Полимеры

ПОЛИМЕРЫ

Полимерами являются химические соединения, характеризующиеся высокой молекулярной массой, которая колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомов. Молекулы полимеров называются макромолекулами. Макромолекулы состоят из огромного числа мономерных звеньев, повторяющихся группировок. Атомы в составе макромолекул соединяются между собой посредством главных и (или), так называемых, координационных валентностей. В зависимости от происхождения полимеров различают природные полимеры и химические.

В связи  с этим принято различать три  класса полимеров – это природные  полимеры, выделенные из природных  объектов, синтетические полимеры, и искусственные полимеры, которые  получают химическими реакциями  природных полимеров.

Многие  из представителей этих групп полимеров известны практически всем достаточно хорошо. Это можно сказать, например, о синтетических полимерах - полиэтилене, из которого изготавливают пленку, применяемую в быту, полиамидах (капроне и найлоне), из которых получают волокно для изготовления различных изделий, эпоксидных смолах,  используемых для изготовления распространенного клея, полиэтилентерефталате, из которого изготавливают пластиковые бутылки.

К известным  природным полимерам можно отнести  полимеры группы полисахаридов, с которыми мы часто сталкиваемся в жизни, - целлюлозу, крахмал, хитин, являющийся основой панциря ракообразных, белки, без которых невозможна жизнедеятельность живых организмов, нуклеиновые кислоты, являющиеся передатчиками признаков наследственности живых организмов, в том числе, человека, лигнин, составляющий около 20-30% массы древесных растений.

Известны  искусственные полимеры, например, ацетил - и нитроцеллюлоза, являющиеся основой волокон, мембран, кинопленок и пороха, хитозан, продукт деацетилирования хитина, рассматриваемый сейчас как ценное сырье для медицинской промышленности, используемый как компонент кровезаменителей.

Расположение  атомов или атомных групп в  макромолекулах может быть разнообразным. Они могут быть вытянуты в линию  последовательности циклов или быть в виде открытой цепи.

Одинаковыми мономерными звеньями характеризуются молекулы гомополимеров.

                                                 

                                         

                                                    Рис.1

 

 

Такие полимеры называют линейными, примером может послужить натуральный каучук.

Полимеры могут представлять из себя цепи с разветвлениями (к разветвленным  полимерам относится аминопектин).

 

 

                                                    Рис.2

 

 

 

 

 

Полимеры могут представлять из себя полимеры трехмерной сетки (сшитые полимеры), к примеру, отвердевшие  эпоксидные смолы. 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Рис.3

 

 

Полимерам свойственны высокая механическая прочность, эластичность, электроизоляционные свойства и множество других ценных характеристик, что делает их незаменимыми как в быту, так и в разных отраслях промышленного производства. Наиболее широко применяются такие типы полимерных материалов, как пластмасса, резина, волокна, лаки и краски, клеи, а также ионообменные смолы.

Для производства полимеров требуется в 2-3 раза меньше капитальных вложений, чем для производства цветного металла. Исходными материалами для производства полимеров служат дешевые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа.

Широко распространено 12 марок  полимеров:

полипропилен - термопластичное синтетическое вещество класса полиолефинов, получаемое в результате полимеризации пропилена. Как и полиэтилен, полипропилен – белое твердое вещество;

полиэтилентерефталат – получаемый путем поликонденсации терефталевой кислоты и моноэтиленгликоля, термопластичный линейный полимер класса полиэфиров;

полистирол - представляющий из себя жесткий синтетический термопластичный аморфный полимер, который является продуктом полимеризации стирола;

поливинилхлорид - линейный термопластичный полимер, незаменимый в быту и промышленности, это пластик белого цвета с молекулярной массой 6000 – 160.000;

АБС пластик - получивший свое название по начальным буквам названий мономеров: акрилонитрила, бутадиена, стирола. Является термопластичным аморфным тройным сополимером;

полиуретаны - синтетические гетероцепные полимеры, в состав основных цепей этих полимеров входят макромолекулы уретановой группировки _NH_CO_O_.

фторопласт - синтетический термопластичный полимер класса фторолефинов. В состав фторопласта входят атомы фтора, характеризующиеся высокими показателями химической стойкости.

Пенопласт – вспененная или ячеистая пластмасса. Этот полимер наполнен газом и представляет из себя композиционные материалы с матрицей из полимерных пленок. Полимерные пленки образуют ребра и стенки пор, наполненных газом.

Фенопласт относится к термореактивным пластмассам, в основе которых лежат фенолоальдегидные смолы (в частности, фенолоформальдегидные) и включают в себя разнообразные наполнители, отвердители и некоторые другие добавки.

Полиамиды – представители многочисленной группы гетероцепных высокомолекулярных соединений. Химические звенья полиамидов соединяются амидной связью _NH_CO_.

поликарбонаты, полиэфиры диоксисоединений угольной кислоты.

Наиболее активно используется полиэтилен. Он относится к синтетическим  термопластичным неполярным полимерам  класса полиолефинов. Его получают полимеризацией этилена.

Различают природные или биополимеры, представителями которых являются нуклеиновые кислоты, природные смолы и белки, а также синтетические полимеры, такие, как полиэтилен, полипропилен и смолы фенолоформальдегидной группы. Биополимеры лежат в основе живых организмов и задействованы почти во всех процессах жизнедеятельности.

Расположение атомов и атомных  групп в макромолекулах полимеров может быть разнообразным. Это могут быть, как открытые цепи или вытянутые в линию последовательности циклов, так и цепи с разветвлениями и трехмерные сетки.

К первой группе относятся линейные полимеры, к примеру, натуральный каучук.

Сшитыми полимерами трехмерной сетки являются отвержденные эпоксидные смолы.

Поливинилхлориды, поликапроамиды и целлюлоза отличаются одинаковыми звеньями мономеров и получили название гомополимеров.

Способы получения полимеров разнообразны. Биополимеры являются продуктом жизнедеятельности животных и растений. Из древесины путем экстракции фракционного осаждения или другими методами кожи и шерсти животных получают протеин, целлюлозу, крахмалы, шеллак, лигнин и латекс. Как правило, процессы очистки, модификации биополимеров не влияют на структуру их основных цепей. В результате процесса переработки биополимеров получают искусственные полимеры. К ним относятся латекс, который получают из природного каучука, также целлулоид, получаемый из нитроцеллюлозы, пластифицированный камфарой с целью повышения эластичных свойств.

Особую  роль в росте производства и потребления органических материалов сыграли синтетические полимеры. Как природные, так и искусственные полимеры незаменимы в области получения изделия из пластмассы, современной техники и целлюлозно-бумажной индустрии. Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ путем синтеза. Они не имеют аналогов в природе. Благодаря синтетическим полимерам произошел резкий толчок в росте производства и использования материалов органического происхождения.

Широким применением полимеры обязаны  своим свойствам, важнейшими из них являются способность к образованию анизотропных высокоориентированных волокон и пленок, отличающихся высокой прочностью. Для линейных полимеров характерен ряд специфических комплексных физико-химических и механических свойств. За счет своей высокой молекулярной массы линейные полимеры склонны к большим, имеющим длительное развитие, обратимым деформациям. Эти полимеры, находясь в высокоэластичном состоянии, способны набухать, прежде, чем раствориться. Линейные полимеры характеризуются высокой вязкостью растворов. Эти свойства выражены в значительной мере меньше у полимеров с разветвлениями, трехмерными сетками и густыми сетчатыми структурами. Полимеры, сильно сшитые, не обладают растворимостью, не плавятся и не склонны к высокоэластичным деформациям.

Полимерам свойственны, как аморфные, так и кристаллические состояния. Для кристалличесих полимеров необходимо наличие в их структуре регулярных, достаточно длинных участков макромолекул. Кристаллические полимеры часто являются местом зарождения разнообразных надмолекулярных структур, к примеру, фибрилл, сферолитов, монокристаллов и т.д. Типы этих структур в значительной мере влияют на свойства полимерного материала. Незакристаллизированные полимеры реже образуют надмолекулярные структуры и могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, вязкотекучем и высокоэластическом. Эластомеры, полимеры, способны переходить из стеклообразного в высокоэластическое состояние при низкой температуре. Пластики, наоборот, для этого требуют высокой температуры.

Свойства полимеров очень разнообразны и варьируются в зависимости от их химического состава, строения молекул и их взаимного расположения. Примерами могут служить 1.4-цис-полибутадиен, состоящий из углеводородных цепей с характерной гибкостью. Он является эластичным материалом при температуре 20 градусов по Цельсию, а при нагревании до 60 градусов переходит в стеклообразное состояние, и полиметилметакрилат, состоящий из достаточно жестких цепей, при 20 градусах являющийся твердым, стеклообразным продуктом, и лишь при 100 градусах переходящий в высокоэластичное состояние. Целлюлоза также состоит из более жестких цепей, которые соединяются между собой водородными связями. Она не существует в высокоэластичном состоянии, пока не достигнута температура ее разложения. Даже при небольших отличиях в строении макромолекул наблюдаются большие отличия в свойствах полимеров. Например, стереорегулярный полистирол сохраняет свое кристаллическое состояние до температуры плавления, около 235 градусов, а нестереорегулярный, так называемый атактический, полистирол не склонен к кристаллизации, и при температуре около 80 градусов размягчается.

Полимерам свойственны следующие типы реакций: между макромолекулами в составе полимеров может происходить сшивание. Этот процесс можно наблюдать при вулканизации каучуков и в процессе дубления кожи. Молекулы полимеров могут распадаться на более короткие по размерам фрагменты. В боковых функциональных группах полимеров с низкомолекулярными веществами также образуются реакции, но они не затрагивают основную цепь. Такие превращения называют полимераналогичные. Кроме того, полимерам свойственны реакции внутри макромолекул между их функциональными группами. Примером является циклизация внутри молекул. Вышеупомянутое сшивание макромолекул зачастую сопровождается деструкцией. В качестве примера можно назвать получение поливинилового спирта, в основе которого лежит омыление поливинилацетата.

Полимеры вступают в реакции с низкомолекулярными веществами, их скорость ограничена скоростью диффузии низкомолекулярных веществ в фазу. Часто этот процесс наблюдается у сшитых полимеров. Кроме того, на скорость взаимодействия макромолекул в составе полимеров с низкомолекулярными веществами напрямую влияет природа и расположение соседних звеньев по отношению к реагирующему звену. Это же характерно и для внутримолекулярных реакций между функциональными группами в составе одной цепи макромолекул.

На некоторые свойства полимеров, такие, как стабильность, способность к вязкому течению и растворимость, можно легко влиять при помощи добавления примесей и добавок в небольшом количестве. Они вступают в реакции с макромолекулами, что меняет свойства полимеров. Например, линейные полимеры делают полностью нерастворимыми, добавив на 1 макромолекулу 1-2 поперечные связи. Таким образом, важнейшими характеристиками полимеров являются их химический состав, распределение молекулярной массы и сама молекулярная масса макромолекул, а также степень их разветвленности и гибкости и стереорегулярность. Именно от этих свойств в значительной мере зависят характеристики полимеров.

Самыми популярными методами переработки полимеров являются каландрование и отливка, прямое прессование полимеров и литье под давлением, а также экструзия, холодное, термо- и пневмоформование, формование из расплава, сухое и мокрое формование, вспенивание, армирование.

Формование из расплава, сухое и  мокрое формование используются для  изготовления волокон, а остальные  служат для переработки материалов с пластическими и эластомерными  характеристиками в промышленные.

Полимеры задействованы практически  во всех сферах деятельности человека, как в промышленности, так и  в сельском хозяйстве, а также  в медицине, культуре и быту. Они  удовлетворяют всем потребностям промышленности.