Полімери
- неорганічні і органічні, аморфні та кристалічні речовини, одержувані
шляхом багаторазового повторення різних груп атомів, які називаються
«мономірні ланками», з'єднаних в довгі макромолекули хімічними або
координаційними зв'язками. Полімер
- це високомолекулярна підключення: кількість мономірних ланок у
полімері (ступінь полімеризації) має бути достатньо велике. У
багатьох випадках кількість ланок може вважатися достатнім, щоб
віднести молекулу до полімерів, якщо при додаванні чергового мономерного
ланки молекулярні властивості не змінюються. Як правило, полімери - речовини з молекулярною масою від декількох тисяч до декількох мільйонів. Якщо
зв'язок між макромолекулами здійснюється за допомогою слабких сил
Ван-Дер-Ваальса, вони називаються термопласти, якщо за допомогою
хімічних зв'язків - реактопласти. До
лінійних полімерів відноситься, наприклад, целюлоза, до розгалужених,
наприклад, амілопектин, 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 гетерополімери. Полімер утворюється з мономерів в результаті реакцій полімеризації або поліконденсації. До полімерам відносяться численні природні сполуки: білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди, каучук та інші органічні речовини. У більшості випадків поняття відносять до органічних сполук, однак існує і безліч неорганічних полімерів. Велика
кількість полімерів отримують синтетичним шляхом на основі найпростіших
сполук елементів природного походження шляхом реакцій полімеризації,
поліконденсації і хімічних перетворень. Назви полімерів утворюються з назви мономера з приставкою полі-: поліетилен, поліпропілен, полівінілацетат і т. п. Завдяки
цінним властивостям полімери застосовуються в машинобудуванні,
текстильній 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 та лакофарбові покриття. Всі тканини живих організмів представляють високомолекулярні з'єднання. Особливостіполімерів
здатність різкозмінюватисвої фізико-механічнівластивості піддієюмалихкількостейреагенту (вулканізаціякаучуку, дубленняшкір іт.п.). Особливі властивостіполімерівпояснюються нетількивеликою молекулярноюмасою,а й тим,щомакромолекулимаютьланцюговебудову іволодіють гнучкістю.
Класифікація полімерів
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 поділяють на лінійні, розгалужені (окремий
випадок - зіркоподібні), стрічкові, плоскі, гребенеподібне, полімерні
сітки і так далі.
Полімери поділяють за полярності (що впливає на розчинність в різних рідинах). Полярність
ланок полімеру визначається наявністю в їх складі диполів - молекул з
роз'єднаним розподілом позитивних і негативних зарядів. В 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 гомополімерами.
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 володіють 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 значною мірою
складаються тіла рослин і тварин і які забезпечують саме функціонування
життя на Землі. Вважається,
що вирішальним етапом у виникненні життя на Землі з'явилося утворення з
простих органічних молекул більш складних - високомолекулярних.
Синтетичні полімери. Штучні полімерні матеріали
Людина давно використовує природні полімерні матеріали у своєму житті. Це
шкіра, хутра, вовна, шовк, бавовна і т. п., використовувані 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 ст., Хоча передумови для цього з'явилися раніше.
Практично
відразу ж промислове виробництво полімерів розвивалося у двох напрямках
- 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 на початку XX ст. Великомасштабне
виробництво простих та складних ефірів целюлози було організовано до і
після Другої світової війни й існує дотепер. На їх основі виробляють плівки, волокна, лакофарбові матеріали та загусники. Необхідно відзначити, що розвиток кіно та фотографії виявилося можливим лише завдяки появі прозорої плівки з нітроцелюлози.
Виробництво
синтетичних полімерів почалося в 1906 р., коли Л. Бакеланд запатентував
так звану бакелітових смолу - продукт конденсації фенолу і
формальдегіду, що 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 найчастіше 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, що є прекрасними електроізолюючі 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 рр.. XX ст. було розроблено поліефірне волокно і освоєно виробництво тканин на його основі під назвою лавсан або поліетилентерефталат. Поліпропілен
і нітрон - штучна шерсть з полиакрилонитрила, - замикають список
синтетичних волокон, які використовує сучасна людина для одягу та
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,
насамперед, поліпропілену та поліетилену низького тиску (до цього було
освоєно виробництво поліетилену при тиску порядку 1000 атм.), а також стереорегулярний полімерів, здатних до кристалізації. Потім
були впроваджені в масове виробництво поліуретани - найбільш поширені
герметики, адгезивні і пористі м'які матеріали (поролон), а також
полісілоксани - елементорганіческіе полімери, що володіють більш
високими в порівнянні з органічними полімерами термостійкістю і
еластичністю.
Список замикають так звані унікальні полімери, синтезовані в 60-70 рр.. XX ст. 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.
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,
гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоти (ГХЕМТФК),
дібромнеопентілгліколя або тетрабромфталевой кислоти. Головним
недоліком таких полімерів є те, що при горінні вони здатні виділяти
гази, що викликають корозію, що може згубно позначитися на сусідньої
електроніці. Враховуючи
високі вимоги екологічної безпеки, особливу увагу приділяється
галоген-несодержащім компонентів: сполукам фосфору і гідроксиди металів.
Дія гідроксиду алюмінію засноване на тому, що під високотемпературним впливом виділяється вода, що перешкоджає горінню. Для
досягнення ефекту потрібно додавати великі кількості гідроксиду
алюмінію: по масі 4 частини до однієї частини ненасичених поліефірних
смол.
Пірофосфат
амонію діє за іншим принципом: він викликає обвуглювання, що разом зі
склоподібного шаром пірофосфатів дає ізоляцію пластика від кисню,
інгібуючи поширення вогню.
Новим перспективним наповнювачем є шаруваті алюмосилікати, виробництво яких створюється в Росії. 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 рр.. 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.
