымы мен жалпы қасиеттеріне байланысты.
4. Қабыршақтар, лактар, бояулар және басқа қорғағыш, әсемдегіш жабындар (пленкалар). Бұл заттарда қасиеттердің анизотропиялығы өте айқын байқалады. Лак, бояу материалдарының олар жабатын негізбен берік байланысында — адгезияның да маңызы зор. Сондай-ақ бұл типтегі материалдардың тағы бір ерекшелігі — алдын ала пішін жасауға болмайды. Оларды қорғалатын заттың бетіне жұқа қабатпен жағып, қолма-қол пайдаланады.

Полимер материалдарының  осы негізгі төрт типінен басқа  да қосымша түрлері бар. Мысалы, желімдеу, тығыздау үшін құйылатын қоспалар, газ толтырылған материалдар, т.б. Олардың барлығының да өзінің қолданылатын жері бар.

Құрылым буындарына қарай  ЖМҚ екіге бөлінеді: құрылым буындары бірдей болса, полимер, әр түрлі болса,сополимер деп аталады.

Полимерлер мономерлерден  синтезделеді, полимердің қайталанып отыратын ең кіші бөлігін құрылым буыны, ал олардың санын полимерлену дәрежесі деп атайды.

ЖМҚ молекулалық массаларына байланысты кіші молекулалы Мг<500, олигомерлер (500<Мг<5000), үлкен молекулалы М >5000 деп шартты түрде бөлінеді.

 

Жоғарымолекулалы қосылыстарға (ЖМҚ) молекулалық массасы (М) 1000–нан жоғары заттар жатады. Массасы мыңнан төмендегілерін олигомерлер, мономерлер дейді. Олар кішімолекулалы қосылыстар. Жоғарымолекулалы қосылыстардың табиғи және жасанды (синтетикалық) түрлері бар. Табиғи ЖМҚ: ақуыздар, биополимерлер, крахмал, клетчатка, полипептидтер, каучуктер т.б. Синтетикалық ЖМҚ: полиэтилен, полистирол, полиоксиэтилен, полиамидтер т.б. Егер ЖМҚ макромолекуласы біркелкі бөлшектерден мындап–миллиондап кайталануынан тұрса ол полимер. Полиэтилен (ПЭ) формуласы:

[–СН₂–СН₂–]_n ,

Мұндағы –СН₂–СН₂– полимер буыны, мономер қалдығынан тұрады, n–буынның қайталану саны, полимерлер дәрежесі.

Наноқұрылым – нанометр (нм = 10^-9м) дәрежесіндегі құрылым. Полимер құрылымы екі түрде болады: молекулалық және топмолекулалық. Молекулалық құрылымның да екі түрі бар: макромолекулала конфигурациясы  және микромолекулал конформациясы. Топмолекулалық құрылым (ТМҚ) түрлері көп: глобула, фабрилла, домен, ламель, дендрит, сферолит, (төмендегі суретте көрсетілген) монокристал, золь, гель, комплекс т.б. ТМҚ – бірнеше макромолекулалардан құралған ансамбль, яғни мөлшері атом мен молекуладан жоғары қосылыстар (10-100 нм). Соңғыларын оптикалық, ультракүлгіндік және электрондық микроскоптармен тікелей көруге болады. Осы күнге дейін оптикалық микроскоппен көре алатын мөлшері 1 мк (микрон) кіші құрылымдарды микроқұрылым (микроструктура) деп келгенбіз. Микроскоптардың үлкейту шамасы өскен сайын наноқұрылымдарды электрондық микроскоптармен байқауға болады.

Сурет. Полимерлердің топмолекулалық құрылымдарының түрлері:

а–кристаллит; б–фибрилла; в–радиалды сферолиттер; г–сақиналар  сферолиттер [1,2]. 

 

Ұлыбританиядағы электрон–микроскоптың  затты үлкейтуы 2,5 миллион рет. Бұл  рекордты шама. Көріну шамасы ангстремум (А⁰=10^-10 м) болса да ешкім молекула – атомдарды көре алған жоқ. Тек наноқұрылымдар (ТМҚ) байқалып жүр. Наноқұрылымдарды зерттеудің себебі–заттын физика–химиялық (жалпы) қасиеті тікелей наноқұрылымға байланысты. XXI ғасыр нанотехнология, биотехнология заманы болуы осыдан.

Өткен ғасырдың елуінші  жылдарына дейін (жарты ғасыр  өтті) ЖМҚ құрылымсыз деген пікір  болды. Крик (АҚШ) пен Уотсон (Ұлыбритания) дезоксирибонуклеин қышқылының (ДНҚ) «Қос спираль» құрылымын ашқаннан кейін (ДНҚ – ның   – құрылымы) және Циглер (Алмания) мен Наттаның (Италия) стереоретті полимерлер синтізінен бері ЖМҚ құрылымдарын зерттеу бум ретінде басталып кетті. 1962 жылдан бері табиғи және синтетикалық ЖМҚ құрылымдары мен қасиеттерін зерттеулері үшін әлемде отыздай ғылымдарға химия, медицина, биология саласында Нобель силықтары берілді. Бұл полимерлердің наноқұрылымың зерттеудің маңызын өте жоғары көтеріп тұр.

 

Полиэтилен

 

Полиэтилен — [—CH2——CH2—]n, ақ түсті термопластикалық полимер. Полиэтиленді алғаш AlBr₃ катализаторын қолданып, Г.Г. Густавсон алған (1884). 1933 — 36 ж 100 мПа қысым мен 200С температурада Англия мен КСРО-да, кейінірек Германия мен АҚШ-та өндіріле бастады. Өнеркәсіп жағдайында жоғары қысымды Полиэтиленді (тығыздығы 0,913 — 0,934 г/см3, балқу t 102 — 105С) және төмен немесе орташа қысымды Полиэтиленді (тығыздығы 0,919 — 0,973 г/см3, балқу t 125 — 137С) этиленнің полимерленуі нәтижесінде алады.

 

Полиэтилен  қасиеттері

Полиэтиленнің физ.-химиялық қасиеттері температураға өте тәуелді. Температура өзгергенде кристалдану дәрежесі, тығыздығы, т.б. көрсеткіштері өзгереді. Тығыздығы төмен Полиэтилен 20С-та айына 0,04% су сіңіреді, ал тығыздығы жоғары Полиэтилен үшін бұл көрсеткіш 0,01 — 0,04%. Бөлме температурасында органикалық еріткіштер әсер етпейді, тек ғана HNO₃-те, хлорланған және ароматты көмірсутектерде ериді.

Қолданылуы

Полиэтилен — халық  шаруашылығында өте кең қолданылатын полимер. Ол жұқа пленка, су құбыры, химиялық аппарат бөліктерін, құты, стакан, тығын, тех. бұйымдар, т.б. дайындауда, ауыл шаруашылығында көкөніс пен жеміс өсіру ісінде қолданылады. Қазақстанда Атырау қаласындағы химиялық зауыт түйіршікті Полиэтилен өндіріп, еліміздің 200-дей кәсіпорнын шикізатпен қамтамасыз етуде. Полиэтилен радиотехника мен телеқондырғыларда электроқшаулағыш, химиялық өндірістерде антикоррозиялық жабындар ретінде, сондай-ақ орама кабыршақтар мен ыдыстар жасауда, мата, қағаз, ағаш өнімдеріне сіңіруге қолданылады. Полиэтиленнен химиялық өнеркәсіпте корпустар, футеровкалар, сонымен қатар химиялық белсенді және күйдіргіш заттар әсер ететін жағдайларда жұмыс істейтін қондырғылардың әр түрлі бөлшектері жасалады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Жоспар

 

 

1. Полимерлер

2. Жоғары молекулалы қосылыстардың құрылымы

3. Полиэтилен

4. Полиэтилен қасиеттері

5. Қолданылуы

6. Пайдаланылған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пайдаланылған әдебиеттер

 

1. Ә. Темірболатова, Н. Нұрахметов, Р. Жұмаділова, С. Әлімжанова. Жалпы білім беретін мектептің жаратылыстану-математика бағытындағы 11-сыныбына арналған оқулық – Алматы: «Мектеп» баспасы, 2007.

 

2. “Қазақ Энциклопедиясы”, VII-том

 

3. Асаубеков М. А. Полимер құрылымы (оқу құралы) – Алматы: Ы. Алтынсарин атындағы Қазақтың білім академиясының Республикалық баспа кабинеті, 1999.

 

4. Ерғожин Е.Е., Құрманәлиев М.М. Жоғары молекулалы қосылыстар (оқулық) – Алматы: Print–s, 2008.