Физико-химические основы производства полимеров

Общие положения

Для синтеза высокомолекулярных соединений используют мономеры (иногда олигомеры), способные взаимодействовать не меньше, чем с двумя другими молекулами, т. е. если они не менее чем бифункциональны.

Функциональностью вещества называется число реакционных (функциональных) групп в молекуле, способных взаимодействовать с другими соединениями. Вещества могут иметь разную функциональность (моно-, би-, три-, тетра- и т. д.). Например, монофункциональные соединения: метиловый спирт CH3-OH, метиламин CH3-NH2. Бифункциональные соединения: этиленгликоль HO-CH2-CH2-OH, адипиновая кислота HOOC-(CH2)4-COOH, гексаметилендиамин H2N-(CH2)6-NH2. Трифункциональные соединения: глицерин.

К функциональным группам относятся двойные и тройные связи в молекулах. Этилен бифункционален, так как его молекула может присоединить два атома водорода: CH2=CH2 + H2-"CH3-CH3. Ацетилен тетрафункционален, так как он может присоединить четыре атома водорода: CH = CH + 2H2-"CH3-CH3.

Функциональность вещества может меняться. Например: в зависимости от количества кислоты и других условий реакции глицерин может быть би- и трифункциональным; фенол может быть моно- и трифункциональным.

При взаимодействии двух монофункциональных веществ получаются соединения, не способные к дальнейшим реакциям, т. е. к образованию высокомолекулярных соединений.

При взаимодействии двух бифункциональных веществ получаются новые бифункциональные соединения, способные к дальнейшим реакциям и образованию высокомолекулярных соединений. Например, при реакции гликолей с дикарбоновыми кислотами образуется бифункциональный эфир, способный к дальнейшей реакции с исходными мономерами и образованию высокомолекулярного полимера.

При взаимодействии бифункциональных веществ образуются линейные полимеры. Если в реакции участвуют вещества с большей функциональностью (три-, тетра-), то получаются разветвленные или сетчатые полимеры. Следовательно, между функциональностью исходных мономеров и строением синтетического полимера существует определенная зависимость.

Условия реакции синтеза высокомолекулярных соединений в отличие от синтеза низкомолекулярных соединений влияют на свойства конечного продукта реакции. При синтезе низкомолекулярных соединений эти условия сказываются только на выходе готового продукта, но не влияют на его свойства, так как молекулы низкомолекулярного соединения между собой не реагируют. При синтезе высокомолекулярных соединений условия реакции сказываются на свойствах готового полимера, так как промежуточные продукты реагируют с молекулами мономера, образуя макромолекулы разного состава. Это приводит к образованию в результате синтеза смеси полимеров с разной молекулярной массой, так как макромолекулы полимера, имея одинаковые элементарные звенья, отличаются друг от друга своими размерами. Неоднородность полимера по размерам макромолекул характеризует его полидисперсность. Поэтому, когда говорят о молекулярной массе, имеют в виду среднюю молекулярную массу продукта. Свойства высокомолекулярного соединения зависят от его средней молекулярной массы и его дисперсности, т. е. от условий реакции.

В настоящее время промышленность использует для синтеза высокомолекулярных соединений следующие основные методы: цепную полимеризацию, ступенчатую полимеризацию, превращение циклов в линейные полимеры и поликонденсацию.