Класифікація полімерів

Лекція 8

Тема: «Полімери»

Полімерами називаються високомолекулярні хімічні сполуки, які складаються з численних елементарних ланок (мономерів), що представляють собою однакову групу атомів і пов'язаних між собою хімічними зв'язками.

Макромолекули являють собою довгі ланцюги з мономерів, що визначає їх більшу гнучкість. Окремі атоми в мономерах з'єднані між собою досить міцними ковалентними хімічними зв'язками. Між макромолекулами полімерів діють значно слабші фізичні зв'язки. Молекулярна маса їх становить від 5000 до 1000000. За таких великих розмірах макромолекул властивості речовин визначаються не тільки хімічним складом цих молекул, але й їх взаємним розташуванням і будовою.

Класифікуються полімери за різними ознаками: складом, формою макромолекул, фазовому стану, полярності, відношенню до нагрівання і т.д.

За природою всі полімери можна розділити на дві групи - природні і синтетичні. Полімери, що зустрічаються в природі - органічні речовини рослинного (бавовна, шовк, натуральний каучук та ін) і тваринного (шкіра, вовна та ін) походження, а також мінеральними речовинами (слюда, азбест, природний графіт, природний алмаз і ін). Синтетичні полімери отримують з простих речовин шляхом хімічного синтезу. Основною перевагою синтетичних полімерів перед природними є необмежені запаси вихідної сировини і широкі можливості синтезу полімерів з наперед заданими властивостями. Початковою сировиною для отримання синтетичних полімерів є продукти хімічної переробки нафти, природного газу та кам'яного вугілля. Отримувані при цьому низькомолекулярні речовини називають мономерами. Їх переробляють в полімери в процесі подальшої хімічної обробки.

За способом отримання полімери ділять на полімеризаційні і поліконденсаційні.

Полімеризація - процес хімічної сполуки великої кількості молекул мономеру в одну велику молекулу полімеру без зміни елементарного складу мономера. У процесі полімеризації не відбувається виділення побічних продуктів реакції. По елементного складу полімер і мономер ідентичні.

Поліконденсація - процес утворення полімеру з молекул різних мономерів в результаті хімічних реакцій з виділенням побічних продуктів реакції. Елементний склад полімеру відрізняється від складу брали участь у реакції поліконденсації мономерів.

Схематично формулу полімеру записують у вигляді [ М ] п де М - хімічну будову мономера; п - показник, що характеризує ступінь полімеризації.

За складом всі полімери поділяють на органічні, елементоорганічні, неорганічні.

Органічні полімери складають найбільш велику групу сполук. Якщо основна молекулярна ланцюг таких з'єднань утворена тільки вуглецевими атомами, то вони називаються карболанцюговими полімерами. У гетероланцюгових полімерах атоми інших елементів, присутні в основному ланцюгу, крім вуглецю, суттєво змінюють властивості полімеру. Так, у макромолекулах атоми кисню сприяють підвищенню гнучкості ланцюга, атоми фосфору і хлору підвищують вогнестійкість, атоми сірки надають газонепроникність, атоми фтору, повідомляють полімеру високу хімічну стійкість і т. д. Органічними полімерами є смоли і каучуки.

Елементоорганічні з'єднання в природі не зустрічаються. цей класс матеріалів повністю створений штучно. Вони містять у складі основної ланцюга неорганічні атоми Т1, А1), що поєднуються з органічними радикалами (СН3, СбН5, СН2). Ці радикали додають матеріалу, міцність і еластичність, а неорганічні атоми повідомляють підвищену теплостійкість. Представниками їх є кремнійорганічні сполуки.

До неорганічних полімерам відносяться силікатні скла, кераміка, слюда, азбест. У складі цих сполук вуглецевого скелета немає. Основу неорганічних матеріалів складають оксиди кремнію, алюмінію, магнію, бору, фосфору, кальцію та ін Органічні радикали у складі неорганічних полімерів відсутні. До неорганічних відносяться і полімери, основне молекулярне ланка яких, як і у випадку органічних полімерів, складається з атомів вуглецю, як, наприклад, графіт і алмаз, причому графіт містить і незначна кількість атомів водню. Однак на відміну від органічних полімерів, що утворюють основне молекулярне ланка переважно у вигляді лінійних ланцюгів, графіт і алмаз утворюють просторові структури. Це надає їм властивості, що різко відрізняються від властивостей органічних полімерів. Графіт є єдиним речовиною, що залишаються в твердому стані при температурі понад 4000 ° С, а алмаз є самим твердим речовиною.

За формою макромолекул полімери ділять на лінійні (цеповідние), розгалужені, плоскі, стрічкові (сходові), просторові чи сітчасті. Лінійні макромолекули полімеру являють собою довгі зигзагоподібні або закручені в спіраль ланцюжка (рис. 1, а).

Гнучкі макромолекули з високою міцністю уздовж ланцюга і слабкими міжмолекулярними зв'язками забезпечують еластичність матеріалу, здатність його розм'якшуватися при нагріванні, а при охолодженні знову укріпляти (поліетилен, поліаміди та ін.)

Розгалужені макромолекули (рис. 1, б), будучи також лінійними, відрізняються наявністю бічних відгалужень, що перешкоджає їх щільній упаковці (поліізобутилен).

Макромолекула сходового полімеру (рис. 1, в) складається з двох ланцюгів, з'єднаних хімічними зв'язками. Сходові полімери мають більш жорсткий основний ланцюг і володіють підвищеною теплостійкістю, більшою жорсткістю, вони нерозчинні в стандартних органічних розчинниках (кремнійорганічні полімери).

Просторові полімери утворюються при з'єднанні («зшивці») макромолекул між собою в поперечному напрямку міцними хімічними зв'язками безпосередньо або через хімічні елементи або радикали. У результаті утворюється сітчаста структура з різною густотою сітки. Редкосетчатие (сітчасті) полімери (див. рис. 1, д) втрачають здатність розчинятися і плавитися, вони володіють пружністю (м'які гуми). Густосетчатие (просторові) полімери (див. рис. 1, г) відрізняються твердістю, підвищеною теплостійкістю, нерастворимостью. Просторові полімери лежать в основі конструкційних неметалевих матеріалів. До сітчастим полімерам відносяться також пластинчасті (паркетні) полімери (рис. 1. Е).

Рис. 1. Форми макромолекул полімерів.

У структурі реальних полімерів практично завжди містяться як аморфна, так і кристалічна частини. За домінуванням тієї чи іншої структури полімери ділять на аморфні і кристалічні.

Характерними елементами надмолекулярної структури полімерів є глобула (рис. 2, а) для аморфних структур і пачка (рис. 2, б) для кристалічних. Глобула являє собою згорнуті в клубок ланцюга макромолекул полімеру або їх агрегатів. Пачка складається з паралельно розташованих ланцюгів, причому сумарна довжина пачки, як правило, перевищує довжину окремих ланцюгів макромолекул полімеру.

Аморфний стан для більшості полімерів термодинамічно більш стійко, що визначається енергетично більш вигідною формою надмолекулярного освіти аморфного полімеру: глобула має мінімумом вільної енергії.

Виділяється в процесі полімеризації кристалізується полімеру пачка макромолекул характеризується анізометрі, тому енергетично вигідним є її розташування паралельно поверхні кристалізації. Взаємоузгоджена орієнтація макромолекул відносно поверхні кристаллизующихся полімерів визначає все різноманіття надмолекулярних структур кристаллизующихся полімерів. Термодинамічно найбільш стійкою формою надмолекулярного освіти є сфероліт (рис. 2, в), сформований тангенціально розташованими пачками макромолекул. Сферолітние структури типові для більшості кристаллизующихся полімерів

Рис. 2. Елементи надмолекулярної структури полімерів.

На поверхнях розділу сферолітов умови контактної взаємодії макромолекул різні. Експериментально встановлено, що міцність торцевого контакту макромолекул більш ніж на порядок перевищує міцність бічного контакту. Це відкриває можливість управління міцністю кристаллизующихся полімерів.

Прикладом практичної реалізації впливу надмолекулярної структури на міцність може служити ориентационное зміцнення полімерів. У процесі витяжки полімерів при підвищених температурах макромолекули орієнтуються паралельно напрямку програми навантаження. Отримана структура полімеру потім фіксується шляхом зниження температури під силовим навантаженням. Фізико -механічні властивості полімеру в напрямку орієнтації збільшуються приблизно в 5 разів, а в перпендикулярному напрямку зменшуються до 2 разів у порівнянні з початковим значенням. Анізотропія міцності пояснюється зміною співвідношення торцевого і бічного контактів макромолекул полімеру. Орієнтаційне зміцнення полімерів найбільш широко застосовується при одержанні штучних волокон і плівок.

По відношенню до електричного поля (за полярності) полімери поділяються на полярні і неполярні. Полярність визначається наявністю у складі полімеру диполів - роз'єднаних центрів позитивних і негативних зарядів.

У полярних полімерах (рис. 3, а) є полярні зв'язку (угруповання - С1, -Б, -ОН) і несиметрія в їх структурі: Центр ваги електронів зсунутий у бік більш електронегативного атома. Центр ваги різнойменних зарядів не збігаються.

Полярні полімери мають підвищену міцність, жорсткість, але низьку морозостійкість (крихкість вже при -10... -20 ° С). Їх можна зварювати струмом високої частоти. Полярність полімеру можна оцінити за величиною діелектричної проникності. У полярних полімерів Е > 3,5.

Рис. 3 Приклад полярного та неполярного полімерів.

Неполярні (на основі вуглеводнів) - високоякісні діелектрики, володіють хорошою морозостійкістю.

Дипольний момент зв'язків атомів в неполярних полімерах взаємно компенсується. У макромолекулах неполярних полімерів симетричне розташування груп (рис. 3, б). Центри ваги різнойменних зарядів збігаються.

Всі полімери по відношенню до нагрівання підрозділяють на термопластичні і термореактивні.

Деякі полімери при нагріванні плавно переходять через в’язкопластичний у рідкотекучий стан. При охолодженні відзначається також плавний перехід в твердий стан. Нагрівання полімеру до температур нижче температури його термічної деструкції не викликає незворотної зміни властивостей матеріалу, що дозволяє багаторазово повторювати процес термічної обробки лінійних полімерів. Такі структури макромолекул утворюють клас термопластичних полімерів.

Інші полімери під дією теплоти, минаючи рідкий стан, необоротно переходять у твердий стан і не можуть використовуватися повторно. Така поведінка полімерів при нагріванні називають термореактивним, а самі полімери відносять до класу термореактивних полімерів.

Дата добавления: 2014-01-05