Полимер
Полимер — высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов. [1] ), состоит из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группировок — составных звеньев, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные (например, целлюлоза) или разветвленные (например, амилопектин) цепи, а также пространственные трёхмерные структуры.
Часто в его строении можно выделить мономер — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, называют например поливинилхлорид (—СН2—СНСl—)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами.
Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат.
Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.
Содержание
Наука о полимерах
Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.
Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы
Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее.
Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях – путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.
В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы – целлулоид – был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы.
Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.
Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата – без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолетостроение в годы войны.
После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое еще до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон – искусственная шерсть из полиакрилонитрила замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шелк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера–Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны – наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны – элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.
Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.
Классификация полимеров
По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.
Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания отдельных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).
По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные, ленточные, пространственные, плоские.
По фазовому составу полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.
Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачки могут перемещаться относительно других элементов.
Кристаллические полимеры образуются тогда, когда их макромолекулы достаточно гибкие и образуют структуру.
По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются.
По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим.
Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, а затем, по причине протекания химических реакций, затвердевают (образуя пространственную структуру) и в дальнейшем остаются твердыми.
Природные органические полимеры
Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных – высокомолекулярных.
Особенности полимеров
Особые механические свойства:
Особенности растворов полимеров:
Особые химические свойства:
Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают уникальным для неживой природы свойством — гибкостью.
Полимеры – это вещества с высокой молекулярной составляющей. Одна большая молекула полимера содержит в каждом отдельном варианте:
несколько соединений мономеров, регулярно повторяющихся в одной цепочке.
В зависимости от того, как соединены мономеры в каждой данной макромолекуле, проявляются свойства полимера.
Что такое полимеры
Синтетические полимеры – это производные нефти. Большую часть из них получают за счет двух основных реакций – полимеризации и поликонденсации.
В реакцию полимеризации вступают вещества, которые имеют кратные связи мономеров. В итоге получают один продукт.
В реакцию поликонденсации вступают вещества, которые имеют в цепочке функциональные группы мономеров. При этом на выходе получают высокомолекулярный полимер и низкомолекулярное вещество (вода).
Полимеры являются не только искусственно созданными человеком веществами, но и природным строительным материалом для всего живого.
сложные углеводы – полимеры элементарных сахаров;
белки – полимеры аминокислот;
целлюлоза – полимер, находящийся в древесине;
кератин – является полимером и содержится в волосах, ногтях и перьях птиц;
хитин – полимер, скрепляющий панцири членистоногих;
производные нуклеиновой кислоты – гетерополимеры ДНК.
Открытие полимеров
ХХ век вполне обоснованно можно назвать веком полимеров. Открытие их не было целенаправленным исследованием. Первоначально они были побочным продуктом в ходе различных экспериментов и химических реакций.
Во время Второй мировой войны для потребностей американской армии велись разработки синтетического каучука для производства резины. В ходе неудачных экспериментов так же был открыт новый полимер в виде мастики с повышенной упругостью. Это было время создания оргалитового стекла и смол на основе фенолформальдегида. В химии появилась отдельная отрасль – полимеры.
Классификация полимеров
Полимеры имеют несколько классификаций.
В первую очередь их подразделяют по происхождению:
природные – каучук, белки, картофельный и кукурузный крахмал, древесная целлюлоза;
синтетические – капрон, полиуретаны.
Далее по молекулярной массе. Она указывает, насколько однородна молекула в ее химическом составе. От количества повторений одного структурного звена мономеров их построения зависит процент ее реакции и полимеризации. Поэтому в классификации большую роль играют дополнительные свойства.
Разветвленность молекулы
В зависимости от структуры полимеры обладают разными свойствами.
Их формулы отображают разные виды и строение молекул:
линейные – макромолекула состоит из одной цепочки мономеров;
разветвленные – в линейной цепочке присутствуют ответвления;
сетчатые – разветвленные макромолекулы имеют между собой связующие звенья.
Внутреннее строение мономеров
гомополимеры – цепочка однотипных звеньев мономера;
сополимеры – соединенные в одну цепочку звенья различного строения и улучшающее при этом свойства продукта.
Реакция на термическую обработку
Существует два вида:
Термопластичные – после нагревания возвращаются в исходную форму. Могут многократно подлежать переработке.
Термореактивные – под воздействием высоких температур разрушаются.
В результате различных процессов переработки полученные полимеры делят на 4 основные группы:
пластмассы – полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;
волокна – ацетатный шелк, вискоза;
эластомеры – каучук, резина (вулканизированный каучук);
Свойства полимеров
В зависимости от того, имеют ли полимеры органический состав или являются производными неорганических соединений, проявляются их основные свойства:
имеют высокую прочность при механическом воздействии;
нет точно определенной температуры плавления;
основная часть не растворима в воде;
сохраняют способность к вязким течениям;
не меняют своих качеств после нагревания и охлаждения;
пластичны, легко формуются;
Они могут быть мягкими, твердыми, гибкими, жесткими или прочными.
Применение полимеров
Без данных соединений не может развиваться и существовать современная цивилизация. Изделия, в основе которых лежит сырье с различным соединениями мономеров, необходимы как в повседневной жизни, так и для работы высокотехничных производств.
Предлагаемая таблица только в малой степени отображает примеры их применения.
Название полимерных соединений
Упаковочные материалы, изоляция электропроводов, детали машин, емкости для хранения кислот и щелочей, защита от коррозии нефтепроводов.
Игрушки, детали бытовой техники, внутренняя облицовка салонов машин и самолетов, фурнитура, корпуса для электроники, посуда.
Детали машин, оборудование для химической промышленности, искусственная кожа, рамы для окон ПВХ.
Органическое стекло, детали осветительных приборов, облицовка самолетов и машин.
Особо точные детали машин и электроники, замена металлических конструкций, стройматериалы.
Лампы, мачты, удочки, средства защиты, корпуса летательных аппаратов и машин.
Будущее высокомолекулярных соединений
В ходе молекулярной эволюции сама природа создала новые вещества в виде различных молекулярных соединений. Двигаясь по этому пути, ученые не только разрабатывают новые соединения, но и стремятся разрешать проблемы по безопасной утилизации продукции, которая используется не только в быту.
Опираясь за законы биологии, ученые активно работают над созданием умных высокомолекулярных соединений, получение которых сможет изменять их структуру и свойства в зависимости от окружающей среды. Ведутся разработки:
биоразлагаемых пленок, в состав которых входит природный полимер – кукурузный крахмал;
упаковки, которая будет менять цвет в зависимости от срока годности товара, и разлагаться без вреда для экологии;
ведется разработка эко-почвы с гидрогелем для засушливых зон природного земледелия;
создаются полимерные жидкости, которые будут менять свои свойства в зависимость от среды, в которой находятся (для экономии воды в нефтедобывающей отрасли);
фармацевтической полимерной упаковки для доставки лекарственных средств непосредственно к больному органу внутри организма человека;
С помощью гидрогелей создаются лекарства пролонгированного (длительного) действия, которые реагируют на изменения состава крови при сахарном диабете.
Человечество уже не может развиваться без полимерной продукции. Сейчас стоит вопрос о ее безопасности для экологии и переходе на новый уровень взаимодействия.
Московский государственный университет печати
Физико-химия полимеров
Электронное учебное пособие
| Зименкова Л.П. Физико-химия полимеров | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Начало | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Об электронном издании | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| Оглавление | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. | В настоящее время трудно назвать какую-либо отрасль промышленности и транспорта, сельского хозяйства, медицины, где можно обходиться без полимеров. В последние годы значительно увеличилось производство и применение полимеров, поэтому параллельно возникает задача рационального использования и уничтожения полимерных изделий. Она включает как изыскание вторичного сырья для полимерной и других отраслей промышленности, так и защиту природы от накапливающихся отработанных полимерных материалов. Поэтому задача специалистов наряду с созданием полимерных материалов решать и проблемы, связанные с утилизацией отработанных изделий. Наиболее изучены органические полимеры, которые классифицируются по типу мономера, из которого они получаются. Например, для полимера, образованного соответствующими углеводородами, названия образуются с помощью присоединения слова «поли»: полиэтилен, полипропилен и т.д. Концевые группы во внимание не принимают и пишут формулы без них. Ниже в табл. 1.1 приводятся названия некоторых из наиболее распространенных полимеров. Названия некоторых регулярных линейных полимеров Степень полимеризации определяет молекулярную массу полимера ( У полимеров значение молекулярной массы в среднем >5000 а.е.м. Промежуточные значения молекулярной массы от 500 до 5000 а.е.м. имеют вещества под названием олигомеры со сравнительно небольшой степенью полимеризации. В процессе синтеза полимера, когда степень полимеризации велика, практически невозможно получить совершенно одинаковые по размеру макромолекулы. Поэтому Повышенное содержание высокомолекулярных фракций в полимерах сообщает ему более высокие прочностные свойства, повышенную твердость и температуроустойчивость. Полимеры с большим содержанием низкомолекулярных фракций имеет низкие прочностные и худшие механические свойства. Значения Для примера расчета возьмем смесь из равных количеств молекул двух сортов: В нашем случае Для некоторых полимеров К среднечисловым методам относят методы определения числа молекул в разбавленных растворах полимеров: криоскопия, эбуллиоскопия. Среднемассовое значение молекулярной массы полимеров получают обычно методами, основанными на установлении массы отдельных макромолекул: • измерение скорости седиментации (см. «Коллоидная химия») • по скорости диффузии Химические связи между атомами в цепи длиной 1-1,5 В сетчатых полимерах между цепями имеются химические связи. Если число поперечных связей много меньше числа связей между атомами в главной цепи, соединение сохраняет свойства полимеров. Структура, характерная для графита, в которой энергия связи между атомами в плоскости и энергия связи между плоскостями значительно различаются, может считаться полимерной. Наличие огромных молекул и двух типов связей предопределяет все типичные свойства полимеров, которыми не обладают низкомолекулярные вещества. Поскольку все элементы, за исключением одновалентных, могут образовывать полимерные соединения, то любое вещество может быть переведено в полимерное. Выделение полимеров в отдельную группу веществ обусловлено наличием у них ряда особых свойств: 1. Цепное строение макромолекул предопределяет повышенную прочность сцепления между ними, что придает полимерам волокно- или пленкообразующие свойства. 2. Цепное строение наряду с гибкостью обусловливает наличие у полимеров эластичности, т.е. способности к большим обратимым деформациям под действием малых нагрузок. Большое число звеньев связано подвижно. Макромолекулу можно рассматривать как систему, состоящую из большого числа кинетически независимых элементов, к которым применимы законы статистической механики и термодинамики. 3. Растворы полимеров отличаются повышенной вязкостью, кроме того, полимеры способны значительно набухать в жидкостях и образуют ряд систем, промежуточных между твердым телом и жидкостью. © Центр дистанционного образования МГУП Не пропустите наши новые статьи: Подписаться авторизуйтесь 0 комментариев Старые | |||||||||||||||||||||||||||||||
»/>). Молекулярная масса полимера равна молекулярной массе исходного мономера, умноженного на степень полимеризации:
»/> и 
»/> определяются через мольную ( 
»/>) и массовую долю ( 
»/>) молекул определенного сорта по формулам:
»/> 
»/>
»/> = 1000 а.е.м и 
»/> = 10000 а.е.м.
»/> = 0,5.
»/> = 1000 / 1000 + 10000 = 0,099; 
»/> = 10000 / 1000 + 10000 = 0,901
»/> = 1,9
»/>, а между цепями на r=3-4