Тема 6. Полимеры и полимерные материалы

Высокомолекулярные соединения (ВМС) – вещества, молекулы которых состоят из большого числа (не менее 1000) химически связанных атомов, а потому их молекулярные массы находятся в пределах 10⁴ – 10⁷.

Полимеры (от греч. "поли” – много, “мерос” – звено) – это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа повторяющихся однотипных атомных группировок (звеньев), связанных между собой ковалентными связями.

Трудно найти отрасль промышленности, где бы не применялись полимерные материалы. Сначала их использовали как заменители натуральных, а теперь многие из них превосходят по качеству и свойствам те, что создала природа, обладают уникальными свойствами. Замена металлов, дерева, природных волокон на искусственные и синтетические дает огромную экономию в народном хозяйстве, уменьшает расходы на производство и эксплуатацию получаемых изделий.

Расчеты американских специалистов показали, что капиталовложения в производство полимерных материалов приносит 100-кратную прибыль на единицу вложения.

К настоящему времени общий объем потребления в мире полимерных материалов составляет около 80 % от объема всех используемых материалов.

Скорость развития науки о полимерах космическая. Обратимся к истории: история меди насчитывает около 7000 лет, предметы из железа стали известны в Китае, Индии, Вавилоне примерно 4000 лет назад. А полимерные материалы начали производить в промышленном масштабе менее 100 лет назад.

Определим основные понятия.

Несмотря на многие сотни атомов, входящих в состав одной макромолекулы, химическое строение ее не так уж и сложно. Дело в том, что основой полимеров является элементарное звено.

Мер – элементарное звено полимеров – это группа одинаковых, многократно повторяющихся атомов, ковалентно связанных между собой.

Например, в краткой записи полиэтилена

[– СН₂ – СН₂ – ]_{n } степень

• полимеризации

мер

Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых получают полимеры.

Например, полимер полиэтилен [– СН₂ – СН₂ – ]_n получают из мономера этилена СН₂ = СН₂. Очевидно, что меры и мономеры являются изомерами.

Классификация полимеров

I. По происхождению

Полимеры (ВМС)
природные	искусственные	синтетические
Целлюлоза, белки, натуральный каучук	Химические модификации природных полимеров Эфиры целлюлозы	Нет природных аналогов; созданы человеком Полиэтилен, бакелиты, найлон

II. По составу

Полимеры
органические	неорганические	элементоорганические
а) карбоцепные – в цепи только атомы углерода – СН2[– СН2– СН2–] СН2– б) гетероцепные –СН2–О[–СН2–О–] СН2–О–	H H H H H      – Si – Si – Si – Si – Si –      H H H H H полисиланы	R R R    – Si – О – Si – О – Si –    R R R силоксаны R - радикалы

III. По строению молекул

Полимеры
линейные	разветвленные	лестничные	сетчатые
– А – А – А – А –	 – А – А – А – А –  – А – А – А – А – 	    – А – А – А – А –     – А – А – А – А –	Трехмерные полимеры, звенья которых образуют единую пространственную сетку.
Каучук, найлон	Полисахарид амилопектин	Некоторые искусственные волокна	Бакелиты, полисахарид гликоген

Полимеры, содержащие в одной макромолекуле различные типы мономерных звеньев – А₁ – А₂ – А₃ –, называются сополимерами.

IV. По отношению к нагреванию

Полимеры
термопластичные (термопласты)	термореактивные (реактопласты)
нагрев нагрев Тв  размягчение  разрушение ^охлажд.	нагрев Тв  разрушение (термическая де- струкция)
Главным образом, линейные полимеры, полученные по реакции полимеризации	Сетчатые и пространственные структуры (главным образом, полученные по реакции поликонденсации)

V. По агрегатному состоянию

Полимеры могут находиться в
кристаллическом состоянии	аморфном состоянии
Полимеры со стереорегулярной структурой (например, полипропилен)	Полимеры с неупорядоченным строением макромолекул (например, каучук, полиэтилен)

Для полимеров наиболее распространенным состоянием является аморфное. В свою очередь аморфные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: твердом или стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.

Физическое состояние аморфных полимеров
стеклообразное	высокоэластичное	вязкотекучее
Полимер представляет собой упругое, твердое тело, мало меняющее свою форму под воздействием механических нагрузок. После устранения нагрузки способны восстанавливать свою первоначальную форму.	Область обратимых деформаций. Под действием небольших механических нагрузок полимер легко возвращает свою первоначальную форму. При нагревании многие твердые полимеры становятся высокоэластичными (например, каучук, полистирол).	Область необратимых деформаций под воздействием механических нагрузок. В подобном состоянии находится полиэтилен, низкомолекулярный полиизобутилен. Значительное число полимеров переходит в из высокоэластичного в вязкотекучее состояние при нагревании.
Переход из стеклообразного состояния полимера в высокоэластичное (и наоборот) характеризуется температурой стеклования. Температура стеклования определяет эксплуатационные характеристики полимерных материалов: теплостойкость пластмасс, морозостойкость каучуков и резин. Так, например, водонепроницаемые покрытия плоских крыш (сополимер этилена с пропиленом) имеют tстеклования = 15^0С, а жевательная резинка +28^0С.
	Переход из высокоэластичного в вязкотекучее состояние характеризуется температурой текучести. Температура текучести определяет нижнюю границу температурного интервала переработки полимеров. Так, для большинства пластмасс температура текучести невысока (150 – 250^0С), что благоприятствует их переработке в изделия. Высокие температуры текучести (более 250^0С) близки к температуре плавления и разложения полимеров. Если область высокоэластичного состояния находится в интервале обычных температур, то такие вещества называют эластомерами.

Номенклатура полимеров

При построении названий полимеров к названию мономера прибавляют приставку “поли”. Схема реакции образования полимера может быть представлена следующим образом:

n СН₂= СН – СН₃[ – СН₂– СН –]_n



пропилен CH₃ полипропилен