Строение и структура полимеров

Полимерами называются соединения, в которых более или менее регулярно чередуются большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в линейные или разветвленные цепи, а также в пространственные сетки.

... - А - А - А - А -... [А]_n

Многократно повторяющиеся группировки называются мономерными звеньями, а большая молекула, составленная из звеньев - макромолекулой или полимерной цепью. Число звеньев в цепи - степень полимеризации и обозначается буквой “n”. Название полимера складывается из названия мономера и приставки “поли”.

этилен полиэтилен

Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называются гомополимерами. Полимеры, построенные из полимерных звеньев нескольких типов называются сополимерами.

Переход от низкомолекулярного соединения к полимеру происходит в результате роста числа повторяющихся звеньев. При этом существенно меняются физические и химические свойства, но при достижении определенного значения “n” они практически перестают изменяться несмотря на дальнейшее увеличение числа звеньев и с этого момента соединение становится полимером.

Промежуточное положение между низко- и высокомолекулярными соединениями занимают соединения, называемые олигомерами (олиго - немного), которые проявляют свойства характерные как для мономеров, так и для полимеров. Реакционноспособные олигомеры способны образовывать высокомолекулярные или сшитые полимеры. Полимерами могут служить низкомолекулярные каучуки, эпоксидные, фенолоформальдегидные смолы и др. При получении полимеров применяют и другие соединения - катализаторы, инициаторы, растворители и т.п.

По сравнению с низкомолекулярными соединениями полимеры обладают рядом особенностей: они могут находиться только в конденсированном твердом или жидком состоянии; растворы полимеров имеют высокую вязкость; при удалении растворителя полимеры выделяются не в виде кристаллов, как низкомолекулярные соединения, а в виде пленок; полимеры можно переводить в ориентированное состояние; для многих полимеров характерны большие обратимые деформации и т.п.

Специфические свойства полимеров обусловлены особенностями их структуры, знание основных параметров которой необходимо для создания научно обоснованных методов их регулирования.

Структурой полимера называется устойчивое расположение в пространстве всех образующих его элементов, их внутреннее строение и характер взаимодействия между ними.

В полимерах структурными элементами являются макромолекулы, которые стремятся занять наиболее энергетически выгодное положение друг относительно друга, образуя надмолекулярную структуру.

Особенности физических состояний полимеров (термомеханиче ский анализ – ТМА)

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные, лестничные и сетчатые.

Линейные макромолекулы представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки.

Разветвленные макромолекулы отличаются наличием боковых ответвлений.

Лестничные макромолекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями.

Пространственные полимеры образуются при сшивке макромолекул между собой в поперечном направлении химическими связями.

Отличительной особенностью полимерных молекул является гибкость. Гибкость цепи - это способность ее изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Она характеризует способность полимеров кристаллизоваться, определяет температурный интервал плавления, упругие, эластические и другие свойства.

Гибкость, в свою очередь, зависит от структуры элементарного звена молекулы. Например, макромолекулы полиэтилена, имеющие линейную структуру обладают высокой гибкостью и образуют кристаллическую фазу до 95% по объему, в то время как макромолекулы полистирола не гибки и поэтому не кристаллизуются и полимер характеризуется высокой хрупкостью

По структуре и отношению к температуре полимеры делятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные - полимеры, у которых при нагревании не образуется поперечных химических связей и которые при определенной температуре размягчаются и переходят из твердого в пластичное состояние.

Термореактивные - полимеры, которые на первой стадии образования имеют линейную структуру, а затем вследствие протекания химических процессов образуют пространственные сетки, затвердевают и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние.

Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ (мономеров) по реакциям полимеризации, поликонденсации, сополимеризации, а также путем химических превращений других природных и синтетических полимеров.

Полимеризация - процесс соединения нескольких мономеров, не сопровождающийся выделением побочных продуктов и протекающий без изменения элементарного состава. Полимеризацией получается такие полимеры как полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.

Поликонденсация - процесс соединения нескольких мономеров, сопровождающийся выделением простейших низкомолекулярных веществ (H₂O, HСl и т.д.). Поликонденсацией получаются фенолформальдегидные смолы.

Сополимеризация - полимеризация двух или большего числа мономеров различного строения. Сополимеризацией получаются сополимеры этилена с пропиленом (СЭП) и др.