Полимеры — классификация, виды и основные свойства высокомолекулярных соединений

Полимеры – это высокомолекулярные химические соединения (ВМС), макромолекулы которых образованы из множества мономерных звеньев. Молекулы полимеров характеризуются огромной молекулярной массой, от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы. Существует несколько вариантов классификации полимеров.

• По химическому составу полимеры подразделяют на органические (полиэтилен), неорганические (силикаты) и элементоорганические (фторопласт-4).
• В зависимости от происхождения полимеры бывают природными, искусственными (модифицированными) и синтетическими.
• Классификация полимеров по составу их мономерных звеньев подразделяет полимеры на гомополимеры и гетерополимеры (или сополимеры).
• В зависимости от строения главной цепи, выделяют: гомоцепные и гетероцепные полимеры.
• По пространственному строению мономерных звеньев, полимеры подразделяются на стереорегулярные и нестереорегулярные (или атактические).
• По строению макромолекул полимеры бывают: линейные, разветвленные, лестничные и трехмерные сшитые (сетчатые, пространственные).
• В зависимости от реакции получения полимеры подразделяются также на полимеризационные и поликонденсационные.
• Важное практическое значение имеет классификация полимеров по отношению к температурному воздействию. По отношению к нагреванию выделяют термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол) и термореактивные полимеры (эпоксидные смолы).
  

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.

К ним относятся:

• 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.

Химик Лео Бакеланд со временем обратил внимание на эти бесполезные материалы, и в ходе его экспериментальной работы была получена пластмасса — полимер, который при изменении температуры и давления может принимать различные формы. С момента изобретения бакелита (первоначальное название пластмассы) началась эра производства полимеров.

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;

• искусственные

  – вискоза;

• 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.

Полимеры в различных отраслях науки и техники

Мы уже затрагивали вопрос о том, в каких областях применяются полимеры. Примеры, показывающие их значение в науке и технике, можно привести следующие:

• применение резины;
• антистатические покрытия;
• электромагнитные экраны;
• корпусы практически всей бытовой техники;
• транзисторы;
• светодиоды и так далее.

Нет никаких ограничений фантазии по применению полимерных материалов в современном мире.

Реакция на термическую обработку

Существует два вида:

1. Термопластичные

   – после нагревания возвращаются в исходную форму. Могут многократно подлежать переработке.

2. Термореактивные

   – под воздействием высоких температур разрушаются.

В результате различных процессов переработки полученные полимеры делят на 4 основные группы:

• пластмассы

  – полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;

  Читайте также:  Технологический процесс пайки металлов
• волокна

  – ацетатный шелк, вискоза;

• эластомеры

  – каучук, резина (вулканизированный каучук);

• биополимеры

  — углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.

Примеры изделий из полимерных материалов

Прежде чем называть конкретные изделия из полимеров (их невозможно перечислить все, слишком большое их многообразие), для начала нужно разобраться, что дает полимер. Материал, который получают из ВМС, и будет основой для будущих изделий.

Основными материалами, изготовленными из полимеров, являются:

• пластмассы;
• полипропилены;
• полиуретаны;
• полистиролы;
• полиакрилаты;
• фенолформальдегидные смолы;
• эпоксидные смолы;
• капроны;
• вискозы;
• нейлоны;
• полиэфирные волокна;
• клеи;
• пленки;
• дубильные вещества и прочие.

Это только небольшой список из того многообразия, что предлагает современная химия. Ну а здесь уже становится понятным, какие предметы и изделия изготавливаются из полимеров — практически любые предметы быта, медицины и прочих областей (пластиковые окна, трубы, посуда, инструменты, мебель, игрушки, пленки и прочее).

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;
• диэлектрики;
• пластичны, легко формуются;
• водостойкие.

Они могут быть мягкими, твердыми, гибкими, жесткими или прочными.

Физические свойства полимерных материалов

Основные два агрегатных состояния, характерные для полимеров, это:

• аморфное;
• кристаллическое.

Каждое характеризуется своим набором свойств и имеет важное практическое значение. Например, если полимер существует в аморфном состоянии, значит, он может быть и вязкотекущей жидкостью, и стеклоподобным веществом и высокоэластичным соединением (каучуки). Это находит широкое применение в химических отраслях промышленности, строительстве, технике, производстве промышленных товаров.

Кристаллическое состояние полимеры имеют достаточно условное. На самом деле данное состояние перемежается с аморфными участками цепи, и в целом вся молекула получается очень удобной для получения эластичных, но в тоже время высокопрочных и твердых волокон.

Температуры плавления для полимеров различны. Многие аморфные плавятся при комнатной температуре, а некоторые синтетические кристаллические выдерживают довольно высокие температуры (оргстекло, стекловолокно, полиуретан, полипропилен).

Окрашиваться полимеры могут в самые разные цвета, без ограничений. Благодаря своей структуре они способны поглощать краску и приобретать самые яркие и необычные оттенки.

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.

Х и м и я

Органическая химия

Полимеры.

Полимеры

(греч. πολύ- — много; μέρος — часть) — это сложные вещества, молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев –
мономеров
.

Полимеры

являются высокомолекулярными соединениями с большими молекулярными весами (порядка сотен , тысяч и миллионов).

Следующие два процесса приводят к Образованию высокомолекулярных соединений:

1. Реакция полимеризации,

2. Реакция поликонденсации.

Реакция полимеризации

Реакция полимеризации

– процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (
мономера
) соединяются друг с другом, образуя новое вещество (
полимер
), молекулярный вес которого в целое число раз больше, чем у мономера.

Полимеризация

, главным образом, характерна для соединений с кратными связями (двойной или тройной). Кратные связи в ходе реакции полимеризации преобразуются в простые (одинарные). Высвободившиеся в результате этого преобразования валентные электроны идут на установление ковалентных связей между мономерами.

Примером реакции полимеризации может служить образование полиэтилена из этилена:

Или в общем виде:

Характерной чертой этой реакции является то, что в результате образуется только вещество полимера и никаких побочных веществ, при этом, не выделяется

. Этим объясняется кратность весов полимера и исходных мономеров.

Реакция поликонденсации

Реакция поликонденсации

– процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений (мономеров).

Но в данном случае мономеры содержат две или несколько функциональных групп, которые в ходе реакции теряют свои атомы, из которых образуются другие вещества (вода, аммиак, галогеноводороды и т.д.).

Таким образом, состав элементарного звена полимера отличается от состава исходного мономера, а в ходе реакции поликонденсации мы получаем не только сам полимер, но и другие вещества

.

Пример реакции поликонденсации – образование капрона

из
аминокапроновой кислоты
:

В ходе этой реакции аминогруппа (-NH2

) теряет один атом водорода, а карбоксильная группа (
-СООН
) лишается входящей в неё гидроксильной группы (
-ОН
). Отделившиеся от мономеров ионы образуют молекулу воды.

Природные полимеры

Примерами природных высокомолекулярных соединений (полимеров) могут служить полисахариды крахмал

и
целлюлоза
, построенные из элементарных звеньев, являющихся остатками моносахарида (
глюкозы
).

Кожа, шерсть, хлопок, шелк – всё это природные полимеры.

Крахмал

Крахмал

образуется в результате фотосинтеза, в листьях растений, и запасается в клубнях, корнях, зёрнах.

Крахмал

– белый (под микроскопом зернистый) порошок, нерастворимый в холодной воде, в горячей — набухает, образуя коллоидный раствор (крахмальный клейстер).

Крахмал

представляет собой смесь двух полисахаридов, построенных из амилозы (10-20%) и амилопектина (80-90%).

Гликоген

Гликоген

– полимер, в основе которого лежит мономер мальтоза.

В животных организмах гликоген является структурным и функциональным аналогом растительного крахмала.

Гликоген

является основной формой хранения глюкозы в животных клетках.

Гликоген

образует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы.

По строению гликоген подобен , но имеет ещё большее разветвление цепей.

Целлюлоза

Целлюлоза

(или клетчатка) – наиболее распространённый растительный полисахарид. Она обладает большой механической прочностью и выполняет роль опорного материала растений.

Наиболее чистая природная целлюлоза

– хлопковое волокно – содержит 85-90% целлюлозы. В древесине хвойных деревьев целлюлозы содержится около 50%.

Белки

Белки

– полимеры, элементарные звенья которых представляют собой остатки аминокислот.

Десятки, сотни и тысячи молекул аминокислот, образующих гигантские молекулы белков, соединяются друг с другом, выделяя воду за счёт карбоксильных и аминогрупп. Структуру такой молекулы можно представить так:

Белки

– природные высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения. Они играют первостепенную роль во всех жизненных процессах, являются носителями жизни. Белки содержатся во всех тканях организмов, в крови, в костях.

Белки

содержатся во всех тканях организмов, в крови, в костях. Энзимы (ферменты), многие гормоны представляют собой сложные белки.

Белок

, так же как углеводы и жиры, — важнейшая необходимая часть пищи.

Природный каучук

Натуральный (природный) каучук

– полимер на основе мономера
изопрена
.

Природный каучук

содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея).

Другой природный продукт – гуттаперча

– также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Сырой каучук липок непрочен, а при небольшом понижении температуры становится хрупким.

Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации

– вводят в него серу и затем нагревают. Вулканизированный каучук называется
резиной
.

Синтетические полимеры

Синтетические полимеры

— это разнообразные материалы, обычно получаемые из дешёвого и доступного сырья. На их основе получают пластические массы (пластмассы), искусственные и синтетические волокна и пр.

Пластмассы

– сложные композиции, в которые вводят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств.

Полимеры и пластмассы

на их основе, являются ценными заменителями многих природных материалов (металла, дерева, кожи, клеев и т.д.).

Синтетические волокна

успешно заменяют натуральные – шёлковые, шерстяные, хлопчатобумажные.

При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластмассы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.

Полимеризационные смолы

К полимеризационным смолам относят полимеры, получаемые реакцией полимеризации преимущественно этиленовых углеводородов или их производных.

Примеры полимеризационных смол: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид и пр.

Полиэтилен.

Полиэтилен

– полимер, образующийся при полимеризации этилена.

Или сокращённо:

Полиэтилен

– предельный углеводород с молекулярным весом от 10000 до 400000. Он представляет собой бесцветный полупрозрачный в тонких слоях и белый в толстых слоях.
Полиэтилен
— воскообразный, но твёрдый материал с температурой плавления 110-125 градусов С. Обладает высокой химической стойкостью и водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью.

Его применяют в качестве электроизоляционного материала, а также для изготовления плёнок, используемых в качестве упаковочного материала, посуды, шлангов и т.д.

Свойства полиэтилена зависят от способа его получения. Полиэтилен высокого давления

обладает меньшей плотностью и меньшим молекулярным весом (10000- 45000), чем
полиэтилен низкого давления
(молекулярный вес 70000- 400000), что сказывается на технических свойствах.

Для контакта с пищевыми продуктами допускается только полиэтилен высокого давления, так как полиэтилен низкого давления может содержать остатки катализаторов – вредные для здоровья человека соединения тяжёлых металлов.

Полипропилен.

Полипропилен

– полимер пропилена, следующего за этиленом гомолога непредельных этиленовых углеводородов.

По внешнему виду это каучукоподобная масса, более или менее твёрдая и упругая.

Отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления.

Полипропилен

используют для электроизоляции, для изготовления защитных плёнок, труб шлангов, шестерён, деталей приборов, высокопрочного и химически стойкого волокна. Последнее применяют в производстве канатов, рыболовных сетей и т.д.

Плёнки из полипропилена

значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых. Пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать температурной обработке (варке и разогреванию и пр.).

Полистирол

Полистирол

образуется при полимеризации стирола:

Он может быть получен в виде прозрачной стеклообразной массы.

Применяется как органическое стекло, для изготовления промышленных товаров (пуговиц, гребней и т.п.).

Искусственный каучук

Отсутствие в нашей стране природного каучука вызвало необходимость в разработке искусственного метода получения этого важнейшего материала. Советскими химиками был найден и впервые в мире осуществлён (1928-1930) в прмышленном маштабе способ получения синтетического каучука.

Исходным материалом для производства синтетического каучука служит непредельный углеводород бутадиен

или дивинил, который полимеризуется подобно изопрену.

Исходный бутадиен получают из этилового спирта или бутана, попутного нефтяного газа.

Конденсационные смолы

К конденсационным смолам

относят полимеры, получаемые реакцией поликонденсации. Например:

• фенолформальдегидные смолы,
• полиэфирные смолы,
• полиамидные смолы и т.д.

Фенолформальдегидные смолы

Эти высокомолекулярные соединения образуются в результате взаимодействия фенола (С6Н5ОН

) с формальдегидом (
СН2=О
) в присутствии кислот или щелочей в качестве катализаторов.

Фенолформальдегидные смолы

обладают замечательным свойством: при нагревании они вначале размягчаются, а при дальнейшем нагревании затвердевают.

Из этих смол готовят ценные пластмассы – фенолопласты

. Смолы смешивают с различными наполнителями (древесной мукой, измельчённой бумагой, асбестом, графитом и т.д.), с пластификаторами, красителями и из полученной массы изготавливают методом горячего прессования различные изделия.

Полиэфирные смолы

Примером таких смол может служить продукт поликонденсации двухосновной ароматической терефталевой кислоты

с двухатомным спиртом
этиленгликолем
.

В результате получается полиэтилентерефталат

– полимер, в молекулах которого многократно повторяется группировка сложного эфира.

В нашей стране эту смолу выпускают под названием лавсан

(за рубежём – терилен, дакрон).

Из неё изготавливают волокно, напоминающее шерсть, но значительно более прочное, дающее несминаемые ткани.

Лавсан

обладает высокой термо-, влаго-, и свтостойкостью, устойчив к действию щелочей, кислот и окислителей.

Полиамидные смолы

Полимеры этого типа являются синтетическими аналогами белков. В их цепях имеются такие же, как в белках, многократно повторяющиеся амидные –СО–NH–

группы. В цепях молекул белков они разделены звеном из одного
С
-атома, в синтетических полиамидах – цепочкой из четырёх и более
С
-атомов.

Волокна, полученные из синтетических смол, — капрон

,
энант
и
анид
– по некоторым свойствам значительно превышают натуральный шёлк.

Из них вырабатывают красивые, прочные ткани и трикотаж. В технике используют изготовленные из капрона или анида верёвки, канаты, отличающиеся высокой прочностью. Эти полимеры применяют также в качестве основы автомобильных шин, для изготовления сетей, различных технических изделий.

Капрон

является поликонденсатом
аминокапроновой кислоты
, содержащей цепь из шести атомов углерода:

Энант

– поликонденсат аминоэнантовой кислоты, содержащий цепь из семи атомов углерода.

Анид

(
найлон
и
перлон
) получается поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты
НООС-(СН2)4-СООН
и гексаметилендиамина
NН2-(СН2)6- NН2
.