Структура и классификация полимеров кратко

Обновлено: 06.07.2024

Полимеры – это высокомолекулярные химические соединения (ВМС), макромолекулы которых образованы из множества мономерных звеньев. Молекулы полимеров характеризуются огромной молекулярной массой, от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы. Существует несколько вариантов классификации полимеров.

Термопласты и их сокращенные обозначения

Реактопласты и их сокращенные обозначения

БФ – фенолоформальдегидный олигомер, совмещенный с поливинилбутиралем.
КС – кремнийогранические смолы.
МАС – меламиноальдегидные смолы.
НПС – ненасыщенные полиэфирные смолы.
ПИ – полиимиды.
ПЭЭК – полиэфирэфиркетон.
ПУ – полиуретаны.
ППУ – пенополиуретаны.
ФС – фурановые смолы.
ФФС – фенолформальдегидные смолы.
ЭС – эпоксидные смолы.

Эластомеры и их сокращенные обозначения

БК – статический сополимер изобутилена и 0,6 -3,0 % изопрена.
ДСТ-30 – термоэластопласт с 30% блоков стирола.
СКД – цис-полибутадиеновый.
СКДЛ – цис-полиизобутиленовый (литиевый катализатор).
СКИ – цис-полиизопреновый.
СКМС-30 – бутадиен-метилстирольный.
СКН-18, СКН-26 – бутадиен-нитрильные с указанным содержанием нитрила акриловой кислоты в макромолекуле (в %) и т.д.
СКС-30, СКМС-30 – бутадиен-стирольный, бутадиен-метилстирольный с 30% стирола в молекуле.
СКС-30А – бутадиен-стирольный низкотемпературной полимеризации.
СКТВ – метилвинилсилоксановый [до 1% (мол.) винилового мономера]
СКЭП – сополимер этилена (40-70%) и пропилена.
СКЭПТ – сополимер этилена, пропилена и 1-2% несопряженного диена.
СКУ – полиуретановый.
ТЭП – термоэластопласт, блок-сополимер бутадиена и стирола.

Применение полимеров

Сложно переоценить значение полимеров с точки зрения их практического применения. В современном мире практически не найдется ни одной сферы жизни человека и общества, науки и бизнеса где не применялся бы хотя бы один вид полимеров.

Наиболее активное применение полимерные материалы получили в производстве автомобилей, машин и оборудования; в авиационной и аэрокосмической индустриях; в индустрии разработки и создания медицинских аппаратов и инвентаря. Остановимся на некоторых из направлений практического использования полимерных материалов более подробно.

Применение полимеров в автомобильной индустрии

Надежность работы современного автомобиля, долговечность и комфорт его эксплуатации, а также (что важно) безопасность передвижения могут быть обеспечены только при условии применения полимерных материалов — пластмасс, резин, лаков и красок и прочее.

Из пластмасс изготовляют кузова и кабины автомобилей и их отдельные крупногабаритные детали, разнообразные малогабаритные детали конструкционного и декоративного назначения, теплоизоляционные и звукоизоляционные детали и др.

К важнейшим и наиболее материалоемким резиновым изделиям для автомобилестроения относятся шины. Большое значение в этой отрасли промышленности имеют также многочисленные резино-технические изделия, от качества которых во многом зависит надежность работы автомобиля.

Лакокрасочные материалы применяемые для грунтования и окончательной отделки металлических поверхностей, должны образовывать покрытия, которые надежно защищают металл от коррозии (см. Защитные лакокрасочные покрытия), обладают высокой твердостью, эластичностью, ударопрочностью, термо- и износостойкостью.

Применение полимеров в авиастроении

Еще одним масштабным направлением практического применения широкой гаммы полимерных материалов является индустрия разработки, производства и эксплуатации летательных аппаратов.

Целесообразность применения полимеров в указанном направлении обусловлено их легкостью, вариабельностью состава и строения и следовательно, широким диапазоном технических свойств. Тенденция к расширению границ применения полимерных материалов характерна также и для производства ракет и космических аппаратов.

Основные полимеры и сегменты использования:

Реактопласты;
Термопласты;
Пенопласты и сотопласты;
Резина;
Герметики и клеи;
Лакокрасочные материалы.

Развернутую информацию на предмет использования полимеров по указанным сегментам в авиастроении вы найдете в основной статье, ссылка на которую указана в начале абзаца.

Применение полимеров в машиностроении

Пожалуй одним из ключевых направлений использования полимеров и материалов на их основе является машиностроение. Так например потребление пластических масс в этой отрасли уже становится соизмеримым (в единицах объема) с потреблением стали. Непрерывно, отмечают аналитики, возрастает также применение лакокрасочных материалов, синтетических волокон, клеев, резины и прощих веществ ии материалов на полимерной основе.

Целесообразность применения полимеров в машиностроении определяется, прежде всего, возможностью удешевления продукции. При этом улучшаются также важнейшие технико-экономические параметры машин: уменьшается масса, повышаются долговечность, надежность и прочие существенные свойства.

Применение полимеров в медицине

Благодаря широкой гамме свойств и физико-химических характеристик получаемых изделий полимеры и материалы на их основе получили огромное применение в медицине.

Применение полимерных материалов с целью изготовления изделий и техники медицинского назначения позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, предметов ухода за больными, специальной посуды и различных видов упаковок для лекарств, обладающих рядом преимуществ перед аналогичными изделиями из металлов и стекла: экономичностью, в ряде случаев — повышенной стойкостью к воздействию различных сред, возможностью выпуска изделий разового использования и прочее.

Особое внимание следует уделить вопросу применения полимерных материалов в фармакологии. Роль данной категории материалов в фармакологическом аспекте, пока относительно невелика. В лечебной практике их используют мало. К веществам, вводимым в организм, тем более к таким, которые должны в растворенном виде попасть в кровь, лимфу, межклеточные и клеточные полости и могут достигнуть любой части тела, любого его рецептора, предъявляются, естественно, очень жесткие требования.

Также отдельно следует остановиться и на вопросе практического использования полимерных материалов в таком медицинском сегменте, как – хирургия. Учитывая свойства получаемых изделий полимерные материалы получили активное применение сразу в нескольких сегментах современной хирургии:

Восстановительная хирургия;
Сердечно-сосудистая хирургия;
Хирургия внутренних органов и тканей;
Травматология и ортопедия;
Применение полимеров в функциональных узлах хирургических аппаратов.

В заключении отметим, что полимеры в медицинском аспекте применяются также в вопросе создания кровезаменителей и плазмозаменителей.

Применение полимеров в пищевой промышленности

Пожалуй самым известным для массового потребителя является вопрос использования полимеров для нужд пищевой промышленности.

Следует отметить, что полимеры в пищевой промышленности должны соответствовать комплексу определенных санитарно-гигиенических требований, обусловленных контактом этих материалов с продуктами питания. Обязательное условие применения полимерных материалов в пищевой промышленности — разрешение органов санитарного надзора, которое выдается на основании комплекса испытаний, включающих оценку органолептических свойств, а также санитарно-химическиеи токсикологические исследования полимеров и отдельных ингредиентов, входящих в состав композиционных материалов и изделий.

К числу наиболее крупных потребителей полимерных материалов в пищевой промышленности выступают “пищевое машиностроение” и производство тары и упаковки для хранения и транспортировки продуктов питания. При этом, в последнем случае, полимеры могут выступать и как основной материал (например, пластиковые бутылки), так и в качестве вспомогательных элементов и добавок, призванных (например) уберечь металлический контейнер от коррозии.

Применение полимеров в судостроении

Благодаря использованию полимерных материалов значительно улучшаются технические и эксплуатационные характеристики судов, повышаются их надежность и долговечность, сокращается продолжительность и снижается трудоемкость постройки.

Современная судостроительная промышленность — один из крупнейших потребителей синтетических полимерных материалов, причем области их применения очень разнообразны, а перспективы использования практически неограниченны. Полимеры применяют для изготовления корпусов судов и корпусных конструкций, в производстве деталей судовых механизмов, приборов и аппаратуры, для окраски судов, отделки помещений и их тепло-, звуко- и виброизоляции, а также прочие полезные свойства.

Полимеры — вещества, состоящие из повторяющихся групп атомов (звеньев, мономеров), из которых собираются длинные макромолекулы.

Наука о полимерах

По-настоящему заниматься исследованиями структуры полимеров начали только в 20-м веке. Первоначально считалось, что природные полимеры типа крахмала и целлюлозы состоят из особых, но обычных по длине молекул, которые обладают способностью образовывать коллоидные растворы. Автором принципиально другой точки зрения, высказавшим предположении об необычно длинных макромолекулах, был немецкий химик Герман Штаудингер.

Необходимость найти замену натуральному каучуку для бурно развивающейся автомобильной промышленности стимулировала развитие науки о полимерах, которая окончательно сформировалась после Второй мировой войны.

Основные характеристики полимеров

— Химический состав
— Молекулярная масса одного химического звена и всей молекулы
— Степень полимеризации (количество мономеров в молекуле)
— Молекулярно-массовое распределение (показывает однородность длины молекул)
— Степень разветвленности и гибкости молекул
— Стереорегулярность (отражает однородность составляющих молекулу стереоизомеров или их равномерное чередование)

Классификация полимеров

В зависимости от молекулярной массы (ММ), полимеры делятся на:

— мономеры (с небольшой ММ);
— олигомеры (с ММ менее 540);
— полимеры (высокомолекулярные, с ММ от пяти тысяч до пятисот тысяч);
— сверхвысокомолекулярные полимеры с ММ более полумиллиона.

По степени разветвленности молекул:

— линейные (молекула состоит из цепочки мономеров), к ним относится натуральный каучук, эластомеры и другие полимеры высокой эластичности;
— разветвленные (цепочка из звеньев имеет боковые ответвления), например, амилопектин;
— сетчатые или сшитые (между соседними макромолекулами существуют поперечные связи), нерастворимые и неэластичные полимеры, например, эпоксидные смолы в стадии отверждения.

По составу мономеров:

— гомополимеры, состоящие из одного вида звеньев, например, ПВХ, целлюлоза;
— сополимеры, состоящие из звеньев разного строения (многие полимеры с улучшенными свойствами).

В зависимости от того, как полимеры реагирует на нагревание, их разделяют на:

— термопласты, после охлаждения возвращающиеся в исходное состояние без потери физических свойств (этими качествами обладают линейные и разветвленные полимеры);
— реактопласты, после нагревания частично и необратимо разрушаются и не восстанавливают исходных свойств (сетчатые пространственные полимеры).

По структуре полимеры разделяют на:

— кристаллические, содержащие более 2/3 кристаллических структур (полиэтилен низкого давления, полипропилен, тефлон);
— аморфные, содержащие не более нескольких процентов кристаллических структур (акриловое стекло, полистирол и все сетчатые полимеры);
— аморфно-кристаллические, содержащие от 25 до 70% кристаллических структур (полиэтилен высокого давления).

По происхождению:

— природные (белки, коллоидная сера, натуральный каучук, целлюлоза, крахмал);
— синтетические (фенолформальдегидные смолы, полистирол).

По химическому составу:

— органические;
— неорганические, не содержащие органических звеньев ни в главной цепи, ни в ответвлениях макромолекулы (пластическая сера, кристаллы кварца);
— элементоорганические, макромолекулы которых состоят из углеводородных групп и неорганических звеньев (кремний-, боро-, фосфорорганические полимеры и др.).

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:

Классифицируются полимеры по различным признакам: составу, форме макромолекул, полярности, отношению к нагреву и т.д.

1. По составу основной цепи

— гомополимеры — полимеры, построенные из одинаковых мономеров:

(целлюлоза, состоящая из остатков β-D-глюкозы);

— сополимеры — полимеры, цепочки молекул которых состоят из двух или более различных структурных звеньев:

(нуклеиновая кислота, гиалуроновая кислота, белки);

— блок-сополимеры, состоящие из нескольких полимерных блоков:

Сополимеры получаются в результате реакций сополимеризации.

2. По строению главной цепи

— гомоцепные

–СН ₂ –СН ₂ –СН ₂ – , –SiН ₂ –SiН ₂ –

— гетероцепные

–СН ₂ –О–СН ₂ –О– , –Si (СН ₃ ) ₂ –О–

Гомоцепные полимеры имеют главную цепь, состоящую из одинаковых атомов. Если она состоит из атомов углерода, то такие полимеры называют карбоцепными (полиэтилен, полистироли др.).

Гетероцепными называют такие полимеры, главная цепь которых состоит из различных атомов. К гетероцепным полимерам относятся простые эфиры, например, полиэтиленгликоль.

3. По регулярности строения цепи

— нерегулярные (беспорядочное чередование мономеров различного химического состава).

4. По форме макромолекулы

— линейные;

— разветвленные;

— пространственные (сшитые)

5. По химическому составу

По химическому составу полимеры подразделяются на органические, элементоорганические и неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Органические полимеры в главной цепи кроме атомов углерода, могут содержать также и другие элементы — кислород, азот, серу и т.д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.

Элементоорганические соединения в природе не встречаются. Этот класс материалов полностью создан искусственно.

Элементоорганические полимеры содержат в основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами (СН₃, С₆Н₅, СН₂). Эти радикалы придают материалу, прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

Неорганические полимеры построены из атомов кремния, алюминия, германия, серы и др. и не содержат органические боковые радикалы. Неорганические полимеры являются основой керамики, стекол, ситаллов, слюдяных, асбестовых, углеграфитовых и других материалов.

6. По отношению к нагреванию

— термопластические;

— термореактивные

При нагревании термопластических полимеров их свойства постепенно изменяются и при достижении определенной температуры они переходят в вязкотекучее состояние. При охлаждении жидких термопластических полимеров наблюдаются обратные явления. Химическая природа полимера при этом не изменяется, процесс плавления и процесс отвердевания обратим.

К термопластическим полимерам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид.

При нагревании термореактивных полимеров (реактопласты) они приобретают сетчатую структуру. Такие полимеры не восстанавливают свои свойства при нагревании и последующем охлаждении. Примером таких полимеров служат фенолформальдегидные смолы, мочевиноальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и карбамидные смолы. Они содержат обычно различные наполнители.

7. По развитию деформации (при комнатных температурах)

— пластомеры;

— эластомеры

Полимеры, которые легко деформируются при комнатной температуре, называют эластомерами, трудно деформируемые – пластомерами (пластиками).

8. По природе (происхождению)

— природные;

— искусственные;

— синтетические

Полимеры, встречающиеся в природе – органические вещества растительного (хлопок, шелк, натуральный каучук, целлюлоза и др.) и животного (кожа, шерсть и др.) происхождения, а также минеральные вещества (слюда, асбест, естественный графит, природный алмаз, кварц и др.).

Искусственные полимеры получают из природных полимеров путем их химической модификации. Одним из наиболее распространенных природных полимеров, который непрерывно регенерируется в процессе фотосинтеза, является целлюлоза.

Нитроцеллюлоза и ацетатцеллюлоза – продукты химической модификации целлюлозы – искусственные полимеры. Они растворимы в ацетоне, хлороформе и др. растворителях.

Эфиры целлюлозы используют для получения фотопленки и волокон.

Вискозная нить получается растворением природной целлюлозы в сероуглероде со щелочью с последующим ее выделением. Вискозная нить и целлюлоза природная имеют различную кристаллическую структуру, пластмасса целлулоид получается обработкой нитроцеллюлозы камфарой в присутствии спирта.

Синтетические полимеры получают из простых веществ путем химического синтеза. Основным преимуществом синтетических полимеров перед природными являются неограниченные запасы исходного сырья и широкие возможности синтеза полимеров с заранее заданными свойствами. Исходным сырьем для получения синтетических полимеров являются продукты химической переработки нефти, природного газа и каменного угля.

9. По полярности

— полярные;

— неполярные

Полярные содержат полярные группы -OH, -COOH, -CN, -Cl, -CONH₂ — ПВС (поливиниловый спирт), ПВХ (поливинилхлорид).

Неполярные не содержат полярных групп атомов — ПЭ (полиэтилен), ПП (полипропилен) и др.

Рубрики: Высокомолекулярные соединения

Читайте также: