2.4.Особенности строения полимеров

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев — мономеров.

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n=10...20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием п увеличивается вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна. Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации.

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

В физикохимии высокомолекулярных соединений широко используется термин «структура полимера» – это устойчивое взаимное расположение в пространстве всех образующих его элементов, их внутреннее строение и характер взаимодействия между ними. Структура полимера включает понятия частичной или сплошной взаимной упорядоченности – надмолекулярные образования (глобулы, фибрилы и др.) и кристаллические. Различают структуру полимера на молекулярном и надмолекулярном уровнях [1,2].

Характерным для полимеров является наличие длинных цепных молекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Особенно следует отметить, что нет изолированных цепных молекул. Молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой, могущей иметь как полимерный характер (случай чистого полимера), так и характер обычной жидкости (разбавленные растворы полимеров). Характерные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. Именно в этом и состоит основная особенность строения полимерных тел.

Следующим фактором определяющим структуру полимера является способность молекул к изменению торсионных углов по простым химическим связям. В связи с подвижностью структур молекул даже в линейных полимерах цепи хаотически сворачиваются, переплетаются, образуя различные складки, за счет достаточной свободы вращения вокруг осей простых связей. Возникающая в результате этого конформация макромолекулы определяет размеры и формы пространства, которые макромолекула занимает в зависимости от суммарного влияния теплового движения и внешних сил. В зависимости от соотношения этих сил и интенсивности теплового движения могут реализоваться различные конформации (рис. 3).

Рис. 3. Конформация макромолекул

- статистического клубка (а). Характерна для многих линейных полимеров (полиэтилен, полипропилен, тринитроцеллюлоза и др.);

• спирали (белки, нуклеиновые кислоты) (б);

• глобулы (в). Такую конформацию имеют полимеры с очень сильным внутримолекулярным взаимодействием, например политетрафторэтилен;

• складчатая, характерна для полимеров в кристаллическом состоянии (д);

• коленчатого вала(поли -п-бензамин) (е);

• стержня или струны (г).

В растворах полимеров конформация молекул полимеров может зависеть от кислотности, ионной силы раствора. Также конформация может изменяться в вязкотекучем состоянии полимера.

Со структурой полимера связаны физические характеристики: кристалличность, эластичность, прочность, плотность, температуры стеклования и текучести. К специфическим свойствам следует отнести следующие способности: способность к значительным механическим обратимым высокоэластическим деформациям; к образованию анизотропных структур; к образованию высоковязких растворов при взаимодействии с растворителем; к резкому изменению свойств при добавлении ничтожных добавок низкомолекулярных веществ.