Полімери (грец. Πολύ- - багато; μέρος - частина) - неорганічні і органічні, аморфні і кристалічні речовини, що складаються з «мономерних ланок», з'єднаних в довгі макромолекули хімічними або координаційними зв'язками. Полімер - це високомолекулярна сполука: кількість мономерних ланок у полімері (ступінь полімеризації) має бути досить велике. У багатьох випадках кількість ланок може вважатися достатнім, щоб віднести молекулу до полімерів, якщо при додаванні чергового мономерного ланки молекулярні властивості не змінюються. [1] Як правило, полімери - речовини з молекулярною масою від декількох тисяч до декількох мільйонів. [2]
Якщо зв'язок між макромолекулами здійснюється за допомогою слабких сил Ван-Дер-Ваальса. вони називаються термопласти. якщо за допомогою хімічних зв'язків - реактопласти. До лінійним полімерам відноситься, наприклад, целюлоза. до розгалуженим, наприклад, амилопектин. є полімери зі складними просторовими тривимірними структурами.
У будові полімеру можна виділити мономерна ланка - повторюваний структурний фрагмент, що включає кілька атомів. Полімери складаються з великого числа повторюваних угруповань (ланок) однакового будови, наприклад полівінілхлорид (-СН2 -CHCl-) n. каучук натуральний і ін. Високомолекулярні сполуки, молекули яких містять кілька типів повторюваних угруповань, називають сополимерами або гетерополімера.
Полімер утворюється з мономерів в результаті реакцій полімеризації або поліконденсації. До полімерів відносяться численні природні сполуки: білки. нуклеїнові кислоти. полісахариди. каучук та інші органічні речовини. У більшості випадків поняття відносять до органічних сполук, проте існує і безліч неорганічних полімерів. Велика кількість полімерів отримують синтетичним шляхом на основі найпростіших з'єднань елементів природного походження шляхом реакцій полімеризації, поліконденсації і хімічних перетворень. Назви полімерів утворюються з назви мономера з приставкою полі-: полі етилен, поли пропилен, поли винилацетат і т. П.
Особливості
Особливі механічні властивості:
- еластичність - здатність до високих оборотних деформацій при відносно невеликому навантаженні (каучуки);
- мала крихкість склоподібних і кристалічних полімерів (пластмаси, органічне скло);
- здатність макромолекул до орієнтації під дією спрямованого механічного поля (використовується при виготовленні волокон і плівок).
Особливості розчинів полімерів:
- висока в'язкість розчину при малій концентрації полімеру;
- розчинення полімеру відбувається через стадію набухання.
Особливі хімічні властивості:
- здатність різко змінювати свої фізико-механічні властивості під дією малих кількостей реагенту (вулканізація каучуку, дублення шкір і т. п.).
Особливі властивості полімерів пояснюються не тільки великою молекулярною масою, а й тим, що макромолекули мають ланцюгове будова і володіють гнучкістю.
Класифікація
За хімічним складом всі полімери поділяються на органічні. елементоорганіческіе. неорганічні.
- Органічні полімери.
- Елементоорганіческіе полімери. Вони містять в основному ланцюзі органічних радикалів неорганічні атоми (Si, Ti, Al), які поєднуються з органічними радикалами. У природі їх немає. Штучно отриманий представник - кремнійорганічні сполуки.
Слід зазначити, що в технічних матеріалах часто використовують поєднання різних груп полімерів. Це композиційні матеріали (наприклад, склопластики).
За формою макромолекул полімери ділять на лінійні, розгалужені (окремий випадок - зіркоподібні), стрічкові, плоскі, гребенеподібне, полімерні сітки і так далі.
Полімери поділяють по полярності (впливає на розчинність в різних рідинах). Полярність ланок полімеру визначається наявністю в їх складі диполів - молекул з роз'єднаним розподілом позитивних і негативних зарядів. У неполярних ланках дипольні моменти зв'язків атомів взаємно компенсуються. Полімери, ланки яких мають значну полярністю, називають гідрофільними або полярними. Полімери з неполярними ланками - неполярними. гідрофобними. Полімери, що містять як полярні, так і неполярні ланки, називаються амфіфільних. Гомополімери, кожна ланка яких містить як полярні, так і неполярні великі групи, запропоновано називати амфіфільних гомополимерами.
По відношенню до нагрівання полімери поділяють на термопластичні і термореактивні. Термопластичні полімери (поліетилен. Поліпропілен. Полістирол) при нагріванні розм'якшуються, навіть плавляться, а при охолодженні тверднуть. Цей процес звернемо. Термореактивні полімери при нагріванні піддаються необоротного хімічного руйнування без плавлення. Молекули термореактивних полімерів мають нелінійну структуру, отриману шляхом зшивання (наприклад, вулканізація) ланцюгових полімерних молекул. Пружні властивості термореактивних полімерів вище, ніж у термопластів, однак, термореактивні полімери практично не мають плинністю, внаслідок чого мають більш низьку напругу руйнування.
Природні органічні полімери утворюються в рослинних і тваринних організмах. Найважливішими з них є полісахариди. білки і нуклеїнові кислоти. з яких в значній мірі складаються тіла рослин і тварин і які забезпечують саме функціонування життя на Землі. Вважається, [ким? ] Що вирішальним етапом у виникненні життя на Землі стало утворення з простих органічних молекул більш складних - високомолекулярних (див. Хімічна еволюція).
Синтетичні полімери. Штучні полімерні матеріали
Людина давно використовує природні полімерні матеріали в своєму житті. Це шкіра. хутра. вовна. шовк. бавовна і т. п. використовуються для виготовлення одягу, різні сполучні (цемент. вапно. глина), що утворюють при відповідній обробці тривимірні полімерні тіла, широко використовувані як будівельні матеріали. Однак промислове виробництво ланцюгових полімерів почалося на початку XX століття, хоча передумови для цього з'явилися раніше.
Практично відразу ж промислове виробництво полімерів розвивалося в двох напрямах - шляхом переробки природних органічних полімерів в штучні полімерні матеріали та шляхом отримання синтетичних полімерів з органічних низькомолекулярних сполук.
У першому випадку великотоннажне виробництво базується на целюлозі. Перший полімерний матеріал з фізично модифікованої целюлози - целулоїд - був отриманий ще в середині XIX століття. Великомасштабне виробництво простих та складних ефірів целюлози було організовано до і після Другої світової війни і існує до теперішнього часу. На їх основі виробляють плівки. волокна. лакофарбові матеріали та загусники. Необхідно відзначити, що розвиток кіно і фотографії виявилося можливим лише завдяки появі прозорої плівки з нітроцелюлози.
Виробництво синтетичних полімерів почалося в 1906 році, коли Лео Бакеланда запатентував так звану бакелітову смолу - продукт конденсації фенолу і формальдегіду. перетворюється при нагріванні в тривимірний полімер. Протягом десятиліть він застосовувався для виготовлення корпусів електротехнічних приладів, акумуляторів. телевізорів. розеток і т. п. а в даний час частіше використовується як сполучна і адгезивні речовина.
Завдяки зусиллям Генрі Форда. перед Першою світовою війною почався бурхливий розвиток автомобільної промисловості спочатку на основі натурального, потім також і синтетичного каучуку. Виробництво останнього було освоєно напередодні Другої світової війни в Радянському Союзі, Англії, Німеччини та США. У ці ж роки було освоєно промислове виробництво полістиролу і полівінілхлориду. є прекрасними електроізолюючими матеріалами, а також поліметилметакрилату - без органічного скла під назвою «плексиглас» було б неможливо масове літакобудування в роки війни.
Після війни відновилося виробництво поліамідного волокна і тканин (капрон. Нейлон), розпочате ще до війни. У 50-х роках XX століття було розроблено поліестер і освоєно виробництво тканин на його основі під назвою лавсан або поліетилентерефталат. Поліпропілен і нитрон - штучна шерсть з полиакрилонитрила, - замикають список синтетичних волокон, які використовує сучасна людина для одягу і виробничої діяльності. У першому випадку ці волокна дуже часто поєднуються з натуральними волокнами з целюлози або з білка (бавовна. Шерсть. Шовк). Епохальною подією в світі полімерів було відкриття в середині 50-х років XX століття і швидке промислове освоєння каталізаторів Циглера-Натта, що призвело до появи полімерних матеріалів на основі поліолефінів і, перш за все, поліпропілену і поліетилену низького тиску (до цього було освоєно виробництво поліетилену при тиску близько 1000 атм.), а також стереорегулярних полімерів, здатних до кристалізації. Потім були впроваджені в масове виробництво поліуретани - найбільш поширені герметики, адгезивні і пористі м'які матеріали (поролон), а також полісілоксани - елементорганічних полімери, що володіють більш високими в порівнянні з органічними полімерами термостійкістю і еластичністю.
Список замикають так звані унікальні полімери, синтезовані в 60-70 роки XX століття. До них відносяться ароматичні поліаміди. полііміди, поліефіри. поліефір-кетони та ін .; неодмінним атрибутом цих полімерів є наявність у них ароматичних циклів і (або) ароматичних конденсованих структур. Для них характерне поєднання видатних значень міцності і термостійкості.
вогнетривкі полімери
Багато полімери, такі як поліуретани, поліефірні та епоксидні смоли, схильні до займання, що часто неприпустимо при практичному застосуванні. Для запобігання цьому застосовуються різні добавки або використовуються галогеновані полімери. Галогеновані ненасичені полімери синтезують шляхом включення в конденсацію хлорованих або бромованих мономерів, наприклад, гексахлорендометілентетрагідрофталевой кислоти (ГХЕМТФК), дібромнеопентілгліколя або тетрабромфталевой кислоти. Головним недоліком таких полімерів є те, що при горінні вони здатні виділяти гази, які призводять до корозії, що може згубно позначитися на сусідній електроніці.
Дія гідроксиду алюмінію засноване на тому, що під високотемпературним впливом виділяється вода, що перешкоджає горінню. Для досягнення ефекту потрібно додавати велику кількість гідроксиду алюмінію: по масі 4 частини до однієї частини ненасичених поліефірних смол.
Пирофосфат амонію діє за іншим принципом: він викликає обвуглювання, що разом зі стеклообразном шаром пірофосфатів дає ізоляцію пластика від кисню, пригнічуючи поширення вогню.
Новим перспективним наповнювачем є шаруваті алюмосилікати, виробництво яких створюється в Росії [3].
застосування
Завдяки цінним властивостям полімери застосовуються в машинобудуванні. текстильної промисловості. сільському господарстві та медицині. автомобіле- і суднобудуванні, авіабудуванні, в побуті (текстильні та шкіряні вироби, посуд, клей і лаки. прикраси та інші предмети). На підставі високомолекулярних сполук виготовляють гуми. волокна. пластмаси. плівки і лакофарбові покриття. Всі тканини живих організмів представляють високомолекулярні сполуки.
Наука про полімери
Наука про полімери стала розвиватися як самостійна галузь знання до початку Другої світової війни і сформувалася як єдине ціле в 50-х роках XX століття, коли була усвідомлена роль полімерів у розвитку технічного прогресу і життєдіяльності біологічних об'єктів. Вона тісно пов'язана з фізикою. фізичної. колоїдної та органічної хімією і може розглядатися як одна з базових основ сучасної молекулярної біології. об'єктами вивчення якої є біополімери.