Природа и строение полимеров

Г.л.а.в.а 3

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ, СВОЙСТВАХ И СПОСОБАХ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТМАСС

Природа и строение полимеров

Многие природные вещества обладают пластическими свойствами ─ изменять, под давлением, свою форму, не разрушаясь.

Еще в каменном веке люди умели использовать первую естественную «пластмассу» — глину. Со временем ассортимент «пластмасс» расширился и стали применять асфальт, воск, канифоль, различные растительные смолы, шеллак, рог, кость и другие продукты животного происхождения.

Первыми пластическими материалами, созданными человеком искусственно, были целлулоид и галалит. Однако их основу составляет естественное сырье — целлюлоза и казеин. В конце XIX — начале XX века, удалось получить из фенола и формалина первую полностью искусственную пластмассу — бакелит (устаревшее техническое название резольных феноло-формальдегидных смол, получаемых взаимодействием фенола с формальдегидом в присутствии щелочных катализаторов).

По химической природе пластмассы представляют собой высокомолекулярные соединения. Такого рода соединения чрезвычайно широко распространены в природе: древесина и крахмал, шелк и шерсть, каучук и нефть ─ вещества, состоящие из молекул сложного строения и большого молекулярного веса. Отличие их от низкомолекулярных соединений заключается, прежде всего, в числе атомов, составляющих молекулу. Так молекулы низкомолекулярных веществ, таких как поваренная соль, мел, вода ─ состоят из 2 - 5 атомов. А количество атомов в высокомолекулярных веществах на несколько порядков больше. Например, целлюлоза — вещество, из которого построены ткани всех растений, — содержит до 300 тыс. атомов. Еще больше (до 500 тыс. атомов), содержит молекула белка.

Как изменяются свойства веществ с увеличением числа атомов в молекуле, т.е. с увеличением их молекулярного веса можно понять, рассмотрев несколько примеров с простейшими органическими соединениями — парафиновыми углеводородами — веществами, состоящими только из углерода и водорода.

Самое простое из этих веществ — газ метан (болотный газ) молекула которого содержит только один атом углерода.

Он превращается в жидкость при –162° (здесь и далее температура дается в градусах Цельсия) и затвердевает при –183°. У последующих членов ряда, имеющих большее количество атомов углерода в молекуле, ─ этана, пропана и бутана — температура кипения постепенно повышается. Так, у бутана она равна уже +9,5°. Углеводород, содержащий семь атомов углерода (гептан) — уже жидкость, имеющая температуру кипения +98,4°.

При n=16 (здесь «n» обозначает число атомов углерода в главной цепи) углеводород кипит при температуре +300°, при n=20-25 углеводороды представляют собой твердые кристаллические вещества, плавящиеся при температуре около +100°, известные под названием парафинов.

Ученым удалось продолжить этот ряд. Искусственным путем были получены углеводороды, у которых nдостигает от 1000 до 3000. В таких соединениях несколько тысяч атомов связаны в одну молекулу. Эти высокомолекулярные вещества имеют свойства, которые отсутствуют у низкомолекулярных соединений — прочность, эластичность, гибкость, способность превращаться в тонкие, прочные нити и пленки. Например, полистирол, молекула которого представляет собой цепочку из групп атомов, линейно связанных между собой, при нормальной температуре представляет собой твердое тело. При температуре выше 180° он размягчается. Если после нагревания его снова охладить до нормальной температуры, то полистирол опять становится твердым, причем сохраняет все свои прежние свойства. Этот процесс, при соблюдении определенных условий, может быть повторен многократно. Такими же свойствами обладают и другие полимеры с линейной структурой молекулы. Изделия из них можно расплавить, а затем заново отформовать. Такие вещества называются термопластичными, или термопластами.

Однако, такими свойствами обладают полимеры, молекулы которых состоят из атомов, соединенных между собой в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов — линейные полимеры. При переходе от линейных цепей к разветвленным — редким трёхмерным сеткам и густым сетчатым структурам, этот комплекс свойств проявляется все в меньшей степени. Полимеры, молекулы которых состоят из атомов, соединенных друг с другом в виде трехмерной, пространственной сетки (сшитые полимеры) — не растворимы, не плавки и не способны к высокоэластическим деформациям.

«Сшивка» цепочек в единую молекулу происходит, как правило, на последней стадии переработки таких полимеров, после чего высокомолекулярное вещество теряет свою пластичность. Примером такого пластика может служить фенопласт. Полуфабрикат фенопласта – так называемый прессовочный порошок ─ обладает пластичностью, так как его молекулы имеют линейное строение. При прессовании, под воздействием температуры и давления, происходит «сшивка» цепей молекул и материал теряет свои пластические свойства: готовое изделие из фенопласта больше не может размягчаться и менять свою форму. Те вещества, которые после нагревания теряют пластические свойства, называются термореактивными, или реактопластами.