Высокомолекулярные вещества и полимерные материалы на их основе

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Высокомолекулярными соединениями (ВМС) называются вещества, которые являются продуктами реакции полимеризации или поликонденсации и представляют собой последовательное чередование одинаковых структур («элементарных звеньев»).

Процессы полимеризации и поликонденсации охарактеризованы в 12.5 и 12.6.

ВМС характеризуются большой молярной массой (отсюда и их название) и построены из повторяющихся «элементарных» звеньев, получающихся из исходных мономеров или их остатков (в случае, когда полимер получается при поликонденсации).

Полимер характеризуется степенью полимеризации (поликонденсации) п, т. е. числом молекул мономера, образовавших одну молекулу полимера. Для данного полимера величина п переменна, но имеет определенное, среднее значение, зависящее от условий проведения реакции полимеризации (поликонденсации). Поэтому для полимера применяют понятие «средняя молярная масса».

Молекулы полимеров велики по размерам, поэтому ВМС плохо растворимы, либо совсем нерастворимы в растворителях. По форме молекул различают три типа полимеров.

ВМС линейной структуры — молекулы не имеют боковых цепей и характеризуются длиной и шириной, при этом по форме могут быть и прямолинейны или образуют ломаную линию.

Линейными являются молекулы целлюлозы, полиэтилена, полученного при цепной полимеризации, и др.

Полимеры с разветвленными молекулами — молекулы таких полимеров, которые, помимо главной цепи, имеют боковые цепи; примером таких молекул являются молекулы амилопектина и т. д.

ВМС с пространственной, трехмерной структурой — молекула образована несколькими полимерными цепями, которые связаны друге другом химическими связями.

Молекулы таких полимеров характеризуются длиной, шириной и высотой. Их молекулярные массы очень велики; они значительно больше, чем у полимеров линейной и разветвленной структуры. Свойства полимеров пространственной трехмерной структуры значительно отличаются от таковых для полимеров других структур.

Линейные и разветвленные полимеры — термопластичны, а полимеры пространственной структуры — термореактивны.

Термопластичными называют полимеры, которые при нагревании размягчаются и в этом состоянии под влиянием механического воздействия способны изменять форму; при дальнейшем нагревании способны переходить в вязкотекучее состояние.

Термопластичными полимерами являются полиэтилен, полистирол, каучуки и др. Молекулы термопластичных ВМС относительно невелики по размерам и достаточно подвижны. При нагревании расстояние между ними увеличивается, поэтому молекулы термопластичных полимеров способны достаточно активно двигаться. Если сильно увеличить температуру, то происходит деполимеризация и полимер превращается в мономер (если это продукт реакции полимеризации). Полимеры, полученные при поликонденсации и небольшом нагревании, не подвергаются деполимеризации, а при сильном нагревании разлагаются.

Рассмотрим процесс деполимеризации на примере превращения полиэтилена в этилен:

Термореактивными называют полимеры, которые при умеренном нагревании не изменяются, а при высоком подвергаются разложению.

Термореактивность объясняется малой подвижностью крупных молекул полимеров: небольшое нагревание не позволяет этим молекулам перейти в подвижное состояние (т. е. они не превращаются в жидкость); сильное нагревание приводит к разрушению молекул. Термореактивными полимерами являются резина, целлюлоза, резитные и резольные фенолоформальдегидные смолы, а также другие ВМС.

По агрегатному состоянию большинство полимеров являются твердыми веществами (это зависит от степени полимеризации). Все термореактивные полимеры — твердые вещества. Термореактивные ВМС, как правило, аморфны, а термопластичные имеют три состояния — кристаллическое (строго упорядоченное), стеклообразное и аморфное. В определенных условиях может быть реализовано любое из этих состояний. Очень часто полимеры характеризуются определенной степенью кристалличности.

Стеклообразное состояние представляет собой переохлажденную жидкость, когда в твердом состоянии сохраняется структура жидкости. Стеклообразное состояние характеризуется прозрачностью. Для некоторых полимеров (каучуки) характерно и особое, эластическое состояние.

По характеру расположения мономеров в пространстве различают полимеры регулярной и нерегулярной структуры.

В практическом отношении лучшими свойствами (механическая прочность, стойкость к истиранию и др.) обладают полимеры регулярного строения, поэтому процессы получения полимеров ведут так, чтобы получались стереорегулярные полимеры, у которых реализуется строго определенное чередование в пространстве отдельных структур полимера (см. полипропилен).

Полимеры бывают природными (крахмал, целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты, природный каучук и др.) и синтетическими (полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.). Синтетические полимеры часто называют смолами.

Смола составляет основу искусственных полимерных материалов, которые называют пластмассами.

Пластмассы — однородные смеси смолы, наполнителя, антистарителя, красителя, пластификатора и других веществ.

Смола является связующим, наполнители позволяют снизить цену пластмасс, красители придают нужную окраску и т. д. В качестве наполнителя можно использовать различные отходы производства (опилки, стружки и др.), что позволяет снизить цену пластмассам и утилизировать отходы производства.

  • ? Задания для самостоятельной работы
  • 1. Поясните, в чем состоит принципиальная разница полимера по сравнению с другими химическими соединениями.
  • 2. Назовите типы химических реакций, в результате которых можно получить полимеры; приведите схемы таких процессов (по одному примеру).
  • 3. Назовите классы полимеров, исходя из их происхождения.
  • 4. Приведите пример полимера, образующегося: а) в растении; б) в организме животного.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >