Химические свойства полимеров кратко

Обновлено: 03.07.2024

Полимеры — это высокомолекулярные вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Свойства полимеров во многом обусловлены не только молекулярной массой, но и химическим составом звеньев, пространственной конфигурацией молекул, степенью разветвленности молекул, типом связей между молекулами, способом производства полимера. В зависимости от всех этих параметров свойства полимеров могут различаться очень сильно.

Практически все полимеры являются хорошими диэлектриками, обладают низкой теплопроводностью, высокой механической прочностью. Стеклообразные полимеры бьются без острых осколков. Линейные полимеры обладают способностью к обратимым деформациям; поддаются ориентации макромолекул под влиянием механических нагрузок (на этом свойстве основано производство пленок и волокон). Важным качеством полимеров является резкое изменение характеристик при введении небольших количеств примесей.

Полимеры существуют в различных агрегатных состояниях: в виде тягучей жидкости (смазки, клеи, лаки и краски, герметики), в виде эластичных материалов (резины, силикон, эластомеры, поролон) и в виде твердых пластмасс (полиэтилен, полипропилен, поликарбонат и т.д.).

Полимеры в качестве химических веществ могут:
— образовывать новые химические связи между молекулами;
— образовывать новые связи между отдельными звеньями молекулы;
— присоединять боковые звенья к основной цепочке молекул;
— распадаться на отдельные мономеры.

Образование полимеров

Искусственные полимеры получают в результате трех типов реакций: полимеризации, поликонденсации, химических реакций. Полимеризацией называется процесс присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) к активному центру роста макромолекулы. Механизм полимеризации состоит из таких этапов, как:
— образование центров полимеризации;
— рост молекул путем последовательного присоединения новых звеньев;
— перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают активно расти;
— разветвление молекул;
— прекращение процесса роста молекул.

Для того чтобы вызвать полимеризацию в исходном низкомолекулярном сырье, используют различные способы воздействия: высокое давление, высокие температуры, воздействие светом или облучением, катализатором. В результате полимеризации химический состав сырья и готового продукта остается одним и тем же, но меняется структура вещества.

Поликонденсацией называется процесс изготовления полимеров из многофункциональных соединений методом перегруппировки атомов и отделения побочных продуктов (воды, низкомолекулярных соединений). Способом поликонденсации, например, производят поликарбонаты, полиуретаны, фенолальдегидные смолы.

Применение

Современная экономика просто немыслима без различных полимеров. Да мы и сами состоим из природных полимеров: белков, нуклеинов, полисахаридов.

Производство полимеров в промышленных масштабах началось в начале 20-го века. Практически одновременно промышленность начала производить искусственные полимеры методом переработки целлюлозы и синтетические полимеры методом переработки низкомолекулярного сырья (фенола, формальдегида, стирола, винилхлорида, акрила). На основе эфиров целлюлозы изготавливали, в частности, целлулоид, пленки, лакокрасочные материалы. Например, развитие кинематографа напрямую связано с появлением нитроцеллюлозных прозрачных пленок. Из синтетических полимеров перед Второй мировой войной особо важным было получение искусственного каучука, оргстекла, фенолформальдегидных смол.

В настоящее время полимеры используются практически во всех областях производства. Из них делают игрушки и строительные материалы, имплантаты, ткани, лекарственные средства, смазку для станков, защитные маски и очки, оптические стекла, навесы и окна, мебельные ткани и наполнители, кожезаменители и обработанные натуральные кожи, резины, упаковочные материалы, рекламную продукцию, корпуса приборов, ткани и волокна искусственные и синтетические, пленки различного назначения, конструкционные материалы, материалы для электротехнической и радиотехнической индустрии, украшения, ионообменные и эпоксидные смолы, пластики с экстремальными свойствами (жаростойкие и морозоустойчивые, повышенной твердости, пожаробезорасные ит.д.). Полимеры служат основой для производства композиционных материалов.

Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.

Например , полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH₂=CH₂:

…-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-… или (-CH₂—CH₂-)_n

Соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами.

Например , пропилен (пропен) СН₂=СH–CH₃ является мономером полипропилена

Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.

Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры.

Степень полимеризации – число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера.

Полимеры, макромолекулы которых построены строго определенным способом, называют регулярными.

Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH₂–CHR–)_n расположены упорядоченно.

Стереорегулярные полимеры обладают гораздо лучшими свойствами – пластичностью, прочностью и теплостойкостью; они способны кристаллизоваться, в отличие от нерегулярных.

Классификация по структуре

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

Классификация по происхождению

По способу получения полимеры делятся на: природные, синтетические и искусственные.

Природные полимеры непосредственно существуют в природе (крахмал, целлюлоза и др.).

Синтетические полимеры получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации (полиэтилен, полихлорвинил, фенол-формальдегидные смолы, метилметакрилат и т.д.). Не имеют аналогов в природе.

Искусственные – получают модификацией натуральных полимеров (вискоза –модифицированная целлюлоза, резина –модификация натурального каучука).

Классификация по химическому характеру

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH₂-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Классификация по способу получения

Полимеры получают либо реакциями полимеризации, либо поликонденсацией.

Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества(полимера) путём многократного присоединения молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера.

Например , образование полиэтилена происходит по механизму полимеризации:

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (обычно это вода).

Например , образование капрона протекает по механизму поликонденсации:

Свойства полимеров

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

Термореактивные полимеры — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Например , фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения.

Например , полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур.

Например , натуральный каучук.

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

В основе полимеризации лежит реакция присоединения.
Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи.
Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например , схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Метиловый эфир метакриловой кислоты

Термопластичный (t = 260-320 0 C)

Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)

Поликонденсация

В основе поликонденсации лежит реакция замещения.
Поликонденсация – процесс ступенчатый, т.к. образование макромолекул происходит в результате последовательного взаимодействия мономеров, димеров или n-меров как между собой, так и друг с другом.
Помимо высокомолекулярного соединения, в реакции поликонденсации образуется второе, низкомолекулярное вещество (обычно это вода).

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией поликонденсации, и области их применения:

Химические свойства полимеров. Химические свойства зависят от состава, молекулярной массы и структуры полимеров. Им свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями, взаимодействия функциональных групп друг с другом и низкомолекулярными веществами и деструкции. Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обусловливает повышение реакционной способности полимеров. По той же причине отдельные макромолекулы могут сшиваться поперечными связями. Примерами образования поперечных связей могут быть вулканизация и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые структуры. При вулканизации происходит взаимодействие каучука с вулканизующим агентом, обычно с серой, с образованием резины (0,5 — 5% серы) или эбонита (20% и более серы), например:

÷
2[—СН2—СН = СН—СН2]n + nS ® S

К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомолекулярными веществами относятся галогенирование полиолефинов, гидролиз полиакрилатов и др.

Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под действием кислорода, света, теплоты и радиации. Нередко деструкция вызывается одновременным воздействием нескольких факторов. В результате деструкции уменьшается молекулярная масса макромолекул, изменяются химические и физические свойства полимеров, в конце концов полимеры становятся непригодными для дальнейшего применения. Процесс ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты, т.е. ингибиторы реакции окисления (фосфиты, фенолы, ароматические амины). Стабилизация обычно обусловлена обрывом цепи при взаимодействии антиоксидантов со свободными радикалами, образующимися в процессе реакции окисления.

Механические свойства полимеров. Механические свойства определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул.

Для полимеров характерны некоторые особенности, такие как высокоэластическое состояние в определенных условиях, механическое стеклование, способность термореактивных макромолекул образовывать жесткие сетчатые структуры. Механическая прочность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и далее сетчатым’ структурам. Стерео-регулярные структуры имеют более высокую прочность, чем полимеры с разупорядоченной структурой. Дальнейшее увеличение механической прочности полимеров наблюдается при их переходе в кристаллическое состояние. Например, разрывная прочность кристаллического полиэтилена на 1,5-2,0 порядка выше, чем прочность аморфного полиэтилена. Удельная прочность на единицу площади сечения кристаллических полимеров соизмерима, а на единицу массы на порядок превышает прочность легированных сталей.

Механическая прочность полимеров может быть также повышена путем добавления наполнителей, например сажи и мела, армированием волокнами, например стекловолокном (рис. 14.2)

Электрические свойства полимеров. Все вещества подразделяются на диэлектрики, полупроводники и проводники.

Некоторые функциональные группы, например гидроксидные, обусловливают гидрофильность полимеров. Такие полимеры поглощают воду. Наличие воды приводит к повышению электрической проводимости полимеров, поэтому гидроксидные группы стремятся связать между собой или с другими группами (реакция конденсации).

Полимерные диэлектрики широко применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей и
лаков.

Органические полупроводники и электролиты. К полупроводникам относятся вещества, электрическая проводимость которых лежит в пределах 10-10¸10-3 Om-1× см-1. Электрическая проводимость полупроводников возрастает с увеличением температуры и при воздействии света. Некоторые полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Обычно это полимеры с системой сопряженных двойных связей. Полупроводниковые свойства таких полимеров обусловлены наличием нелокализованных л-электронов сопряженных двойных связей.

В электрическом поле определенного напряжения эти электроны могут перемещаться вдоль цепи, обеспечивая перенос заряда. Примерами органических полупроводников могут служить полиацетилен [-СН=СН-]n, поливинилены [- НС = С -]n, полинитрилы [- N == С -]n,

продукты термической обработки полиакрилонитрила

В последние годы было открыто явление резкого возрастания электрической проводимости полиацетилена, полианилина (-С6Н3NН2-)n, полипиррола (-C4H3N-)n, и других полимеров при их химическом или электрохимическом окислении или восстановлении. При электрохимическом окислении в состав полимера внедряются анионы, например СlO4-, при восстановлении — катионы, например Li+. При неко-

Полимеры являются уникальной группой материалов, обладающие множеством полезных свойств при невысокой стоимости. Несмотря на то, что пластики вошли в жизнь людей совсем недавно – менее столетия назад – сегодня абсолютно невозможно представить жизнь без полимеров.

По своей природе они представляют из себя высокомолекулярные соединения, состоящие из многих тысяч повторяющихся групп атомов – мономеров. От химического строения мономеров и от их пространственного расположения и взаимодействия с другими атомами той же самой или прочих молекул полимера и зависят его свойства.

Рис.1. Наглядная схема макромолекулы

В данном материале мы в общих чертах рассмотрим особенности основных полимеров, которые, конечно же очень многообразны. Полимеры являются гигантским классом материалов с безграничным количеством применений, причем постоянно появляются новые и новые.

Главное, что определяет качество полимера и возможность его применения в той или иной области – это механические свойства полимеров. Они зависят от атомного состава макромолекулы, ее молекулярной массы, пространственной и кристаллической структур и физического состояния. Все полимеры в той или иной степени характеризуются хорошими эластичностью и прочностью. Также они (в случае с термопластами) довольно легко и при невысоких температурах переходят в вязкотекучее состояние (плавятся) и принимают нужную форму изделия.

Гибкость макромолекулы и, соответственно, эластичность полимеров в общем случае снижается с ростом молекулярной массы. При этом некоторые мономеры повышают эластичность, такие как, например, диеновые углеводороды. В случае их введения в полимерную матрицу любого полимера, эластичность, как правило, повышается.

Полимеры обладают специальным состоянием вещества – высокоэластическим. В случае с термореактивными пластмассами их молекулы способны образовывать сшитые на элементарном уровне сетчатые структуры, не способные к повторному плавлению и переработке.

Прочностные свойства полимеров повышаются с ростом молекулярной массы, и кроме того, при сшивке – получении сначала разветвленных макромолекул, а затем трехмерных структур. Кристаллические полимеры обладают большей прочностью, чем аморфные, даже если по химическому составу они идентичны. Так, прочность при растяжении на разрыв кристаллического ПЭ на полтора-два порядка выше прочности аморфного ПЭ.

Прочность, рассчитанная исходя из площади высокомолекулярных соединений высокой кристалличности не очень отличается от аналогичной прочности стали, а при расчетах на единицу массы – выше нее. Стереорегулярные полимеры обладают лучшими прочностными характеристиками, чем неупорядоченные.

Электрические свойства полимеров

Как известно, любое вещество может в той или иной степени быть диэлектриком, либо полупроводником, либо проводником электрического тока.

Большая часть пластмасс – диэлектрики, но с очень различными свойствами, которые находятся в зависимости от химсостава и структуры полимерных молекул. Главным образом, электрические характеристики зависят от количества и состава полярных групп в макромолекулах. Если в составе есть галогенные, гидроксидные, карбоксидные и т.п. и другие полярные области молекул, то это ослабляет диэлектрические и электроизоляционные свойства.

Рис.2. Кабели – одно из полимероемких направлений производства

Например, диэлектрическая проницаемость ПВХ в 1,5 раза меньше, а прочие электрические характеристики намного более низкие, чем у полиэтилена. Исходя из вышесказанного самые лучшие диэлектрики – это пластики, в мономерное звено которых не входят полярные звенья, например упомянутый выше ПЭ, фторопласты, полиизобутилен, полистирол.

При росте молекулярной массы диэлектрические характеристики пластмасс становятся выше. Обратное можно сказать про переход полимеров от стеклообразного к вязкотекучему состоянию через высокоэластичное. При этом удельная электрическая проводимость растет. Это происходит ввиду более интенсивного перемещения ионов, которые получаются при разложении макромолекул на более мелкие составные части (термодеструкции при нагреве). Свой вклад в повышение электропроводности дает и диссоциация примеси, которые могут состоять из остатков веществ после поликонденсации, растворителей, эмульгаторов, инициаторов и катализаторов реакции синтеза. Из описанного следует, что при необходимости повышения диэлектрических качеств полимеров нужно как можно лучше очищать их от примесей.

Важно, что наличие определенных атомных групп, таких как гидроксигруппа, повышает гидрофильность полимеров. Полимеры с гидроксигруппами в составе лучше поглощают воду, что в свою очередь ведет к росту их электропроводности.

Полимерными полупроводникам называют соединения, обладающие более высокой электропроводимостью. Чаще всего это полимеры, имеющие в составе наличие сопряженных двойных связей С=С. Полупроводниковые качества у них связаны с образованием свободных электронов этих двойных связей. При попадании в электрическое поле такие электроны иногда имеют возможность перемещения вдоль полимерной цепи, таким образом перенося электрический заряд. Так, полимерами-полупроводниками являются полиацетилен, поливинилены, полинитрилы и некоторые другие.

Значение проводимости полупроводниковых полимеров также растет не только при повышении температуры, но и при действии света.

Не так давно было обнаружено важное качество полиацетилена и некоторых более редких полимеров резко повышать свою электропроводность при добавлении в систему положительно заряженных ионов, например Li+, или, наоборот, отрицательных ионов, например СlO4-. Такие полупроводники называются легированными и пригодны для использования в аккумуляторах и конденсаторах даже для замены металлов, которым пока не было альтернативы в этой области.

Оптические свойства полимеров

С точки зрения светопропускания и прочих оптических свойств полимеры ведут себя очень дифференцированно. В науке и промышленности известны как пластики с превосходными оптическими характеристиками, так и не имеющие такие качеств.

Рис.3. Пластики все чаще используют в оптике

Большие успехи достигнуты в направлении получения прозрачных полиолефинов, являющихся одними из наиболее дешевых полимеров. Если гомо-полипропилен и особенно полиэтилен являются непрозрачными, то некоторые этилен-пропиленовые сополимеры обладают этим ценным качеством.

Главные типы полимеров

Рассмотрим кратко особенности основных крупнотоннажных пластмасс, широко использующихся на сегодняшний день.

Полиэтилен – простейший из термопластов и полиолефинов, имеющий формулу (— СН2 — СН2—)n, где n — здесь и далее равна степени полимеризации. Материал подразделяется на несколько видов, свойства которых существенно отличаются. Наиболее употребимыми являются полиэтилен низкого давления (высокой плотности) и полиэтилен высокого давления (низкой плотности), которые получаются при разных условиях синтеза и наличия специальных катализаторов. Плотность ПЭВД – около 920 кг/куб.м, плотность ПЭНД –около 960 кг/куб.м.

ПЭНД – более кристаллический полимер, он обладает лучшими прочностными характеристиками, жесткостью и более высокой температурой размягчения. Полиэтилен имеет хорошие химические характеристики, стоек к воде органике и хлорорганике, но нестоек к сильным окислителям и фотодеструкции. ПЭ обладает отличными диэлектрическими характеристиками и широким диапазоном температур эксплуатации.

Полипропилен, имеющий формулу (—СН(СН3) — СН2 —)n — также относится к классу полиолефинов. Это вид полимеров, имеющих значительную степень кристалличности, при примерно равной стоимости с полиэтиленом выигрывает у него за счет более низкой плотности, которая составляет около 900 кг/куб.м.

ПП имеет лучшую термостойкость, чем полиэтилен и может эксплуатироваться до 140 градусов С (для некоторых марок). Также он славится хорошей прочностью и жесткостью, стоек к истиранию, эластичен.

Полистирол — термопласт, который синтезируют путем полимеризации стирола. В чистом виде ПС является хрупким прозрачным пластиком. ПС имеет хорошие диэлектрические данные и применяется для электроизоляции. Полистирол, как и описанные выше полиолефины хорошо перерабатывается в изделия всеми способами переработки.

В современной промышленности используются в основном сополимеры стирола, так называемые стирольные пластики. В их перечень входят как ударопрочные марки полистирола (на самом деле сополимеры главным образом с каучуками), так и широко известный АБС-пластик, полимеры SAN, ASA и многие другие.

Важнейшее качество ПВХ – его трудногорючесть. Поливинилхлорид не поддерживает горение, поэтому широко используется в строительстве. Этот полимер обладает хорошими физико-механическими данными. Хотя как диэлектрик поливинилхлорид уступает ПЭ и ПС он гораздо чаще используется (в качестве пластиката) для изоляции проводов и кабелей ввиду своей негорючести. Недостатком ПВХ является сложность его переработки в изделия, т.к. он склонен к деструкции уже при температурах около 100 градусов С, тогда как плавится при гораздо более высоких значениях.

Политетрафторэтилен (простейший и наиболее используемый фторопласт, также известный как фторопласт-4), обладающий формулой (— CF2—CF2 —)n является термопластичным полимером, который получают полимеризацией тетрафторэтилена. Фторопласт имеет отличную химическую стойкость, диэлектрические характеристики и одни из самых широких возможностей эксплуатации по температуре - от -270 градусов С до 260 градусов С. ПТФЭ не растворим в органических растворителях. Материал имеет прекрасные антифрикционные и гидрофобные свойства, что обеспечивает его применение для выпуска различных покрытий и изделий для снижения их коэффициентов трения до минимальных значений.

Полиметилметакрилат (ПММА, оргстекло) – также термопласт, получаемый полимеризацией ММА. Материал обладает хорошей прочностью, хим- и маслобензостойкостью.

Главным достоинством ПММА является его оптическая прозрачность, что позволяет применять материал в светотехнике, а также электротехнике, лазерной технике и в качестве клеевой основы.

Полиамиды — категория термопластичных полимеров, имеющих в цепи макромолекулы амидогруппу —NH—СО— (вместо Н возможен другой радикал). Плотность полиамидов варьируется от 1000 до 1300 кг/куб.м.

ПА имеют высокую прочность, которая в сочетании с волокнистыми наполнителями дает этому виду полимеров успешно замещать металлические детали. Также полиамиды обладают износостойкостью, маслобензостойкостью, хорошими диэлектрическими качествами. Отличная химическая резистентность также присуща почти всем полиамидам.

Реактопласты (термореактивные смолы) – группа материалов, отличная от термопластов тем, что после первоначального синтеза и получения изделий не способна к повторной переработке ввиду образования неплавкой сетчатой структуры между макромолекулами. Такой процесс также называют сшивкой. Существует много вариантов термореактивных полимеров, например резольные, новолачные, эпоксидные, полиэфирные смолы и т.д.

Термореактопласты, благодаря своей природе, характеризуются очень высокими химсвойствами, хорошими термо-механическими и диэлектрическими характеристиками.

Читайте также: