Строение и свойства полимеров

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

Линейные полимеры состоят из неразветвленных цепных макромолекул, например природный каучук, целлюлоза, амилоза – растворимая внутренняя часть крахмального зерна, полиэтилен, поливинилхлорид, капрон.

Р азветвленные полимеры имеют длинные цепи с боковыми ответвлениями. В качестве примеров можно назвать амилопектин крахмала − нерастворимая оболочка крахмального зерна, гликоген.

Сетчатые полимеры построенные из соединенных между собой макромолекулярных цепей. Примерами таких полимеров являются фенолоформальдегидная смола – резит, аминопласты, резина.

Линейные полимеры могут иметь регулярную и нерегулярную структуру. В полимерах регулярной структуры отдельные звенья цепи повторяются в пространстве в определенном порядке – стереорегулярные полимеры:

В полимерах с нерегулярной структурой отдельные звенья расположены в пространстве беспорядочно:

−

По физическому состоянию полимеры разделяют на аморфные и кристаллические. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфное состояние характеризуется отсутствием упорядоченности. Способностью кристаллизоваться обладают только стереорегулярные линейные полимеры. Разветвленные и сетчатые полимеры, как правило, являются аморфными. Свойства кристаллических и аморфных полимеров существенно различаются. Например, кристаллические полимеры, в отличие от аморфных, имеют определенную температуру плавления. Аморфные же полимеры характеризуются областью температур размягчения, т.е. областью постепенного перехода от твердого состояния в жидкое. Так, аморфные линейные полимеры при нагревании сначала размягчаются, образуя вязкотекучую жидкость. Дальнейшее повышение температуры приводит к деструкции, разрушению полимера.

Для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние, т.е. способность к обратимой деформации под действием относительно небольших внешних нагрузок. Для увеличения эластичных свойств в полимер добавляют пластификаторы.

Высокомолекулярные материалы с высокоэластичными свойствами называются эластомерами. Макромолекулы эластомеров представляют собой скрученные в клубки цепи, при этом эластичность обусловлена тем, что при растяжении материала цепи вытягиваются, а при снятии внешней силы растяжения снова скручиваются. Типичными примерами таких веществ являются каучуки.

Натуральный каучук получают из млечного сока каучуконосных растений (например, гевеи). Мономером природного каучука является углеводород, общая формула которого C_nH_2n-2 – 2-метил-1, 3-бутадиен (изопрен) и, таким образом, природный каучук является полимером изопрена и имеет формулу

 

 

Синтетические каучуки получают полимеризацией 1, 3-бутадиена СН₂=СН–СН=СН₂, хлоропрена (2-хлорбутадиен-1, 3) СН₂=СCl–СН=СН₂, изопрена (2-метилбутадиен-1, 3) СН₂=С(СН₃)–СН=СН₂ или смеси бутадиена с другими компонентами, например, стиролом, акрилонитрилом СН₂=СН-СN и др.

 

 

Каучук – пластический материал. Изделия из него обладают рядом недостатков: при повышенной температуре они становятся липкими, теряют форму, а при низкой температуре – эластичность. Поэтому каучук нельзя использовать в природном виде.

Для уменьшения пластичности и повышения прочности, износоустойчивости, стойкости к агрессивным средам каучук подвергают вулканизации путем нагревания в присутствии серы с различными наполнителями (сажа, мел, оксид цинка и др.). В процессе вулканизации линейные макромолекулы каучука сшиваются между собой дисульфидными мостиками (–S–S–) и образуется пространственный полимер – резина. Таким образом, в основе получения резины лежат процессы полимеризации и вулканизации.

Сетчатые полимеры по свойствам резко отличаются от линейных и разветвленных. Они не кристаллизуются, не растворяются в растворителях, не плавятся без разложения, обладают большой механической прочностью. Это объясняется тем, что их макромолекулы соединены большим количеством химических связей, на разрыв которых требуется много энергии.

По отношению к нагреванию полимеры делят на две группы - термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры способны размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, сохраняя все свои физические и химические свойства. К таким полимерам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Термореактивные полимеры не могут быть переведены в пластическое состояние, т.к. при нагревании они либо полностью разрушаются, либо они вторично заполимеризуются с образованием новых еще более прочных и жестких структур. Примерами термореактивных полимеров являются фенолоформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.

При эксплуатации полимеров и материалов на их основе важны их механические свойства. Механическая прочность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и сетчатым структурам. Стереорегулярные полимеры характеризуются более высокой прочностью, чем нерегулярные. Увеличение прочности происходит при переходе полимера в кристаллическое состояние. Повышают механическую прочность полимера путем введения наполнителей (например, мела, сажи, графита, металла).

Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под действием кислорода, света, теплоты и радиации. В результате деструкции уменьшается молекулярная масса макромолекул, изменяются физические и химические свойства полимеров. Процесс ухудшения свойств полимеров во времени и в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты, т.е. ингибиторы реакции окисления.