Классификация, строение и способы получения полимеров. Полимерами называются соединения, состоящие из большого числа чередующихся одинаковых или различных атомных группировок
Полимерами называются соединения, состоящие из большого числа чередующихся одинаковых или различных атомных группировок, соединенных между собой химическими связями.
По происхождению полимеры подразделяются на: природные, выделенные из природных материалов; искусственные, полученные химическим превращением природных полимеров; синтетические, полученные синтезом из низкомолекулярных соединений или модификацией других синтетических полимеров.
Природные полимеры подразделяются на: органические (натуральный каучук, целлюлоза и др.) и неорганические (графит, слюда, кварц и др.).
В большинстве случаев природные полимеры модифицируют химическим способом, т.е. получают искусственные полимеры. На этом принципе основаны хлопчатобумажная, шерстяная, льняная, меховая, кожевенная, целлюлозно-бумажная и другие отрасли промышленности. Метод расщепления природных полимеров на низкомолекулярные продукты лежит в основе крахмалопаточного производства, получения гидролизного спирта и т.п.
По химическому составу и строению полимеры подразделяются на: органические, элементоорганические и неорганические.
Органические полимеры составляют основу пластических масс, армированных пластиков, резин и т.п.
Элементоорганические полимеры представляют собой соединения, главные цепи которых построены из атомов углерода и гетероатомов (кроме атомов кислорода, азота и серы); соединения с неорганическими цепями, если они содержат боковые группы с атомами углерода, присоединенными к основной цепи; соединения, основная цепь которых состоит из атомов углерода, а в боковые группы входят гетероатомы (кроме атомов кислорода, азота, серы и галогенов), непосредственно соединенные с углеродными атомами основной цепи. Наибольшее распространение получили: полисилоксаны, полититаноксаны, полиалюмоксаны и др.
Неорганические полимеры являются основой керамики, стекол, ситаллов, слюдяных, асбестовых, углеграфитовых и других материалов, для большинства которых характерны преимущественно гетероцепные пространственно-сетчатые, слоистые и другие типы сложных структур с различными видами связей.
К неорганическим полимерам относятся, например, полисиланы, полигерманы, главные цепи которых построены соответственно из атомов кремния и германия.
Органические полимеры в зависимости от происхождения, химического состава и строения, способов получения и проведения синтеза, формы макромолекул, структуры и назначения подразделяются на: природные (животного и растительного происхождения), синтетические и искусственные; гомоцепные и гетероцепные, линейные, разветвленные, поперечно-сшитые и сетчатые; кристаллические и аморфные; полимеризационные, поликонденсационные, сополимеризационные и химически модифицированные; получаемые в массе, растворе, суспензионной и эмульсионной полимеризацией; термопластичные и термореактивные; конструкционные, электроизоляционные, теплостойкие, оптические и другие.
Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ (мономеров) по реакциям полимеризации, поликонденсации, сополимеризации, а также путем химических превращений природных и других синтетических полимеров.
Полимеризация– процесс последовательного соединения одинаковых мономеров, не сопровождающийся выделением побочных продуктов и протекающий без изменения элементарного химического состава. Полимеризацией получают полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.
Поликонденсация– процесс соединения мономеров различного строения, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ. Поликонденсацией получают фенолоальдегидные и другие полимеры.
Сополимеризация – полимеризация двух или большего числа мономеров различного строения. Сополимеризацией получают сополимеры этилена с пропиленом и др.
Химические превращения включают разнообразные реакции, в результате которых происходит изменение химического строения или степени полимеризации макромолекул. Например, химическим превращением целлюлозы получают эфиры целлюлозы (нитраты, ацетаты и др.).
В зависимости от состава атомов в основной (главной) цепи макромолекулы синтетические полимеры подразделяются на: гомоцепные и гетероцепные.
Гомоцепные полимеры, макромолекулярная цепь которых состоит из атомов углерода, называются карбоцепными (полиэтилен и др.).
В гетероцепных органических полимерах главные цепи состоят из чередующихся в определенной последовательности атомов углерода, кислорода, азота, серы и др. (полиамиды и др.).
Многократно повторяющиеся группировки называются мономерными звеньями, а большая молекула, составленная из звеньев, – макромолекулой или полимерной цепью. Число звеньев в цепи – степень полимеризации, обозначается буквой "n". Величина степени полимеризации может меняться от нескольких единиц для олигомеров до сотен тысяч и более для высокомолекулярных соединений. Название полимера образуется из названия мономера и приставки "поли". Например, продукт полимеризации этилена называется полиэтиленом:
n CH2 = CH2 ® [ - CH2 - CH2 - ] n.
этилен полиэтилен
Формулы таких полимеров записываются без учета концевых групп, так как их роль в высокомолекулярных соединениях невелика.
Полимеры, состоящие из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, а из звеньев нескольких типов – сополимерами.
Переход от низкомолекулярного соединения к высокомолекулярному происходит в результате последовательного присоединения мономерных звеньев и при достижении определенной молекулярной массы соединение становится полимером.
Провести четкую границу между низко - и высокомолекулярными соединениями трудно, так как качественные измерения для различных классов соединений наблюдаются при различной величине молекулярной массы. Например, китайский танин (производное сахаров) с молекулярной массой около одной тысячи является низкомолекулярным соединением, а полиэтилен с такой же молекулярной массой обладает уже свойствами высокомолекулярного соединения.
Промежуточное положение между низко- и высокомолекулярными соединениями занимают олигомеры(от греч. оligos – немного), которые проявляют свойства, характерные как для мономеров, так и для полимеров. Молекулярная масса олигомеров может достигать 6000 и более. Для олигомеров роль концевых групп более существенна и они указываются при написании формул. Реакционноспособные олигомеры образуют высокомолекулярные соединения пространственно-сетчатой структуры в результате реакции отверждения при нагревании и (или) введении отвердителей.
Макромолекулы линейных полимеров представляют собой длинные цепи с высокой степенью асимметрии, а разветвленных полимеров– цепи с боковыми ответвлениями, причем число и размер ответвлений могут быть различными (наличие радикалов в элементарных звеньях не считается разветвлением).
Сетчатые полимеры построены из макромолекулярных цепей, соединенных друг с другом поперечными химическими связями. Макромолекулярные цепи могут быть расположены в плоскости или пространстве. В последнем случае они называются пространственными (кварц, алмаз и многие синтетические полимеры после отверждения или вулканизации). Сетчатые полимеры, имеющие плоскостное двумерное строение (например, графит), называются пластинчатыми.
Линейные и разветвленные полимеры построены из макромолекул, связанных между собой межмолекулярными силами, энергия которых значительно меньше энергии химических связей и поэтому они могут быть переведены в раствор или в расплав при нагревании. В сетчатых полимерах макромолекулярные цепи связаны между собой химическими связями, поэтому они не могут быть переведены в раствор или расплав. Для таких полимеров понятие «молекула» становится условным.
Синтетические полимеры подразделяются на: термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры при нагревании обратимо переходят из твердого состояния в пластичное (вязкотекучее) состояние.
Термореактивные полимеры в результате реакции отверждения необратимо переходят в твердое, нерастворимое и неплавкое состояние с образованием пространственно- сетчатой структуры.
По сравнению с низкомолекулярными соединениями, полимеры обладают рядом особенностей. Они могут находиться только в конденсированном твердом или жидком состоянии; растворы полимеров имеют высокую вязкость и при удалении растворителя они 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.
Полимеры выпускаются в виде различных товарных форм: кусков, гранул, рулонов, брикетов, порошков, латексов и суспензий. При выборе товарной формы необходимо учитывать удобства транспортировки, хранения и дозировки, возможность равномерного распределения в композиции и обеспечения требуемых технологических свойств с целью получения изделий высокого качества.