Полимеры

Полимеры – это высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров характеризуются многократным повторением некоторых группировок атомов называющихся составными звеньями,и обладают такими свойствами, что они остаются практически неизменными при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев. Исходные вещества, используемые для получения полимеров и образующие одно или несколько составных звеньев, называются мономерами.

Индивидуальные свойства полимера определяются размером его макромолекулы и ее строением. Размером макромолекулы характеризуется числом повторяющихся составных звеньев, называемым степенью полимеризации (n). Поэтому обобщенная формула макромолекулы полимера записывается указанием составного звена (СЗ) в скобках и степени полимеризации n: – (–СЗ–)_n–.

Строение макромолекулы определяется составом и количеством атомов, входящих в составное звено, характером соединения составных звеньев между собой, пространственным расположением отдельных частей макромолекулы относительно других ее частей.

По характеру соединения составных звеньев в составе макромолекулы различают полимеры линейные, разветвленные и сетчатые.

По отношению к нагреванию разделяют термопластичные и термоактивные полимеры. Термопластичность – это способность полимера размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении без химических превращений. Высокими термопластичными свойствами обладают линейные полимеры. При разветвлении полимеров термопластические свойства становятся менее выраженными. При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. Такие полимеры невозможно превратить в исходное состояние, они не проявляют термопластичных свойств и называются термоактивными полимерами.

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация – это реакция образования полимеров путем последовательного соединения молекул мономера друг с другом при помощи перестройки ковалентных связей. Полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием полимеров, например

этилен полиэтилен

стирол полистирол

этиленоксид полиэтиленоксид

nCH₂ = CH – CH=CH₂ ® (–CH₂–CH=CH–CH₂–)_n

бутадиен-1,4 полибутадиен (бутадиеновый каучук)

По числу участвующих мономеров различают гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Полимеризация – самопроизвольный экзотермический процесс (ΔG <0; Δ H <0), так как разрыв двойных связей ведет к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий (инициаторов, катализаторов, и т.д.) полимеризация протекает очень медленно. Полимеризация является ценной реакцией. Методом полимеризации получают ¾ выпускаемых полимеров.

Поликонденсация – это реакция образования полимеров из мономеров, имеющих две или несколько функциональные группы, сопровождающаяся выделением низкомолекулярных продуктов (H₂O, NH₃, HCl и др.).

При поликонденсации бифункциональных соединений получаются линейные полимеры, например, NH₂–(CH₂)₅–COOH (аминокапроновая кислота) имеет две функциональные группы (-NH₂ и -COOH) при ее поликонденсации за счет этих групп образуются молекулы воды и получается полимер – поликапроамид.

При поликонденсации цепь растет постепенно: сначала взаимодействуют между собой исходные мономеры, затем образовавшееся соединение реагирует с молекулами того же мономера, образуя в итоге полимер. В данном примере образование полимера протекает следующим образом:

2NH₂–(CH₂)₅–COOH ® NH₂–CH₂–CO–NH–(CH₂)₅COOH + H₂O;

NH₂–(CH₂)₅–CO–NH–(CH₂)₅COOH + NH₂–(CH₂)₅–COOH ®

® NH₂–(CH₂)₅CO–NH–(CH₂)₅–CO–NH–(CH₂)₅COOH + H₂O и т.д.

Конечным продуктом будет поликапроамид (капрон). Суммарно процесс поликонденсации запишется:

n NH₂–(CH₂)₅–COOH ® (–NH–(CH₂)₅–CO–)_n + nH₂O

аминокапроновая кислота поликапроамид

При поликонденсации соединений с тремя и более функциональными группами получаются сетчатые полимеры, Примером такой поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида.

NH₂ – CO – NH₂ + H – C = O ® NH₂ – CO – NH – CH₂OH;

^{мочевина} H

^{формальдегид}

NH₂ – CO – NH – CH₂OH + H – C = O ® CH₂OH – NH – CO – NH – CH₂OH

H

2CH₂ОН – NH – CO – NH – CH₂OH ®

® CH₂OH – NH – CO – NH – CH₂ – O – CH₂ – NH – CO – NH – CH₂OH + H₂O

На первом этапе получился олигомер линейной структуры:

(–CH₂–NH–CO–NH–CH₂–O–)_n

На втором этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением CH₂O и возникновением сетчатой структуры:

Так как в процессе поликонденсации наряду с высокомолекулярными соединениями образуются низкомолекулярные продукты, то составы полимеров и исходных веществ не совпадают. Этим поликонденсация отличается от полимеризации.