Строение полимеров, свойства и синтез полимеров

Низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер, называется мономером. Многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов называются структурными звеньями. Молекула мономера и структурное звено макромолекулы одинаковы по составу, но различны по строению:

1) в данном случае в молекуле пропилена имеется двойная связь между атомами;

2) в структурном звене полипропилена она отсутствует;

3) число n в формуле полимера показывает, сколько молекул мономера соединяется в макромолекулу. Она называется степенью полимеризации.

Макромолекулы полимеров могут иметь различную геометрическую форму:

а) линейную (зигзагообразную), когда структурные звенья соединены в длинные цепи последовательно одно за другим;

б) разветвленную (с ними мы встречались на примере крахмала);

в) пространственную, когда линейные молекулы соединены между собой химическими связями (например, в вулканизированном каучуке – резине).

Геометрическая форма полимеров существенно сказывается на их свойствах.

Свойства полимеров:

1) полимеры могут иметь кристаллическое и аморфное строение;

2) молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности.

Характерные особенности молекулярной массы.

1. В процессе полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи.

2. При этом образуются макромолекулы разной длины и разной массы.

3. Указываемая для такого вещества молекулярная масса – это лишь ее среднее значение, от которого масса отдельных молекул существенно отклоняется в ту или иную сторону.

Например, если молекулярная масса полимера 28 000, то в нем могут быть молекулы с относительной массой 26 000, 28 000, 30 000 и т. д.

Свойства, которые вытекают из особенностей строения полимеров:

1) низкомолекулярные вещества характеризуются определенными температурами плавления, кипения и другими константами;

2) если нагревать какой-нибудь полимер линейной структуры, то будет видно, что он сначала размягчится, а потом, по мере дальнейшего повышения температуры, начнет постепенно плавиться, образуя вязкотекучую жидкость;

3) многие полимеры характеризуются плохой растворимостью;

4) вещества линейной структуры все же могут, хотя и с трудом, растворяться в тех или иных растворителях, образуя весьма вязкие растворы;

5) пространственные полимеры совершенно не растворимы.

Некоторые из них, например резина, могут только набухать в растворителях.

Пластмассы

Характерные особенности пластмасс:

1) пластмассами называют материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные принимать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения;

2) по масштабу производства они занимают первое место среди полимерных материалов;

3) в пластмассах сочетаются большая механическая прочность, малая плотность, высокая химическая стойкость, хорошие теплоизоляционные и электроизоляционные свойства и т. п.;

4) пластмассы производятся из доступного сырья, они легко поддаются переработке в самые разнообразные изделия;

5) кроме полимера (называемого часто смолой), в пластмассах почти всегда содержатся другие компоненты, придающие материалу определенные качества:

а) полимерное вещество для них является связующим;

б) в пластмассы входят:

– наполнители (древесная мука, ткань, асбест, стекловолокно и др.), снижающие стоимость материала и улучшающие его механические свойства, пластификаторы (например, высококипящие сложные эфиры), повышающие эластичность, устраняющие хрупкость, стабилизаторы (антиоксиданты, светостабилизаторы), которые способствуют сохранению свойств пластмасс в процессе их переработки и использования;

– красители, сообщающие материалу требуемую окраску, и другие вещества.

Для правильного обращения с пластмассами нужно знать, термопластичными или термореактивными являются образующие их полимеры.

Термопластичные полимеры (например, полиэтилен):

1) при нагревании размягчаются и в этом состоянии легко изменяют форму;

2) при охлаждении они снова затвердевают и сохраняют приданную форму;

3) при следующем нагревании они снова размягчаются, принимают новую форму и т. д.;

4) из термопластичных полимеров посредством нагревания и давления можно формовать различные изделия и при необходимости подвергать их повторно такой же переработке.

Термореактивные полимеры:

1) при нагревании сначала становятся пластичными, но потом утрачивают пластичность, становятся неплавкими и нерастворимыми, так как в них происходит химическое взаимодействие между линейными макромолекулами, образуется пространственная структура полимера (подобно превращению каучука в резину);

2) повторно переработать такой материал в новое изделие уже невозможно: он приобрел пространственную структуру и утратил необходимое для этого свойство пластичности.

На основе приведенных общих сведений о полимерах рассмотрим некоторые наиболее распространенные пластмассы.

Пластмассы на основе полимеров являются ценными заменителями многих природных материалов (металла, дерева, кожи, клеев и т. д.).

Полиэтилен и полипропилен

Особенности полиэтилена и его строения:

1) структурная формула полиэтилена: (-СН₂-СН₂-)_n;

2) это твердый, белого цвета, термопластичный, немного жирный на ощупь материал, напоминает парафин.

Это сходство можно понять, если учесть, что полимер по строению – предельный углеводород (парафин) с большой молекулярной массой.