Свойства полимеров и их применение. Сферы применения полимерных материалов

Полимеры – это органические и неорганические вещества, которые подразделяются на различный типы и виды. Что представляют из себя полимеры, и какова их классификация?

Общая характеристика полимеров

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных звеньев, связанных с друг другом химической связью. Полимеры могут быть органическими и неорганическими, аморфными или кристаллическими веществами. В полимерах всегда находится большое количество мономерных звеньев, если это количество слишком мало, то это уже не полимер, а олигомер. Количество звеньев считается достаточным, если при добавлении нового мономерного звена свойства не изменяются.

Рис. 1. Полимер структура.

Вещества, из которых получают полимеры, называются мономерами.

Молекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную или трехмерную структуру. Молекулярный вес обычных полимеров колеблется от 10000 до 1000000.

Реакция полимеризации характерна для многих органических веществ, в которых имеются двойные или тройные связи.

Например: реакция образования полиэтилена:

nCH 2 =CH 2 —> [-CH 2 -CH 2 -]n

где n – число молекул мономера, взаимно соединенных в процессе полимеризации, или степень полимеризации.

Полиэтилен получают при высокой температуре и высоком давлении. Полиэтилен химически устойчив, механически прочен и поэтому широко применяется при изготовлении оборудования в различных отраслях промышленности. Он обладает высокими электроизоляционными свойствами, а также используется в качестве упаковки продуктов.

Рис. 2. Вещество полиэтилен.

Структурные звенья – многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов.

Виды полимеров

По своему происхождению полимеры можно разделить на три типа:

• природные . Природные или натуральные полимеры можно встретить в природе в естественных условиях. К этой группе относятся, например, янтарь, шелк, каучук, крахмал.

Рис. 3. Каучук.

• синтетические . Синтетические полимеры получают в лабораторных условиях, синтезирует их человек. К таким полимерам относятся ПВХ, полиэтилен, полипропилен, полиуретан. эти вещества не имеют ни какого отношения к природе.
• искусственные . Искусственные полимеры отличаются от синтетических тем, что они синтезированы хоть и в лабораторных условиях, но на основе природных полимеров. К искусственным полимерам относится целлулоид, ацетатцеллюлоза, нитроцеллюлоза.

С точки зрения химической природы полимеры делятся на органические, неорганические и элементоорганические. Большая часть всех известных полимеров являются органическими. К ним относятся все синтетические полимеры. Основу веществ неорганической природы составляют такие элементы, как S, O, P, H и другие. Такие полимеры не бывают эластичными и не образуют макроцепей. Сюда относятся полисиланы, поликремниевые кислоты, полигерманы. К полимерам с элемнтоорганической природой относится смесь как органических, так и неорганических полимеров. Главная цепь – всегда неорганическая, боковые – органические. Примерами полимеров могут служить полисилоксаны, поликарбоксилаты, полиорганоциклофосфазены.

Все полимеры могут находится в разных агрегатных состояниях. Они могут быть жидкостями (смазки, лаки, клеи, краски), эластичными материалами (резина, силикон, поролон), а также твердыми пластмассами (полиэтилен, полипропилен).

Полимеры - это соединения макромолекулярного типа. Их основа - мономеры, из которых формируется макроцепь полимерных веществ. Применение полимеров позволяет создавать материалы, обладающие высоким уровнем прочности, износостойкости и рядом других полезных характеристик.

Классификация полимеров

Природные . Образуются естественным природным путем. Пример: янтарь, шелк, натуральный каучук.

Синтетические . Производятся в лабораторных условиях и не содержат природных компонентов. Пример: поливинилхлорид, полипропилен, полиуретан.

Искусственные . Производятся в лабораторных условиях, но в их основе лежат природные составляющие. Пример: целлулоид, нитроцеллюлоза.

Виды полимеров и их применение очень многообразны. Большая часть предметов, которые окружают человека, созданы с использованием этих материалов. В зависимости от типа, они имеют различные свойства, которые и определяют сферу их применения.

Существует ряд распространенных полимеров, с которыми мы сталкиваемся ежедневно и этого даже не замечаем:

• Полиэтилен. Используется для производства упаковки, труб, изоляций и других изделий, где требуется обеспечить влагонепроницаемость, устойчивость к агрессивным средам и диэлектрические характеристики.
• Фенолформальдегид. Является основой пластмасс, лаков и клеевых составов.
• Синтетический каучук. Обладает лучшими прочностными характеристиками и устойчивостью к истиранию, чем натуральный. Из него изготавливается резина и различные материалы на ее основе.
• Полиметилметакрилат - всем известный плексиглас. Используется в электротехнике, а также в качестве конструкционного материала в других производственных областях.
• Полиамил. Из него изготавливается ткань и нитки. Это капрон, нейлон и другие синтетические материалы.
• Политетрафторэтилен, он же - тефлон. Применяется в медицине, пищевой промышленности и различных других областях. Всем известны сковородки с тефлоновым покрытием, которые были когда-то очень популярны.
• Поливинилхлорид, он же ПВХ. Часто встречается в виде пленки, используется для изготовления изоляции кабелей, кожзаменителей, оконных профилей, натяжных потолков. Имеет очень широкую сферу использования.
• Полистирол. Применяется для производства бытовых изделий и широкого ряда строительных материалов.
• Полипропилен. Из этого полимера изготавливаются трубы, тара, нетканые материалы, бытовые изделия, строительные клеи и мастики.

Где применяются полимеры

Область применения полимерных материалов очень широка. Сейчас можно с уверенностью сказать - они используются в промышленности и производстве практически в любой сфере. Благодаря своим качествам полимеры полностью заменили природные материалы, существенно уступающие им по характеристикам. Поэтому стоит рассмотреть свойства полимеров и области их применения.

По классификации материалы можно разделить на:

• композиты;
• пластмассы;
• пленки;
• волокна;
• лаки;
• резины;
• клеящие субстанции.

Качества каждой разновидности определяет область применения полимеров.

Быт

Оглядевшись вокруг, мы можем увидеть огромное количество изделий из синтетических материалов. Это детали бытовых приборов, ткани, игрушки, кухонные принадлежности и даже бытовая химия. По сути - это огромный ряд изделий от обычной пластмассовой расчески до стирального порошка.

Такое широкое использование обусловлено низкой стоимостью производства и высокими качественными характеристиками. Изделия прочны, гигиеничны, не содержат вредных для организма человека компонентов и универсальны. Даже обычные капроновые колготки изготовлены из полимерных составляющих. Поэтому полимеры в быту применяются гораздо чаще, чем натуральные материалы. Они существенно превосходят их по качествам и обеспечивают низкую цену изделия.

Примеры:

• пластиковая посуда и упаковка;
• части различных бытовых приборов;
• синтетические ткани;
• игрушки;
• кухонные принадлежности;
• изделия для санузлов.

Любая вещь из пластика или с включением синтетических волокон изготавливается на основе полимеров, так что перечень примеров может быть бесконечным.

Строительная отрасль

Применение полимеров в строительстве тоже очень обширно. Их стали использовать сравнительно недавно, примерно 50-60 лет тому назад. Сейчас большая часть строительных материалов производится с применением полимеров.

Основные направления:

• изготовление ограждающих и строительных конструкций различного типа;
• клеящие составы и пены;
• производство инженерных коммуникаций;
• материалы для тепло- и гидроизоляции;
• наливные полы;
• различные отделочные материалы.

В сфере ограждающих и строительных конструкций - это полимербетон, композитная арматура и балки, рамы для стеклопакетов, поликарбонат, стеклопластик и различные другие материалы подобного типа. Все изделия на полимерной основе имеют высокие прочностные характеристики, длительный срок службы и устойчивость к негативным природным явлениям.

Клеи отличаются устойчивостью к влаге и отличной адгезией. Они используются для склеивания различных материалов и имеют высокую прочность соединения. Пены - идеальное решение для герметизации стыков. Они обеспечивают высокие теплосберегающие характеристики и насчитывают огромное количество разновидностей с различными качествами.

Применение полимерных материалов в сфере производства инженерных коммуникаций - одно из наиболее обширных направлений. Они используются в водоснабжении, электрообеспечении, теплосбережении, оборудовании канализационных сетей, вентиляции и отопительных систем.

Материалы для теплоизоляции имеют отличные теплосберегающие характеристики, малый вес и доступную стоимость. Гидроизоляция отличается высоким уровнем водонепроницаемости и может выпускаться в различном виде (рулонные изделия, порошок или жидкие смеси).

Полимерные полы - это специализированный материал, который позволяет создать на черновой основе идеально ровную поверхность без трудоемких работ. Такая технология используется как в бытовом, так и в промышленном строительстве.

Современная промышленность выпускает широкий ряд отделочных материалов на основе полимеров. Они могут иметь различную структуру и форму выпуска, но по характеристикам всегда превосходят натуральную отделку и имеют гораздо меньшую стоимость.

Медицина

Применение полимеров в медицине имеет широкое распространение. Самый простой пример - одноразовые шприцы. На данный момент производится около 3 тысяч изделий, используемых в медицинской сфере.

Чаще всего в данной области используются силиконы. Они незаменимы при проведении пластических операций, создания защиты на ожоговых поверхностях, а также изготовления различных изделий. В медицине полимеры использовались с 1788 года, но в ограниченном количестве. А 1895 году они получают более широкое распространение после операции, в ходе которой костный дефект был закрыт полимером на основе целлулоида.

Все материалы данного типа можно разделить на три группы согласно применению:

• 1 группа - для введения в организм. Это искусственные органы, протезы, кровезаменители, клеи, лекарственные препараты.
• 2 группа - полимеры, имеющие контакт с тканями, а также веществами, предназначенными для введения в организм. Это тара для хранения крови и плазмы, стоматологические материалы, шприцы и хирургические инструменты, составляющие медицинского оборудования.
• 3 группа - материалы, не имеющие контакта с тканями и не вводящиеся в организм. Это оборудование и приборы, лабораторная посуда, инвентарь, больничные принадлежности, постельное белье, оправы для очков и линзы.

Сельское хозяйство

Наиболее активно полимеры используются в тепличном хозяйстве и мелиорации. В первом случае имеется потребность в различных пленках, агроволокне, сотовом поликарбонате, а также арматуре. Это все необходимо для сооружения теплиц.

В мелиорации используются трубы из полимерных материалов. Они имеют меньший вес, чем металлические, доступную стоимость и более длительный срок службы.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности полимерные материалы используются для изготовления тары и упаковки. Могут иметь форму твердых пластиков или пленок. Основное требование - полное соответствие санитарно-эпидемиологическим нормам. Не обойтись без полимеров и в пищевом машиностроении. Их применение позволяет создавать поверхности с минимальной адгезией, что важно при транспортировке зерна и других сыпучих продуктов. Также антиадгезионные покрытия необходимы в линиях выпечки хлеба и производства полуфабрикатов.

Полимеры применяются в различных отраслях деятельности человека, что обусловливает их высокую востребованность. Обойтись без них невозможно. Натуральные материалы не могут обеспечить ряда характеристик, необходимых для соответствия конкретным условиям использования.

Большая часть современных строительных материалов, лекарственных средств, тканей, предметов быта, упаковочных и расходных веществ является полимерами. Это целая группа соединений, имеющих характерные отличительные признаки. Их очень много, но несмотря на это, число полимеров продолжает расти. Ведь химики-синтетики ежегодно открывают все новые и новые вещества. При этом особенное значение во все времена имел именно природный полимер. Что же собой представляют эти удивительные молекулы? Каковы их свойства и в чем заключаются особенности? Ответим на эти вопросы в ходе статьи.

Полимеры: общая характеристика

С точки зрения химии, полимером принято считать молекулу, имеющую огромную молекулярную массу: от нескольких тысяч до миллионов единиц. Однако, помимо этого признака, существует и еще несколько, по которым вещества можно классифицировать именно как природные и синтетические полимеры. Это:

• постоянно повторяющиеся мономерные звенья, которые соединяются при помощи разных взаимодействий;
• степень полимеразии (то есть число мономеров) должна быть очень высокой, иначе соединение будет считаться олигомером;
• определенная пространственная ориентация макромолекулы;
• набор важных физико-химических свойств, характерных только для данной группы.

В целом вещество полимерной природы отличить от других достаточно легко. Стоит лишь взглянуть на его формулу, чтобы понять это. Типичным примером может служить всем известный полиэтилен, широко применяемый в быту и промышленности. Он является продуктом в которую вступает этен или этилен. Реакция в общем виде записывается следующим образом:

nCH 2 =CH 2 →(-СН-СН-) n , где n - это степень полимеризации молекул, показывающая, сколько мономерных звеньев входит в ее состав.

Также в качестве примера можно привести природный полимер, который всем хорошо известен, это крахмал. Кроме того, к данной группе соединений принадлежат амилопектин, целлюлоза, куриный белок и многие другие вещества.

Реакции, в результате которых могут образоваться макромолекулы, бывают двух типов:

• полимеризации;
• поликонденсации.

Разница в том, что во втором случае продукты взаимодействия являются низкомолекулярными. Строение полимера может быть различным, это зависит от тех атомов, что его образуют. Часто встречаются линейные формы, но есть и трехмерные сетчатые, очень сложные.

Если же говорить о силах и взаимодействиях, которые удерживают мономерные звенья вместе, то можно обозначить несколько основных:

• Ван-Дер-Ваальсовы силы;
• химические связи (ковалентные, ионные);
• электроностатическое взаимодействие.

Все полимеры нельзя объединять в одну категорию, так как они имеют совершенно различную природу, способ образования и выполняют неодинаковые функции. Свойства их также разнятся. Поэтому существует классификация, которая позволяет делить всех представителей этой группы веществ на разные категории. В ее основе может лежать несколько признаков.

Классификация полимеров

Если брать за основу качественный состав молекул, то все рассматриваемые вещества можно определить в три группы.

1. Органические - это те, в состав которых входят атомы углерода, водорода, серы, кислорода, фосфора, азота. То есть те элементы, которые являются биогенными. Примеров можно привести массу: полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, вискоза, нейлон, природный полимер - белок, нуклеиновые кислоты и так далее.
2. Элементорганические - такие, в состав которых входит какой-то посторонний неорганический и не Чаще всего это кремний, алюминий или титан. Примеры подобных макромолекул: стеклополимеры, композиционные материалы.
3. Неорганические - в основе цепи лежат атомы кремния, а не углерода. Радикалы же могут быть частью боковых ответвлений. Они открыты совсем недавно, в середине XX века. Используются в медицине, строительстве, технике и прочих отраслях. Примеры: силикон, киноварь.

Если разделять полимеры по происхождению, то можно выделить три их группы.

1. Природные полимеры, применение которых широко осуществлялось с самой древности. Это такие макромолекулы, для создания которых человек не прилагал никаких усилий. Они являются продуктами реакций самой природы. Примеры: шелк, шерсть, белок, нуклеиновые кислоты, крахмал, целлюлоза, кожа, хлопок и прочие.
2. Искусственные. Это такие макромолекулы, которые создаются человеком, но на основе природных аналогов. То есть просто улучшаются и изменяются свойства уже имеющегося природного полимера. Примеры: искусственный
3. Синтетические - это такие полимеры, в создании которых участвует только человек. Природных аналогов для них нет. Ученые разрабатывают методы синтеза новых материалов, которые отличались бы улучшенными техническими характеристиками. Так рождаются синтетические полимерные соединения разного рода. Примеры: полиэтилен, полипропилен, вискоза, и прочее.

Есть и еще один признак, который лежит в основе разделения рассматриваемых веществ на группы. Это реакционная способность и термоустойчивость. Выделяют две категории по этому параметру:

• термопластичные;
• термореактивные.

Самым древним, важным и особенно ценным является все же природный полимер. Его свойства уникальны. Поэтому дальше рассмотрим именно эту категорию макромолекул.

Какое вещество является природным полимером?

Чтобы ответить на этот вопрос, сначала оглянемся вокруг себя. Что нас окружает? Живые организмы вокруг нас, которые питаются, дышат, размножаются, цветут и дают плоды и семена. А что они представляют собой с молекулярной точки зрения? Это такие соединения, как:

• белки;
• нуклеиновые кислоты;
• полисахариды.

Так вот, природным полимером является каждое из приведенных соединений. Таким образом, выходит, что жизнь вокруг нас существует только благодаря наличию этих молекул. С самых древних времен люди использовали глину, строительные смеси и растворы для укрепления и создания жилища, ткали пряжу из шерсти, применяли для создания одежды хлопок, шелк, шерсть и кожу животных. Природные органические полимеры сопровождали человека на всех ступенях его становления и развития и во многом помогли ему добиться тех результатов, что мы имеем сегодня.

Сама природа давала все для того, чтобы жизнь людей была максимально комфортной. Со временем был открыт каучук, выяснены его замечательные свойства. Человек научился использовать в пищевых целях крахмал, в технических - целлюлозу. Природным полимером является и камфора, которая также известна с древних времен. Смолы, белки, нуклеиновые кислоты - все это примеры рассматриваемых соединений.

Строение природных полимеров

Не все представители данного класса веществ устроены одинаково. Так, природные и синтетические полимеры могут существенно различаться. Их молекулы ориентируется так, чтобы максимально выгодно и удобно существовать с энергетической точки зрения. При этом многие природные виды способны набухать и структура их в процессе меняется. Можно выделить несколько самых распространенных вариантов строения цепи:

• линейные;
• разветвленные;
• звездчатые;
• плоские;
• сетчатые;
• ленточные;
• гребневидные.

Искусственные и синтетические представители макромолекул имеют очень большую массу, огромное число атомов. Их создают со специально заданными свойствами. Поэтому и строение их изначально планируется человеком. Натуральные же полимеры чаще всего либо линейные, либо сетчатые по своей структуре.

Примеры природных макромолекул

Природные и искусственные полимеры очень близки друг другу. Ведь первые становятся основой для создания вторых. Примеров подобных превращений много. Приведем некоторые из них.

1. Обычная пластмасса молочно-белого цвета - это продукт, получаемый при обработке азотной кислотой целлюлозы с добавлением природной камфоры. Реакция полимеризации приводит к затвердеванию полученного полимера и превращению в нужный продукт. А пластификатор - камфора, делает его способным размягчаться при нагревании и менять свою форму.
2. Ацетатный шелк, медно-аммиачное волокно, вискоза - все это примеры тех нитей, волокон, которые получают на основе целлюлозы. Ткани из натурального хлопка и льна не так прочны, не блестящи, легко сминаемы. А вот искусственные аналоги их этих недостатков лишены, что и делает их использование весьма привлекательным.
3. Искусственные камни, строительные материалы, смеси, кожзаменители - это также примеры полимеров, полученных на основе натурального сырья.

Вещество, являющееся природным полимером, может использоваться и в истинном виде. Таких примеров тоже немало:

• канифоль;
• янтарь;
• крахмал;
• амилопектин;
• целлюлоза;
• шерсть;
• хлопок;
• шелк;
• цемент;
• глина;
• известь;
• белки;
• нуклеиновые кислоты и так далее.

Очевидно, что рассматриваемый нами класс соединений очень многочисленный, практически важный и значимый для людей. Теперь рассмотрим более подробно несколько представителей природных полимеров, которые являются очень востребованными в настоящее время.

Шелк и шерсть

Формула природного полимера шелка сложна, ведь его химический состав выражается следующими компонентами:

• фиброин;
• серицин;
• воски;
• жиры.

Сам главный белок - фиброин, насчитывает в своем составе несколько разновидностей аминокислот. Если представить его полипептидную цепочку, то она будет выглядеть примерно так: (-NH-CH 2 -CO-NH-CH(CH 3)-CO-NH-CH 2 -CO-) n. И это лишь ее часть. Если представить, что к данной структуре при помощи сил Ван-Дер-Ваальса присоединяется не менее сложная молекула белка серицина, вместе они смешиваются в единую конформацию с воском и жирами, то понятно, почему сложно изобразить формулу натурального шелка.

На сегодняшний день большую часть данного продукта поставляет Китай, ведь на его просторах существует естественная среда обитания основного производителя - тутового шелкопряда. Раньше, начиная с самых древних времен, натуральный шелк очень ценился. Позволить себе одежду из него могли лишь знатные, богатые люди. Сегодня многие характеристики этой ткани оставляют желать лучшего. Например, он сильно намагничивается и мнется, кроме того, от пребывания на солнце теряет блеск и тускнеет. Поэтому больше в обиходе искусственные производные на его основе.

Шерсть - это тоже природный полимер, так как является продуктом жизнедеятельности кожи и сальных желез животных. На основе этого белкового продукта изготавливают трикотаж, который, как и шелк, является ценным материалом.

Крахмал

Природный полимер крахмал является продуктом жизнедеятельности растений. Они производят его в результате процесса фотосинтеза и накапливают в разных частях тела. Его химический состав:

• амилопектин;
• амилоза;
• альфа-глюкоза.

Пространственная структура крахмала очень разветвленная, неупорядоченная. Благодаря входящему в состав амилопектину, он способен набухать в воде, превращаясь в так называемый клейстер. Этот используется в технике и промышленности. Медицина, пищевая отрасль, изготовление обойных клеев - это также области использования данного вещества.

Среди растений, содержащих максимальное количество крахмала, можно выделить:

• кукурузу;
• картофель;
• пшеницу;
• маниок;
• овес;
• гречиху;
• бананы;
• сорго.

На основе этого биополимера выпекают хлеб, изготавливают макаронные изделия, варят кисели, каши и прочие пищевые продукты.

Целлюлоза

С точки зрения химии, данное вещество - это полимер, состав которого выражается формулой (С 6 Н 5 О 5) n . Мономерным звеном цепи является бета-глюкоза. Основные места содержания целлюлозы - это клеточные стенки растений. Именно поэтому древесина - ценный источник этого соединения.

Целлюлоза - природный полимер, который имеет линейное пространственное строение. Она используется для производства следующих видов изделий:

• целлюлозно-бумажной продукции;
• искусственного меха;
• разных видов искусственных волокон;
• хлопка;
• пластмассы;
• бездымного пороха;
• кинопленок и так далее.

Очевидно, что промышленное значение ее велико. Чтобы данное соединение возможно было использовать в производстве, его следует для начала извлечь из растений. Это делают путем длительной варки древесины в специальных устройствах. Дальнейшая обработка, а также реагенты, используемые для вываривания, различаются. Есть несколько способов:

• сульфитный;
• азотнокислый;
• натронный;
• сульфатный.

После подобной обработки продукт все еще содержит примеси. В основе это лигнин и гемицеллюлоза. Чтобы избавиться от них, массу обрабатывают хлором или щелочью.

В организме человека не существует таких биологических катализаторов, которые сумели бы расщепить этот сложный биополимер. Однако некоторые животные (травоядные) приспособились к этому. В их желудке поселяются определенные бактерии, которые делают это за них. Взамен микроорганизмы получают энергию для жизни и среду обитания. Такая форма симбиоза является крайне выгодной для обеих сторон.

Каучук

Это природный полимер, имеющий ценное хозяйственное значение. Впервые он был описан еще Робертом Куком, который в одном из своих путешествий его обнаружил. Произошло это так. Высадившись на острове, на котором жили неизвестные ему туземцы, он был гостеприимно встречен ими. Его внимание привлекли местные дети, которые играли необычным предметом. Это шарообразное тело отталкивалось от пола и подпрыгивало высоко вверх, затем возвращалось.

Поинтересовавшись у местного населения о том, из чего сделана эта игрушка, Кук узнал, что так застывает сок одного из деревьев - гевеи. Много позже было выяснено, что это и есть биополимер каучук.

Химическая природа данного соединения известна - это изопрен, подвергшийся естественной полимеризации. Формула каучука (С 5 Н 8) n . Его свойства, благодаря которым он так высоко ценится, следующие:

• эластичность;
• износостойкость;
• электроизоляция;
• водонепроницаемость.

Однако есть и недостатки. На холоде он становится хрупким и ломким, а на жаре - липким и тягучим. Именно поэтому появилась необходимость синтеза аналогов искусственной или синтетической основы. Сегодня каучуки широко используются в технических и промышленных целях. Самые главные продукты на их основе:

• резины;
• эбониты.

Янтарь

Является природным полимером, поскольку по своей структуре представляет смолу, ископаемую ее форму. Пространственная структура - каркасный аморфный полимер. Очень горюч, зажечь его можно пламенем спички. Обладает свойствами люминесценции. Это очень важное и ценное качество, которое используется в ювелирном деле. Украшения на основе янтаря очень красивы и востребованы.

Кроме того, этот биополимер используют и в медицинских целях. Из него же изготовляют наждачную бумагу, лаковые покрытия для различных поверхностей.

Полимеры, или макромолекулы - это очень большие молекулы, образованные связями многих молекул малого размера, которые называются составными звеньями, или мономерами. Молекулы настолько велики, что их свойства не изменяются существенным образом при добавлении или удалении нескольких таких составных звеньев. Термин "полимерные материалы" является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность - полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ - мономеров.

Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества (гомополимеры) с введенными в них добавками, а именно стабилизаторами, ингибиторами, пластификаторами, смазками, антирадами и т. д. Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности.

Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они (дисперсная среда) располагаются в полимерной матрице (дисперсионная среда). Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.

Пластмассы могут быть разделены на две основные группы - термопластические и термореактивные. Термопластические - это те, которые после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинилацетат, поливиниловый спирт и другие.

Пластмассы также можно располагать по категориям в зависимости от метода, который используется для их полимеризации, на полимеры, полученные присоединением к поликонденсацией. Полимеры, полученные присоединением, производятся с помощью механизма, который включает либо свободные радикалы, либо ионы, по которому малые молекулы быстро присоединяются к растущей цепи, без образования сопутствующих молекул. Поликонденсационные полимеры производятся с помощью реакции функциональных групп в молекулах друг с другом, так что постадийно образуется длинная цепь полимера, и обычно происходит образование низкомолекулярного сопутствующего продукта, например воды, во время каждой стадии реакции. Большинство упаковочных полимеров, включая полиолефины, поливинилхлорид и полистирол - это полимеры присоединения.

Химические и физические свойства пластиков обусловлены их химическим составом, средней молекулярной массой и распределением молекулярной массы, историей обработки (и использования), и наличием добавок.

Полимерные армированные материалы являются разновидностью пластмасс. Они отличаются тем, что в них используются не дисперсные, а армирующие, то есть усиливающие наполнители (волокна, ткани, ленты, войлок, монокристаллы), образующие в ПКМ самостоятельную непрерывную фазу. Отдельные разновидности таких ПКМ называют слоистыми пластиками. Такая морфология позволяет получить пластики с весьма высокими деформационно-прочностными, усталостными, электрофизическими, акустическими и иными целевыми характеристиками, соответствующими самым высоким современным требованиям.

Реакция полимеризации - это последовательное присоединение молекул ненасыщенных соединений друг к другу с образованием высокомолекулярного продукта - полимера. Молекулы алкена, вступающие в реакцию полимеризации, называются мономерами. Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации (обозначается п). В зависимости от степени полимеризации из одних и тех же мономеров можно получать вещества с различными свойствами. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами. Полиэтилен с длиной цепи в 1500-2000 звеньев представляет собой твердый, но гибкий пластический материал, из которого можно получать пленки, изготовлять бутылки и другую посуду, эластичные трубы и т. д. Наконец, полиэтилен с длиной цели в 5-6 тыс. звеньев является твердым веществом, из которого можно готовить литые изделия, жесткие трубы, прочные нити.

Если в реакции полимеризации принимает участие небольшое число молекул, то образуются низкомолекулярные вещества, например димеры, тримеры и т. д. Условия протекания реакций полимеризации весьма различные. В некоторых случаях необходимы катализаторы и высокое давление. Но главным фактором является строение молекулы мономера. В реакцию полимеризации вступают непредельные (ненасыщенные) соединения за счет разрыва кратных связей. Структурные формулы полимеров кратко записывают так: формулу элементарного звена заключают в скобки и справа внизу ставят букву п. Например, структурная формула полиэтилена (-СН2-СН2-)n. Легко заключить, что название полимера слагается из названия мономера и приставки поли-, например полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и т. д.

Полимеризация - это цепная реакция, и, для того чтобы она началась, необходимо активировать молекулы мономера с помощью так называемых инициаторов. Такими инициаторами реакции могут быть свободные радикалы или ионы (катионы, анионы). В зависимости от природы инициатора различают радикальный, катионный или анионный механизмы полимеризации.

Наиболее распространенными полимерами углеводородной природы являются полиэтилен и полипропилен.

Полиэтилен получают полимеризацией этилена: Полипропилен получают стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена). Стереоспецифическая полимеризация - это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением. К полимеризации способны многие другие соединения - производные этилена, имеющие общую формулу СН2==СН-X, где Х - различные атомы или группы атомов.

Виды полимеров:

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула -(СН2)-n) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. Кстати сказать, все углеводы, к примеру, природный газ, сахар, парафин и дерево имеют схожее химическое строение. Всего в мире ежегодно производиться 150 млн. т. полимеров, а полеолефины составляют примерно 60% от этого количества. В будущем полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня, поэтому полезно присмотреться к ним повнимательнее.

Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

Особенно следует подчеркнуть, что полеолефины экологически чище большинства применяемых человеком материалов. При производстве, транспортировке и обработке стекла, дерева и бумаги, бетона и металла используется много энергии, при выработке которой неизбежно загрязняется окружающая среда. При утилизации традиционных материалов также выделяются вредные вещества и затрачивается энергия. Полиолефины производятся и утилизуются без выделения вредных веществ и при минимальных затаратах энергии, причем при сжигании полиолефинов выделяется большое количество чистого тепла с побочными продуктами в виде водяного пара и углекислого газа. Полиэтилен

Около 60% всех пластиков, используемых для упаковки- это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена. -(CH2CH2)n- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеют ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH2CHR) n- полиэтилен низкой плотности Где R может быть -H, -(CH2)nCH3, или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Полиэтилен, благодаря своему простому химическому строению, легко складывается в кристаллическую решетку, и, следовательно, имеет тенденцию к высокой степени кристалличности. Разветвление цепи препятствует этой способности к кристаллизации, что приводит к меньшему числу молекул на единицу объема, и, следовательно, меньшей плотности.

ПЭВД - полиэтилен высокого давления. Пластичен, слегка матовый, воскообразный на ощупь, перерабатывается методом экструзии в рукавную пленку с раздувом или в плоскую пленку через плоскощелевую головку и охлаждаемый валик. Пленка из ПЭВД прочна при растяжении и сжатии, стойка к удару и раздиру, прочна при низких температурах. Имеет особенность - довольно низкая температура размягчения (около 100 градусов Цельсия).

ПЭНД - полиэтилен низкого давления. Пленка из ПЭНД - жесткая, прочная, менее воскообразная на ощупь по сравнению с пленками ПЭВД. Получается экструзией рукава с раздувом или экструзией плоского рукава. Температура размягчения 121°С позволяет производить стерилизацию паром. Морозостойкость этих пленок такая же, как и у пленок из ПЭВД. Устойчивость к растяжению и сжатию - высокая, а сопротивление к удару и раздиру меньше, чем у пленок из ПЭВД. Пленки из ПЭНД - это прекрасная преграда влаге. Стойки к жирам, маслам. "Шуршащий" пакет-майка ("шуршавчик"), в который вы упаковываете покупки, изготовлен именно из ПЭНД.

Существует два основных типа ПЭНД. Более "старый" тип, произведенный первым в 1930-х годах, полимеризуется при высоких температурах и давлениях, условиях, которые достаточно энергетичны, чтобы обеспечить заметную встречаемость реакций по цепному механизму, которые приводят к образованию разветвления, как с длинными, так и с короткими цепями. Этот тип ПЭНД иногда называется полиэтиленом высокого давления (ПВД, ВД-ПЭНД, из-за высокого давления), если есть необходимость отличать его от линейного полиэтилена низкого давления, более "молодого" типа ПЭВД. При комнатной температуры полиэтилен - довольно мягкий и гибкий материал. Он хорошо сохраняет эту гибкость в условиях холода, так что применим в упаковке замороженных пищевых продуктов. Однако при повышенных температурах, таких как 100 °С, он становится слишком мягким для ряда применений. ПЭНД отличается более высокой хрупкостью и температурой размягчения, чем ПЭВД, но все же не является подходящим контейнеров горячего заполнения.

Около 30% всех пластиков, используемых для упаковки- это ПЭНД. Это наиболее широко используемый пластик для бутылок, из-за его низкой стоимости, простоты формования, и отличных эксплуатационных качеств, для многих областей применения. В его естественной форме ПЭНД имеет молочно-белый, полупрозрачный вид, и таким образом, не подходит для областей применения, где требуется исключительная прозрачность. Один недостаток использования ПЭНД в некоторых из областей применения- его тенденция к растрескиванию под напряжением при взаимодействии внешней среды, определяемая как разрушение пластикового контейнера при условиях одновременного напряжения и соприкосновения с продуктом, что в отдельности не приводит к разрушению. Растрескивание под напряжением при взаимодействии внешней срды в полиэтилене соотносится с кристалличностью полимера.

ПЭВД- это наиболее широко применяемый упаковочный полимер, соответствующий примерно одной трети всех упаковочных пластиков. Из-за его низкой кристалличности, это более мягкий, более гибкий материал, чем ПЭНД. Это предпочитаемый материал для пленок и сумок, из-за его низкой стоимости. ПЭВД отличается лучшей прозрачностью, чем ПЭНД, но все же не обладает кристальной чистотой, которая желательна для некоторых областей применения упаковок.

ПП - полипропилен. Прекрасная прозрачность (при быстром охлаждении в процессе формообразования), высокая температура плавления, химическая и водостойкость. ПП пропускает водяные пары, что делает его незаменимым для "противозапотевающей" упаковки продуктов питания (хлеба, зелени, бакалеи), а также в строительстве для гидро-ветроизоляции. ПП чувствителен к кислороду и окислителям. Перерабатывается методом экструзии с раздувом или через плоскощелевую головку с поливом на барабан или охлаждением в водяной бане. Имеет хорошую прозрачность и блеск, высокую химическую стойкость, особенно к маслам и жирам, не растрескивается под воздействием окружающей среды.

ПВХ - поливинилхлорид. В чистом виде применяется редко из-за хрупкости и неэлостичности. Недорог. Может перерабатываться в пленку методом экструзии с раздувом, либо плоскощелевой экструзии. Расплав высоковязкий. ПВХ термически нестабилен и коррозионно активен. При перегреве и горении выделяет высокотоксичное соединение хлора - диоксин. Широко распространился в 60-70е годы. Вытесняется более экологичным полипропиленом.

Идентификация полимеров

У потребителей полимерных пленок очень часто возникает практическая задача по распознаванию природы полимерных материалов, из которых они изготовлены. Основные свойства полимерных материалов, как хорошо известно, определяются составом и структурой их макромолекулярных цепей. Отсюда ясно, что для идентификации полимерных пленок в первом приближении может быть достаточной оценка функциональных групп, входящих в состав макромолекул. Некоторые полимеры благодаря наличию гидроксильных групп (-ОН) тяготеют к молекулам воды. Это объясняет высокую гигроскопичность, например, целлюлозных пленок и заметное изменение их эксплуатационных характеристик при увлажнении. В других полимерах (полиэтилентерефталат, полиэтилены, полипропилен и т.п.) такие группы отсутствуют вообще, что объясняет их достаточно хорошую водостойкость.

Наличие тех или иных функциональных групп в полимере может быть определено на основе существующих и научно обоснованных инструментальных методов исследования. Однако, практическая реализация этих методов всегда сопряжена с относительно большими временными затратами и обусловлена наличием соответствующих видов достаточно дорогостоящей испытательной аппаратуры, требующей соответствующей квалификации для ее использования. Вместе с тем, существуют достаточно простые и "быстрые" практические способы распознавания природы полимерных пленок. Эти способы основаны на том, что полимерные пленки из различных полимерных материалов отличаются друг от друга по своим внешним признакам, физико-механическим свойствам, а также по отношению к нагреванию, характеру их горения и растворимости в органических и неорганических растворителях.

Во многих случаях природу полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, можно установить по внешним признакам, при изучении которых особое внимание следует обратить на следующие особенности: состояние поверхности, цвет, блеск, прозрачность, жесткость и эластичность, стойкость к раздиру и др. Например, неориентированные пленки из полиэтиленов, полипропилена и поливинилхлорида легко растягиваются. Пленки из полиамида, ацетата целлюлозы, полистирола, ориентированных полиэтиленов, полипропилена, поливинилхлорида растягиваются плохо. Пленки из ацетата целлюлозы нестойки к раздиру, легко расщепляются в направлении, перпендикулярном их ориентации, а также шуршат при их сминании. Более стойкие к раздиру полиамидные и лавсановые (полиэтилентерефталатные) пленки, которые также шуршат при сминании. В то же время пленки из полиэтилена низкой плотности, пластифицированного поливинилхлорида не шуршат при сминании и обладают высокой стойкостью к раздиру. Результаты изучения внешних признаков исследуемой полимерной пленки следует сравнить с характерными признаками, приведенными в табл. 1, после чего уже можно сделать некоторые предварительные выводы.

Таблица 1. Внешние признаки

Вид полимера	Механические признаки	Состояние поверхности на ощупь	Цвет	Прозрачность	Блеск
	Мягкая, эластичная, стойкая к раздиру	Мягкая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная
		Слегка маслянистая, гладкая, сладошуршащая	Бесцветная	Полупрозрачная
	Жестковатая, слегка эластичная, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Полупрозрачная или прозрачная
	Жестковатая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная
	Мягкая, стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Прозрачная
	Жесткая, стойкая к раздиру		Бесцветная	Прозрачная
		Сухая, гладкая	Бесцветная или светло-желтая	Полупрозрачная
	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная или с голубоватым оттенком	Прозрачная
	Жесткая, слабо стойкая к раздиру	Сухая, гладкая, сильно шуршащая	Бесцветная, с желтоватым или голубоватым оттенком	Высокопрозрачная
	Жесткая, не стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Высокопрозрачная
Целлофан	Жесткая, не стойкая к раздиру	Сухая, гладкая	Бесцветная	Высокопрозрачная

Однако, как нетрудно уяснить из анализа данных, приведенных в табл. 2, не всегда по внешним признакам можно однозначно установит природу полимера, из которого изготовлена пленка. В этом случае, необходимо попытаться количественно оценить какие-нибудь физико-механические характеристики имеющегося образца полимерной пленки. Как видно, например, из данных, приведенных в табл. 2, плотность некоторых полимерных материалов (ПЭНП, ПЭВП, ПП) меньше единицы, а, следовательно, образцы этих пленок должны "плавать" в воде. С тем, чтобы уточнить вид полимерного материала, из которого изготовлена пленка, следует определить плотность имеющегося образца путем измерения его веса и вычисления или измерения его объема. Уточнению природы полимерных материалов способствуют и экспериментальные данные по таким их физико-механическим характеристикам как предел прочности и относительное удлинение при одноосном растяжении, а также температура плавления (табл. 2). Кроме того, как видно из анализа данных, приведенных в табл. 2, проницаемость полимерных пленок по отношению к различным средам также существенно зависит от вида материала, из которого они изготовлены.

Таблица 2. Физико-механические характеристики при 20°C

Вид полимеров	Плотность кг/м 3	Прочность при разрыве, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Проницаемость по водяным парам, г/м 2 за 24 часа	Проницаемость по кислоробу, см 3 /(м 2 хатм) за 24 часа	Проницаемость по СО 2 , см 3 /(м 2 хатм) за 24 часа	Температура плавления, 0 С
Целлофан

Помимо отличительных особенностей в физико-механических характеристиках следует отметить и существующие различия в характерных признаках различных полимеров при их горении. Этот факт позволяет использовать на практике так называемый термический метод идентификации полимерных пленок. Он заключается в том, что образец пленки поджигают и выдерживают в открытом пламени в течение 5-10 секунд, фиксируя при этом следующие свойства: способность к горению и его характер, цвет и характер пламени, запах продуктов горения и др. Характерные признаки горения наиболее отчетливо наблюдаются в момент поджигания образцов. Для установления вида полимерного материала, из которого изготовлена пленка, необходимо сравнить результаты проведенного испытания с данными о характерных особенностях поведения полимеров при горении, приведенными в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики горения. Химическая стойкость

Вид полимера	Горючесть	Окраска пламени	Запах продуктов горения	Хим. стойкость к кислотам	Хим. стойкость к щелочам
		Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная
	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная
	Горит в пламени и при удалении	Внутри синеватая, без копоти	Горящего парафина	Отличная
		Зеленоватая с копотью	Хдористого водорода
	Трудно воспламеняется и гаснет	Зеленоватая с копотью	Хлористого водорода	Отличная	Отличная
	Загорается и горит вне пламени	Желтоватая с сильной копотью	Сладковатый, неприятный	Отличная
	Горит и самозатухает	Голубая, желтоватая по краям	Жженого рога или пера
	Трудно воспламеняется и гаснет	Светящаяся	Сладковатый	Отличная	Отличная
	Трудно воспламеняется и гаснет	Желтоватая с копотью	Жженой бумаги
	Горит в пламени	Искрящаяся	Уксусной кислоты
Целлофан	Горит в пламени		Жженой бумаги

Как видно из данных, приведенных в табл. 3, по характеру горения и запаху продуктов горения полиолефины (полиэтилены и полипропилен) напоминают парафин. Это вполне понятно, поскольку элементарный химический состав этих веществ один и тот же. Отсюда возникает сложность в различении полиэтиленов и полипропилена. Однако при определенном навыке можно отличить полипропилен по более резким запахам продуктов горения с оттенками жженой резины или горящего сургуча.

Таким образом, результаты комплексной оценки отдельных свойств полимерных пленок в соответствии с изложенными выше методами позволяют в большинстве случаев достаточно надежно установить вид полимерного материала, из которого изготовлены исследованные образцы. При возникающих затруднениях в определении природы полимерных материалов, из которых изготовлены пленки, необходимо провести дополнительные исследования их свойств химическими методами. Для этого образцы могут быть подвергнуты термическому разложению (пиролизу), при этом в продуктах деструкции определяется наличие характерных атомов (азота, хлора, кремния и т.п.) или групп атомов (фенола, нитрогрупп и т.п.), склонных к специфическим реакциям, в результате которых обнаруживается вполне определенный индикаторный эффект. Изложенные выше практические методы определения вида полимерных материалов, из которых изготовлены полимерные пленки, носят в известной степени субъективный характер, а, следовательно, не могут гарантировать их сто процентной идентификации. Если такая необходимость все же возникает, то следует воспользоваться услугами специальных испытательных лабораторий, компетентность которых подтверждена соответствующими аттестационными документами.

Показатель текучести расплава

Показатель текучести расплава полимерного материала это масса полимера в граммах, выдавливаемая через капилляр при определенной температуре и определенном перепаде давления за 10 минут. Определение величины показателя текучести расплава производят на специальных приборах, называемых капиллярными вискозиметрами. При этом размеры капилляра стандартизованы: длина 8,000±0,025 мм; диаметр 2,095±0,005 мм; внутренний диаметр цилиндра вискозиметра составляет 9,54±0,016 мм. Не целочисленные значения размеров капилляров связанны с тем, что впервые методика определения показателя текучести расплава появилась в странах с английской системой мер. Условия, рекомендуемые для определения показателя текучести расплава, регламентируются соответствующими стандартами. ГОСТ 11645-65 рекомендует нагрузки 2,16 кг, 5 кг и 10 кг и температуры, кратные 10°C. ASTM 1238-62T (США) рекомендует температуры от 125°C до 275°C и нагрузки от 0,325 кг до 21,6 кг. Наиболее часто показатель текучести расплава определяют при температуре 190°C и нагрузке 2,16 кг.

Величина показателя текучести для различных полимерных материалов определяется при различных нагрузках и температурах. Поэтому надо иметь в виду, что абсолютные величины показателя текучести сравнимы лишь для одного и того же материала. Так, например, можно сравнивать величину показателя текучести расплава полиэтилена низкой плотности различных марок. Сравнение же величин показателей текучести полиэтилена высокой и низкой плотности не дает возможности непосредственно сопоставить текучесть обоих материалов. Поскольку первый определяется при нагрузке в 5 кг, а второй при нагрузке в 2,16 кг.

Следует отметить, что вязкость расплавов полимеров существенно зависит от приложенной нагрузки. Так как показатель текучести того или иного полимерного материала измеряют лишь при одном значении нагрузки, то этот показатель характеризует только одну точку на всей кривой течения в области относительно низких напряжений сдвига. Поэтому полимеры, несколько различающиеся по разветвленности макромолекул или по молекулярной массе, но с одинаковым показателем текучести расплава, могут вести себя по-разному в зависимости от условий переработки. Однако, несмотря на это, по показателю текучести расплава для многих полимеров устанавливают границы рекомендуемых технологических параметров процесса переработки. Значительное распространение этого метода объясняется его быстротой и доступностью. Экструзионные процессы производства пленок требуют высоких вязкостей расплава, в связи с этим применяются марки сырья с низким показателем текучести расплава.

По материалам компании «НПЛ Пластик»

Автор этой статьи академик Виктор Александрович Кабанов — выдающийся ученый в области химии высокомолекулярных соединений, ученик и преемник акадtvbrf В.А. Каргина, одного из мировых лидеров науки о полимерах, создателя крупной научной школы, автора большого количества работ, книг и учебных пособий.

Полимеры (от греч. polymeres — состоящий из многих частей, многообразный) — это химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

Классификация полимеров

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде:

• открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук натуральный);
• цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин);
• трёхмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы).

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определённой периодичности, полимеры называются стереорегулярными (см. Стереорегулярные полимеры).

Что такое сополимеры
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми (см. также Сополимеры).

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

Гетероцепные и гомоцепные полимеры

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры делят на: гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных полимеров. — полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты и др.), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими (см. Элементоорганические полимеры). Отдельную группу полимеров. образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид (см. Неорганические полимеры).

Свойства и важнейшие характеристики полимеров

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом и . Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и плёнки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов (см. Растворы полимеров, Набухание). Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трёхмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации — регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах. возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимеров менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние называются эластомерами, с высокой — пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров. могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4-цис-полибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 град.С — эластичный материал, который при температуре — 60 град.С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жёстких цепей, при температуре около 20 град.С — твёрдый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластическое состояние лишь при 100 град.С.

Целлюлоза — полимер с очень жёсткими цепями, соединёнными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластическое состоянии до температуры её разложения. Большие различия в свойствах П. могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол — кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 град.С, а нестереорегулярный (атактический) вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 град.С.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (т. н. сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты (см. Деструкция полимеров); реакции боковых функциональных групп полимеров. с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (т. н. полимераналогичные превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливинилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта.

Скорость реакций полимеров. с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимеров. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства полимеров., например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимеры из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров — химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др. Свойства полимеров. существенно зависят от этих характеристик.

Получение полимеров

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и др. методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углерод-углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных). Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углерод-элемент (например, С = О, С º N, N = С = О) или непрочные гетероциклические группировки (например, в окисях олефинов, лактамах).

Применение полимеров

Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и др. ценным свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов — пластические массы, резины, волокна (см. Волокна текстильные, Волокна химические), лаки, краски, клеи, ионообменные смолы. Значение биополимеров определяется тем, что они составляют основу всех живых организмов и участвуют практически во всех процессах жизнедеятельности.

Историческая справка. Термин «полимерия» был введён в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Т. о., содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. «Истинные» синтетические полимеры к тому времени ещё не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен ещё в 1-й половине 19 в. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктов основной химической реакции, т. е., собственно, к образованию полимера. (до сих пор полимеры часто называли «смолами»). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол).

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А. М. Бутлеровым теории химического строения (начало 60-х гг. 19 в.). А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее своё развитие (до конца 20-х гг. 20 в.) наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, нем. учёный К. Гарриес, И. Л. Кондаков, С. В. Лебедев и др.). В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (американский учёный Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х гг. 20 в. развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория «малых блоков»). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного (к началу 40-х гг. 20 в.) заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Литература .: Энциклопедия полимеров, т. 1-2, М., 1972-74; Стрепихеев А. А., Деревицкая В. А., Слонимский Г. Л., Основы химии высокомолекулярных соединений, 2 изд., [М., 1967]; Лосев И. П., Тростянская Е. Б., Химия синтетических полимеров, 2 изд., М., 1964; Коршак В. В., Общие методы синтеза высокомолекулярных соединений, М., 1953; Каргин В. А., Слонимский Г. Л., Краткие очерки по физике-химии полимеров, 2 изд., М., 1967; Оудиан Дж., Основы химии полимеров, пер. с англ., М., 1974; Тагер А. А., Физико-химия полимеров, 2 изд., М., 1968; Тенфорд Ч., Физическая химия полимеров, пер. с англ., М., 1965.

В. А. Кабанов. Источник www.rubricon.ru