Свойства и получение полимеров

Высокомолекулярные соединения (ВМС) – это химические вещества с большой молекулярной массой и обладающие особыми свойствами.

Химия ВМС изучает вещества, молекулы которых состоят из огромного числа атомов, соединенных между собой ковалентными связями. Такие молекулы называют макромолекулами: (С₂Н₄)_n – полиэтилен; (C₆H₁₀O₅)_n – целлюлоза; (C₅H₈)_n – натуральный каучук. Высокомолекулярные соединения называют еще полимерами.

Макромолекулы большинства полимеров построены из одинаковых групп атомов. Эти одинаковые, многократно повторяющиеся группы атомов, связанные между собой ковалентными связями, называются элементарными звеньями. Элементарное звено, как правило, представляет собой остаток соответствующего мономера:

(С₂Н₄)_n – полиэтилен – элементарное звено –СН₂–СН₂–;

(C₂H₃Cl)_n – поливинилхлорид (ПВХ) – –СН₂–СНCl–;

(C₅H₈)_n – натуральный каучук (полиизопрен) –СН₂–СН=С(СН₃)–СН₂–

Поэтому для изображения полимеров используют суммарные формулы:

(–СН₂–СН₂–)_n, (–СН₂–СНCl–)_n , (–СН₂–СН=С(СН₃)–СН₂–)_n.

Высокомолекулярные соединения обладают следующими специфическими свойствами:

– более низкая скорость растворения (по сравнению с низкомолекулярными веществами);

– высокая вязкость (более высокая, чем вязкость концентрированных растворов мономеров);

– протекание процесса деформации во времени (вследствие медленного проявления упругих свойств полимерных материалов);

– гибкость цепных макромолекул, обеспечивающая постоянное изменение их конфигурации;

– зависимость свойств макромолекул от их геометрической формы (линейные макромолекулы обладают высокой прочностью и эластичностью; разветвленные полимеры обладают большей растворимостью по сравнению с линейными; сетчатые полимеры не растворяются и не плавятся без разложения).

В зависимости от порядка элементарных звеньев в цепи различают регулярные и нерегулярные полимеры. В регулярных полимерах отмечается правильно повторяющееся расположение атомов в макромолекуле; в нерегулярных – хаотичное расположение атомов. Например, натуральный каучук – это полимер изопрена –CH₂=C(CH₃)–CH=CH₂, а синтетический каучук – полимер бутадиена-1,3 (CH₂=CH–CH=CH₂).

Сополимеры – это полимеры, макромолекулярные цепи которых построены из разных элементарных звеньев, например, бутадиеннитрильный каучук получают сополимеризацией бутадиена-1,3 (CH₂=CH–CH=CH₂) с акрилонитрилом (CH₂=CH–CN).

Существуют следующие способы получения полимеров: метод полимеризации и метод поликонденсации. Полимеризация – это реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся выделением побочных низкомолекулярных продуктов. В реакцию полимеризацию вступают, главным образом, ненасыщенные соединения, у которых кратные связи находятся между атомами углерода:

n CH₂=CHCl ® [–CH₂–CHCl–]_n

винилхлорид ПВХ – поливинилхлорид

n H₂–CO ® [–CH₂–O–]_n

формальдегид полиметиленоксид

Поликонденсация – это процесс образования полимеров путем химического взаимодействия молекул мономеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (H₂O, NH₃, HCl, C₂H₅OH и др.):

HOOC–(CH₂)₄–COOH + HNH–(CH₂)₆–NH₂ →

адипиновая кислота гексаметилендиамин

→ HOOC–(CH₂)₄–CO–NH–(CH₂)₆–NH₂(CH₂)₆–NH₂ + H₂O

гексаметиленадипинат

По физическому состоянию все полимеры делятся на:

– текучие – необратимо меняют форму под действием даже незначительных нагрузок (например, полиизобутилен) и имеют аморфное строение;

– высокоэластичные (эластомеры) – обратимо деформируются под действием небольших нагрузок; имеют аморфное строение (каучук, резина);

– твердые – мало изменяют свою форму даже при больших нагрузках; после устранения нагрузки способны восстановить свою форму.

По отношению к воздействию тепла полимеры бывают

– термопластичными (способны размягчаться при нагревании и снова затвердевать при охлаждении, сохраняя свои свойства: растворимость, плавкость);

– термореактивными (способны размягчаться при нагревании, а при затвердевании – переходить в неплавкое и нерастворимое состояние).

Все полимеры подвергаются деструкции. Деструкция – это процесс разрушения полимеров, протекающий с разрывом связей основной макромолекулярной цепи, приводящим к понижению молекулярной массы полимера. Деструкция бывает следующих видов:

– химическая – протекает под действием химических реагентов (воды, спиртов, аммиака, кислот, щелочей и др.); например, кислотный гидролиз крахмала с образованием глюкозы:

(С₆Н₁₀О₅)_n + Н₂О + H⁺ → nC₆H₁₂O₆;

– механическая – происходит при действии механических напряжений (происходит изменение структуры и свойств полимера, связанное с разрывом макромолекулы);

– окислительная – протекает под действием окислителей, например, кислорода;

– термическая – происходит при нагревании полимеров;

– фотохимическая – происходит под действием света (l= 300 – 400 нм) и сопровождается разрывом полимерной цепи;

– радиационная – происходит под влиянием нейтронов, а также a-, b-,
g- излучения. Разрываются связи С–С, С–Н и образуются низкомолекулярные продукты;

– биологическая – протекает под действием микроорганизмов (например, нитрат целлюлозы, поливинилацетат, натуральный каучук).