Общие свойства полимеров

Синтетические полимеры.

В настоящее время наряду с природными полимерами применяются синтетические и искусственные материалы. Учеными создано большое число высокомолекулярных соединений, которые используются в различных видах производства. Например, в самолете ТУ-104 используется до 120 000 различных деталей из пластмасс, органического стекла и других полимеров. В настоящее время невозможно производство радио- и электроаппаратуры так же, как и многих других машин и аппаратов, без использования синтетических высокомолекулярных соединений. Академик Н. Н. Семенов определил значение полимеров в наше время: “Если девятнадцатый век часто называют веком пара и электричества, то двадцатый век делается веком атомной энергии и полимерных материалов”.

Созданные химиками синтетические полимеры во многих случаях обладают лучшими физико-механическими свойствами, чем природные, поэтому многие из них являются не только заменителями природных веществ, а представляют собой совершенно новые вещества, не известные в природе.

Наиболее важный путь получения синтетических полимеров – это путь их синтеза из веществ с низкой молекулярной массой. Методы синтеза полимеров разделяются на две важнейшие группы: методы полимеризации и методы поликонденсации.

Поликонденсацией получают такие важные полимеры, как феноло-формальдегидные смолы, капрон, найлон, энант.

В последние годы создана химия новых синтетических полимерных соединений, в макромолекулах которых углеводородные звенья сочетаются с атомами, обычно не содержащимися в природных органических веществах. Такие высокомолекулярные синтетические вещества, получившие название полимерных элементорганических соединений, сочетают свойства, присущие неорганическим материалам и органическим полимером.

В настоящее время разработаны методы синтеза полимерных кремнийорганических, титанорганических, алюминийорганических и других элементорганических соединений. В этих методах в большинстве случаев используются процессы поликонденсации. Наиболее подробно разработаны синтезы кремнийорганических полимеров, которые обладают рядом ценных свойств: высокой термической стойкостью, хорошими диэлектическими свойствами, морозоустойчивостью и др., и поэтому нашли применение в качестве термо- и морозостойких масел, каучуков, пластических масс, цементирующих и гидрофобизирующих составов.

Наиболее важными показателями полимеров, определяющими их свойства, будут степень полимеризации и форма макромолекул.

Влияние степени полимеризации можно показать на примере полиэтилена [- СН₂ – СН₂ -] _п: при п <20 – это газообразное вещество, при п = 20 – жидкость, при п = 100 – воскообразное вещество, при п >500 – твердый продукт.

По строению макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные и сетчатые.

Линейными называются полимеры, макромолекулы которых в виде длинных неразветвленных цепей. Строение линейной макромолекулы можно представить схемой

… - М – М – М – М – М – М – М – М - …

где М – мономерная единица.

Гибкую линейную форму имеют молекулы многих синтетических и природных полимеров, натурального и некоторых видов синтетического каучука, полиэтилена, полихлорвинила, найлона, капрона, энанта и др.

Разветвленными макромолекулами обладают, например, крахмал, некоторые полисахариды, дивиниловые каучуки. Схематически разветвленную цепь макромолекул можно представить так:

|

М

|

… - М – М – М – М – М – М – М

| |

М М

| |

М

|

Сетчатыми называют полимеры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в пространстве поперечными химическими связями:

|

- М – М – М –-М –М

| |

- М – М - М – М – М

|

- М – М - М – М – М

| |

Сетчатыми полимерами являются, например, феноло-формальдегидные смолы, эбонит и др.

Линейные полимеры термопластичны, т.е. способны многократно размягчаться и принимать новую форму под влиянием тепла и деформирующей силы. В зависимости от температуры линейные полимеры могут быть в жесткоупругом твердом состоянии, напоминающем стекло. Такое состояние называется стеклообразным.

стеклообразное (упруготвердое)

Три состояния линейных полимеров - высокоэластичное (каучукоподобное)

пластичное (вязкотекучее)

При нагревании линейные полимеры становятся эластичными, как каучук; это состояние называется высокоэластичным. При более высокой температуре полимер переходит в вязкотекучее состояние, которое называется пластичным. Температура, при которой охлаждаемый полимер переходит из высокоэластичного состояния в твердое, называется температурой стеклования. Переход из высокоэластичного состояния в вязкотекучее характеризуется температурой текучести. Температуры стеклования и текучести являются не резким температурным переходом, а некоторым температурным интервалом, в пределах которого совершается этот переход. На температуры текучести и стеклования влияет молекулярная масса, строение цепей и характер взаимодействия между ними. Например, в каучуке цепи подвижные, и взаимодействие между ними очень слабое. Поэтому каучук имеет низкую температуру стеклования, и при обычных температурах находится в высокоэластичном состоянии. В полиамидах (найлон, капрон, энант) подвижность цепей ограничена за счет водородных связей. Поэтому они имеют более высокие температуры стеклования.

У сетчатых полимеров молекулы представляют собой жестко связанные каркасы, которые неспособны перемещаться. Поэтому сетчатые полимеры не могут переходить из одного состояния в другое и находятся, как правило, в жесткоупругом состоянии; при значительном повышении температуры они разлагаются. Сетчатые полимеры термореактивны, при получении они затвердевают необратимо.

Полимеры, как правило, аморфны, поэтому их часто называют смолами. Однако у полимеров, цепи которых обладают большой симметричностью, например у полиэтилена, могут возникать значительные кристаллические участки, распределенные в аморфной массе этого же вещества, которая составляет 40 – 60 % массы полимера. Кристалличность некоторых полимеров придает им повышенную жесткость. Наличие же у кристаллических полимеров областей с аморфной структурой придает им эластичность. У некоторых полимеров кристаллизация наступает при понижении температуры. Например, натуральный каучук при обычной температуре не содержит кристаллической фазы, но если его охладить до температуры ниже +10⁰С, то происходит кристаллизация. Процесс протекает очень медленно (несколько месяцев) и сопровождается понижением эластичности каучука.

Полимеры являются диэлектриками. Они обладают малой теплопроводностью, малой плотностью и высокой механической прочностью, в частности прочностью на разрыв. Прочность на разрыв увеличивается с увеличением молекулярной массы (степени полимеризации); с повышением температуры прочность на разрыв уменьшается. Прочность сетчатых полимеров повышается с увеличением числа поперечных связей между молекулярными цепями.

Под действием кислорода воздуха, света, нагревания и других факторов полимеры в обычных условиях хранения и эксплуатации претерпевают химические превращения, которые приводят к изменению свойств. Этот процесс называется старением полимеров. Чтобы этот нежелательный процесс предотвратить или значительно замедлить, в состав полимеров вводят специальные вещества стабилизаторы или, как их еще называют, антистарители. Благодаря им полимеры сохраняют на многие годы прочность и другие полезные качества.

Сочетание многих положительных свойств синтетических полимеров делает их незаменимыми материалами в современной технике. Полимеры применяются в производстве пластмасс, различных видов каучука, синтетических волокон, ионообменных смол, пленок, клеев, поверхностных покрытий. И нет в настоящее время области народного хозяйства, в которой не использовались бы полимерные материалы.

Дата добавления: 2014-01-04