2. Классификация полимеров

Высокомолекулярные соединения (ВМС) - полимеры бывают природные, искусственные и синтетические. В качестве природных высокомолекулярных соединений используют натуральный каучук, природные смолы (шеллак, янтарь), казеин, целлюлозу. Искусственные полимеры получают выделением, очисткой и переработкой, модификацией природных полимеров. При взаимодействии целлюлозы с уксусным ангидридом получаются уксуснокислые эфиры целлюлозы – ацетаты целлюлозы, которые используются для получения ацетатного шелка, ацетилцеллюлозного этрола, лаков. Синтетические – синтезом из низкомолекулярных веществ. В настоящее время пластмассы вырабатывают главным образом на основе синтетических смол – полимеров, представляющих собой высокомолекулярные соединения.

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, состоящие из длинных цепных молекул, образованных многократным чередованием одинаковых групп атомов, которые соединены между собой химическими связями. При этом комплекс свойств полимера практически не изменяется при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев.

Молекулы полимеров из-за больших размеров называют макромолекулами, а многократно повторяющиеся группировки атомов — элементарными звеньями. Например, элементарным звеном макромолекулы полиэтилена ...—СН₂—СН₂—СН₂—... является участок цепи ...—СН₂—...

В настоящее время известно четыре основных метода синтеза высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных веществ (мономеров): полимеризация; поликонденсация; ступенчатая полимеризация; реакции превращения. Наиболее распространенными из них являются два первых метода.

Реакция полимеризации - это цепная реакция соединения, укрупнения молекул исходных веществ, в ходе которой молекулы мономера последовательно присоединяются к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Реакция полимеризации проходит без выделения побочных продуктов. Полимеризации подвергаются мономеры, в молекулах которых содержатся кратные двойные связи (или циклические группировки). Полимеризацией получают полиэтилен, полипропилен, полистирол и другие полимеры линейного и разветвленного строения.

Полимеры, состоящие из элементарных звеньев одинакового химического строения, называют гомополимерами, например ...—А—А—А—... (А - условное обозначение элементарного звена). Полимеры, молекула которых содержит элементарные звенья разного строения, называют сополимерами: в этом случае в реакцию полимеризации вступают молекулы не одного, а двух или нескольких мономеров. Схематично сополимер можно представить как ...—А—А—А—В—В—В—А—А—А—В—В—В—...

Сополимеризацией получают полимерные материалы, в которых сочетаются положительные свойства нескольких полимеров.

Реакция поликонденсации — это процесс последовательного присоединения нескольких молекул мономера одинакового или различного строения, протекающий по механизму замещения функциональных групп, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, например воды, аммиака. Макромолекулы образуются в результате химического взаимодействия между функциональными группами, находящихся в молекулах исходных веществ. Реакцией поликонденсации получают фенолоальдегидные, аминоальдегидные, полиэфирные и другие синтетические смолы – полимеры пространственного строения.

Свойства полимеров обусловливаются также характером расположения элементарных звеньев макромолекулы. В соответствии с этим различают полимеры линейные, разветвленные и сетчатые (сшитые). В линейных полимерах элементарные звенья располагаются в виде длинных цепей. Полимеры, в которых основная цепь имеет боковые ответвления, называют разветвленными. Сетчатые полимеры построены из цепных молекул, соединенных между собой поперечными химическими связями.

Линейные и разветвленные полимеры плавятся при нагревании и растворяются в соответствующих органических растворителях. К таким полимерам относят полиметилметакрилат, полиэтилен, полистирол и др. Сетчатые (сшитые) полимеры неплавкие и нерастворимые. Свойства сетчатых полимеров зависят от количества поперечных связей. С увеличением числа сшивок, т.е. частоты сетки, повышаются жесткость, твердость, теплостойкость. Типичными представителями сетчатых полимеров являются феноло-формальдегидные, аминоальдегидные и другие смолы.

Технологические свойства пластмасс влияют на выбор метода их переработки. К технологическим свойствам пластмасс относят: текучесть, влажность, время отверждения, дисперсность, усадку, таблетируемость, объемные характеристики. Например, усадка полимеров в различных направлениях по отношению к направлению течения для термо- и реактопластов различна, т.е. полимеры имеют анизотропию усадки. Усадка термопластов больше усадки реактопластов.

Для полимеров характерны два фазовых состояния — кристаллическое и аморфное, которые различаются порядком в расположении макромолекул. Кристаллическое состояние характеризуется упорядоченным расположением макромолекул относительно друг друга, аморфное — неупорядоченным. Количественной характеристикой кристаллического полимера является его степень кристалличности, определяемая как доля (в %) кристаллических областей в общей совокупности упорядоченных и неупорядоченных областей. С повышением кристалличности увеличиваются прочность, жесткость, плотность полимеров, но снижаются их эластичность и способность окрашиваться.

Термические и механические свойства зависят от расположения мономерных звеньев в полимерных цепях, поскольку полимеры могут кристаллизоваться, если цепи имеют регулярное строение и расположены параллельно друг другу. Чем выше степень кристалличности, тем тверже продукт, тем выше его температура размягчения и больше устойчивость к набуханию и растворению; низкой степенью кристалличности характеризуются более мягкие продукты с более низкими температурами тепловой деформации и более легкой растворимостью.