Строение и структура полимеров
ЛЕКЦИИ
«ПОЛИМЕРЫ – ОСНОВА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
Тенденции развития современной техники характеризуются, прежде всего, повышением требований к качеству и эксплуатационным свойствам изделий при снижении себестоимости их производства. Технические достижения последних лет, стимулируемые функциональными и экономическими интересами, стали возможными благодаря разработке высокоэффективных технологий и прогрессивным изменениям номенклатуры и качества материалов. Темпы этих изменений непрерывно растут и если в настоящее время соотношение металлов и неметаллов в мировом потреблении оценивается приблизительно 45 : 55, то в ближайшем будущем прогнозируется изменение этого соотношения 25 : 75. Причем в объеме потребления неметаллических материалов доля пластических масс растет наиболее интенсивно ( 2-3 % ежегодно).
Быстрое увеличение объемов выпуска и применения полимерных материалов (ПМ) по сравнению с другими материалами объясняется их преимуществами: невысокой плотностью, возможностью регулирования свойств путем введения различных модифицирующих добавок (наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов и др.), высокими диэлектрическими свойствами, усталостной и химической стойкостью, а в некоторых случаях оптической и радиопрозрачностью, антифрикционными, фрикционными и разнообразными декоративными свойствами, а также дешевизной исходного сырья. Кроме того, полимерные материалы характеризуются высокой технологичностью, поскольку при переработке в готовые изделия отличаются сравнительно малой операционностью и низкой энергоемкостью. Например, последний показатель у ПМ по сравнению с титановыми сплавами ниже в 20 раз, с алюминиевыми - в 5 раз, со сталью - в 3 раза. Одновременное снижение эксплуатационных затрат на антикоррозионную защиту, смазку и замену изношенных деталей делает выбор ПМ не только экономически наиболее предпочтительным, но часто и единственно возможным. Отсюда и неуклонный рост объемов применения ПМ во всех отраслях современной промышленности.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, СТРУКТУРЫ
И СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ
Полимеры имеют очень большое значение в производстве многих изделий в различных отраслях промышленности. Они применяются непосредственно для создания таких материалов как пластмассы армированные пластики, лаки, компаунды, герметики, клеи, волокна, пленки, резиновые материалы и т.п.
Чтобы разобраться в свойствах и возможностях применения полимерных материалов, необходимо ознакомиться с особенностями их строения, структуры и свойств.
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.