Общие сведения о полимерных материалах

Понятие полимеров, их классификация. Вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов называются высокомолекулярным соединением (ВМС). если высокомолекулярное соединение образовано молекулами, состоящими из многократно повторяющихся одинаковых групп атомов (а)

…аааааааааааааа….,

то его называют полимером или гомополимером. Однако к полимерам часто относят все ВМС, особенно имеющие линейное строение.

В зависимости от состава различают органические, элементоорганические и неорганические полимеры. К органическим относятся полимеры, содержащие в своем составе наряду с атомами углерода атомы водорода, азота, кислорода, серы и галогенов, к элементоорганическим - содержащие в молекулах наряду с органическими неорганические фрагменты, а к неорганическим - полимеры, не содержащие в своем составе атомов углерода.

Наибольшее распространение получили органические полимеры.

Простейшим органическим полимером является полиэтилен, который синтезируют из этилены реакцией полимеризации. Две молекулы этилена (мономер), соединяясь между собой, образуют одну молекулу бутилена (димер):

СН₂ = СН₂ + СН₂ = СН₂ → СН₃-СН₂-СН = СН₂

Три молекулы этилена могут дать одну молекулу триммера, четыре- тетрамера и т.д. Если соединяется (n) молекул в одну, то образуется молекула полимера:

n (CH₂ = CH₂) → (- CH₂- CH₂ -)_n

Многократно повторяющаяся в составе молекулы полимера группировка атомов называется звеном или мономерным звеном, а сама большая молекула, состоящая из звеньев, - макромолекулой. Число звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации. Если масса звена m _y.e, а количество звеньев в макромолекуле n, то молекулярную массу полимера (М), можно представить в виде произведения:

M = n * m

В отличие от низкомолекулярных веществ, молекулярная масса которых не превышает 500 у.е. и имеет строго определенное значение для каждого соединения, молекулярная масса полимеров обычно больше 6000 у.е. и носит статистический характер. В одном и том же полимерном материале присутствуют молекулы, существенно отличающиеся по величине и соответственно по молекулярной массе. В связи с этим для характеристике полимера пользуются понятием «средняя молекулярная масса». Следует иметь в виду, что при одинаковой средней молекулярной массе разные образцы одного и того же полимера могут сильно различаться по содержанию молекул одинаковой величины.

Полимеры с молекулярной массой от 500 до 6000 у.е. называют олигомерами.

В зависимости от структуры макромолекул различают линейные, разветвленные и сшитые полимеры. В линейные полимеры мономерные звенья располагаются друг за другом в виде цепочки

…аааааааааа…

в разветвленном - макромолекулы представляют собой длинные основные цепочки с короткими ответвлениями

а в сшитом - трехмерные сетки, состоящие из отрезков цепного строения:

Полимеры с линейной и разветвленной структурой макромолекул могут находиться в кристаллическом, стеклообразном, вязко-текучем и высокоэластическом состояниях. Для них характерен высокий температурный интервал, в котором они проявляют высокоэластические свойства. Эти полимеры, предварительно набухая, практически неограниченно растворяются в подходящих растворителях, способны давать высокопрочные волокна и пленки.

Пространственные полимеры с густой сеткой поперечных связей находятся, как правило, в аморфном стеклообразном состоянии. Они нерастворимы, не набухают, не размягчаются и не плавятся при нагревании.

Для пространственных полимеров с редким расположением поперченных связей характерны как кристаллическое так и высокоэластическое состояния. Такие полимеры только набухают, но не растворяются в растворителях, только размягчаются, но не плавятся при нагревании.

Свойства пространственных полимеров зависит от числа химических связей между макромолекулами. С увеличением числа этих связей увеличивается прочность и твердость, уменьшается эластичность и способность к набуханию.

Полимеры, макромолекулы которых состоят из нескольких типов элементарных звеньев, называются сополимерами. В зависимости от характера расположения звеньев в макромолекулах различают регулярные и нерегулярные сополимеры. В регулярных сополимерах расположение элементарных звеньев (a, b) характеризуется определенной периодичностью (-abababab-, или -aabaabaab-, или -abbaabbaabbaabba и т.д.), а в нерегулярных оно случайное.

Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами (- aaaabbbbaaaabbbbaaaa-). Блоксополимеры могут быть регулярными, если длины блоков и их чередование в макромолекуле подчиняются определенной периодичности, и нерегулярными.

Если к внутренним (неконцевым) звеньям одной макромолекулярной цепи присоединены одна или несколько цепей другого строения, то такой полимер можно рассматривать как привитой сополимер

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры делят на гомо- и гетероцепные.

В основной цепи гомоцепных полимеров содержатся одинаковые атомы, в гетероцепных - разные, чаще всего углерод, кремний, фосфор, азот. Из гомоцепных полимеров наиболее распространенны карбоцепные (полиэтилен, полиметилметакрилат, фторопласт и д.р.), главные цепи которых состоят только из атомов углерода. Примерами гетероцепных полимеров могут служить полиэфиры (полиэтилентерефталат, полиэтиленоксид, полиформальдегид), полиамид, мочевино-формальдегидные смолы, белки, целлюлоза, кремнийорганические полимеры.

Данная классификация полимеров может быть продолжена путем выбора других классификационных признаков.

Свойства полимеров. В силу высокой молекулярной массы, цепного строения и гибкости макромолекул полимерные материалы обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств, важнейшими из которых являются: химические свойства, плотность, теплопроводность, термостойкость и другие.

Химические свойства полимеров обусловлены, в основном, ковалентной природой связей между атомами, образующими молекулы полимеров, что приводит к высокой стойкости этих материалов по отношению к воде, растворам солей, кислотам и щелочам.

Многие полимеры обладают хорошей прозрачностью и светостойкостью, что позволяет использовать их для остекления транспортных средств, часов, изготовления поделочного стекла. Прозрачные пленки широко применяются в сельском хозяйстве.

Большинство полимеров характеризуется высокими диэлектрическими свойствами, что позволяет широко использовать их в электронной и радиоэлектронной промышленности, электротехнике и т.д.

Плотность большинства полимеров колеблется от 0,9 до 2,1 г/см³. Они в среднем в 2-3 раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали.

Теплопроводностьбольшинства полимеров на 2-3 порядка меньше теплопроводности стали, меди и других металлов.

Термостойкость полимеров варьирует в широких пределах. При достижении определенной для каждого материала температуры он начинает разлагаться с образованием различных макромолекулярных продуктов. Полиэтилен на воздухе разлагается с образованием СО, СО₂, Н₂О и низкомолекулярных органических соединений. При разложении поливинилхлорида образуется хлористый водород.

Классификация полимеров. Для удобства изучения влияния состава, структуры на свойства полимеров их целесообразно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву).

По происхождениюполимеры различают природные (биополимеры), например, белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические - полиэтилен, поливинилхлорид.

По отношению к нагреву все полимеры подразделяются на термопластичные и термоактивные.

Термопластичные при нагревании плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим, т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпевает. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная. Представителями термопластов является полиэтилен, полистирол, полиамиды и др.

Термоактивные полимеры на стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем в результате протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называют термостабильным. Примером термоактивных смол могут служить фенолформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

По составу полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами. Углеродные атомы соединены с атомами водорода или органическими радикалами:

В основной цепи гетероцепных полимеров, кроме углерода, присутствуют атомы других элементов, которые существенно изменяют свойства полимера. Например, атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, что приводит к увеличению эластичности полимеров (волокон, пленок), атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы фтора, даже в виде радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость.

Элементоорганические полимеры содержат в состав основной цепи неорганические атомы кремния, титана, алюминия и других элементов, которые сочетаются с органическими радикалами. Органические радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречаются. Строение элементоорганических полимеров имеет следующий вид

К неорганическим полимеров относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений нет углеродного скелета. Их основу составляют окислы кремния, магния, алюминия и др.