Полимеры

Полимеры

Полимéры (от греч. πολύ «много» + μέρος «часть») — это особый класс веществ, ключевой особенностью которых является макромолекулярность, то есть наличие очень больших молекул, называемых макромолекулами. Эти макромолекулы образуются в результате химических реакций (полимеризации или поликонденсации) из множества более простых низкомолекулярных соединений, называемых мономерами. Мономеры связываются в длинные цепи, состоящие из повторяющихся структурных звеньев. Отличительной чертой полимеров является их чрезвычайно высокая молекулярная масса, которая может достигать десятков и сотен тысяч атомных единиц, а также большая длина цепей. Количество мономерных звеньев в одной макромолекуле называется степенью полимеризации[1].

Высокая молекулярная масса полимеров определяет их физические особенности. Макромолекулы полимеров представляют собой очень длинные гибкие цепи. Благодаря этой гибкости, в растворах или расплавах они могут принимать множество различных пространственных форм, называемых конформациями, чаще всего сворачиваясь в беспорядочные клубки. В отличие от простых низкомолекулярных веществ, полимеры не обладают чёткой температурой плавления; вместо этого они размягчаются в широком температурном диапазоне и переходят в вязкотекучее или высокоэластичное состояние[2].

История

История полимеров начинается с глубокой древности, когда человек активно использовал природные полимеры (биополимеры), такие как деревесина, хлопок, шерсть, натуральный каучук и смолы. Первым крупным научным шагом стала модификация этих природных материалов в XIX веке: в 1839 году Чарльз Гудьир открыл вулканизацию каучука, значительно улучшив его свойства, а позже была освоена переработка целлюлозы для получения вискозы и целлулоида. Однако химическая природа этих веществ оставалась неясной[3].

Настоящий прорыв произошёл в начале XX века. В 1907 году Лео Бакеланд синтезировал бакелит — первый полностью синтетический пластик, положивший начало полимерной индустрии. Фундамент современной химии полимеров был заложен в 1920-х годах, когда Герман Штаудингер доказал существование макромолекул — гигантских молекул-цепей. Это открытие стимулировало бурное развитие синтеза: были получены нейлон (1935), полиэтилен, ПВХ и другие ключевые полимеры. Вторая половина XX века ознаменовалась совершенствованием технологий, созданием специализированных материалов и, в XXI веке, поиском экологичных решений (биоразлагаемые полимеры)[4].

Особенности

Особые механические свойства

Эластичность — это способность материалов подвергаться значительным обратимым деформациям при небольшой нагрузке (например, каучуки)[5]. Различное поведение полимеров при нагревании и их способность к обратимой деформации позволяют выделить три основные группы: 

  • Эластомеры (такие как резина, натуральный каучук) — это единственный класс полимеров, которые характеризуются именно высокой эластичностью. Они способны растягиваться во много раз и полностью восстанавливать свою форму;
  • Термопласты (например, полиэтилен, полипропилен) — могут быть гибкими, но их эластичность гораздо ниже, чем у эластомеров. При значительных деформациях они склонны к пластической (необратимой) деформации или разрушению, а не к полному возвращению в исходное состояние;
  • Термореактивные полимеры (например, бакелит) — после отверждения являются твёрдыми, жёсткими и, как правило, хрупкими. Они практически не обладают эластичностью; при попытке значительной деформации они разрушаются[6].

Низкая хрупкость наблюдается у стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло). Так, например, среди пластмасс, изготовленных на основе стеклообразных или кристаллических полимеров, можно встретить материалы с низкой хрупкостью. Ярким примером такой пластмассы является органическое стекло[7].

Макромолекулы способны к ориентации под влиянием направленного механического поля (т.е. направленное физическое воздействие: растяжение или вытягивание, которое заставляет макромолекулы выстраиваться параллельно друг другу для улучшения свойств материала), что применяется при производстве волокон и плёнок[8].

Особенности растворов полимеров

Растворы полимеров характеризуются высокой вязкостью даже при относительно низких концентрациях полимерного компонента. Это явление обусловлено специфической молекулярной архитектурой и взаимодействием макромолекул в растворе, что приводит к образованию сложных структур, препятствующих свободному движению молекул растворителя[9].

Процесс растворения полимеров представляет собой многостадийный процесс, который начинается с набухания. Набухание является первым этапом взаимодействия полимера с растворителем и включает в себя гидратацию или сольватацию макромолекул, что сопровождается значительным увеличением объёма полимера. Этот процесс обусловлен энтальпийными и энтропийными факторами, включая водородные связи, гидрофобные взаимодействия и образование сольватных оболочек вокруг полимерных цепей. В результате набухания происходит постепенное растворение полимера, что приводит к его равномерному распределению в объеме растворителя и образованию гомогенного раствора[9].

Особые химические свойства

Некоторые полимеры способны значительно изменять свои физико-механические характеристики под воздействием минимальных количеств реагентов (например, вулканизация каучука, дубление кож и т.д.). Эти уникальные свойства полимеров обусловлены не только их высокой молекулярной массой, но и цепным строением макромолекул, что придаёт им гибкость[10].

Эта макромолекулярная природа также обуславливает склонность полимеров к деструкции — необратимому разрушению цепей под воздействием тепла, света, кислорода или механических сил, что кардинально меняет их свойства. Противоположным процессом является сшивание, при котором образуется трёхмерная сетчатая структура, переводящая материал в неплавкое и нерастворимое состояние. Кроме того, реакции функциональных групп на полимерных цепях часто протекают неполно из-за стерических препятствий, а их растворение происходит через стадию набухания, что в совокупности выделяет химию полимеров в отдельную область знаний[11].

Классификация

Полимеры классифицируются по различным критериям:

По происхождению:

Природные (биополимеры): это полимеры, которые естественным образом создаются живой природой (растениями, животными, микроорганизмами) в процессе их жизнедеятельности. Они являются основными строительными и функциональными элементами организмов. К ним относятся[12]:

  • Крахмал: энергетический запас растений (например, в картофеле, рисе);
  • Целлюлоза: основной строительный материал растений (дерево, хлопок);
  • Белки: строительный материал для мышц, кожи, волос; выполняют множество функций в организме;
  • ДНК: носитель генетической информации;
  • Натуральный каучук: сок некоторых тропических растений, известный своей эластичностью;

Искусственные: полимеры, полученные химической модификацией природных полимеров. К ним относятся[12]:

  • Вискоза: получена из целлюлозы (древесной массы) путём химической обработки для производства текстильных волокон;
  • Целлулоид: получен из нитрата целлюлозы (также производного целлюлозы), был одним из первых пластмасс.

Синтетические: Полимеры, полностью синтезированные человеком из низкомолекулярных веществ (мономеров). К ним относятся: полиэтилен, полипропилен, нейлон, ПВХ[12].

По строению:

Линейные полимеры: молекулы образуют длинные, неразветвлённые цепочки, как ряд бусин, нанизанных на одну нитку. Эти цепи могут быть плотно упакованы друг относительно друга. Характеризуются высокая плотностью, часто более высокой прочностью и жёсткостью. К ним относятся: полиэтилен высокой плотности;

Разветвлённые полимеры: Основная цепочка полимера имеет боковые ответвления, как ветки у дерева. Эти ответвления мешают цепям плотно прилегать друг к другу. Характеризуются более низкой плотностью, меньшей жёсткостью и прочностью по сравнению с линейными аналогами. К ним относятся: полиэтилен низкой плотности;

Сетчатые (или сшитые) полимеры: Молекулярные цепи не просто лежат рядом, а прочно соединены друг с другом поперечными "мостиками" или "сшивками", образуя жёсткую трёхмерную сеть. Обычно жёсткие, твёрдые, прочные и химически стойкие. Их структура необратима. К ним относятся: затвердевшая эпоксидная смола, вулканизированный каучук[13].

По свойствам:

Термопласты (термопластичные полимеры): Эти полимеры можно многократно нагревать и охлаждать. При нагревании они размягчаются и плавятся (как лёд превращается в воду), позволяя придать им любую форму. При охлаждении они снова затвердевают. Это делает их пригодными для переработки и вторичного использования. Примеры: полиэтилен, полипропилен, ПВХ (пластиковые бутылки, контейнеры, плёнки);

Термореактивные полимеры (термореактопласты): Эти полимеры при первичном нагревании (или в процессе синтеза) необратимо затвердевают и образуют прочную, жёсткую сетчатую структуру. После затвердевания их нельзя снова расплавить или изменить форму без разрушения. Очень прочные, жёсткие, устойчивы к высоким температурам и растворителям. Не подлежат повторной переработке путём плавления. Примеры: эпоксидные смолы (используются как клеи, покрытия), фенолформальдегидные смолы (электрические розетки, корпуса приборов);

Эластомеры: Это полимеры, которые обладают высокой эластичностью. Они могут сильно растягиваться или сжиматься под нагрузкой, а затем возвращаться к своей первоначальной форме, как резиновая лента. Их молекулы имеют свободную, хаотичную структуру, но связаны между собой небольшим количеством "мостиков" (сшивок). Примеры: натуральный каучук, синтетические каучуки (автомобильные шины, уплотнители, резиновые перчатки)[14].

Получение

Искусственные полимеры получают с помощью двух основных типов реакций: полимеризации и поликонденсации. Полимеризация — это процесс, при котором к активному центру растущей макромолекулы последовательно присоединяются повторяющиеся молекулярные звенья за счёт разрыва кратных связей. Механизм полимеризации включает следующие стадии:  

  • образование центров полимеризации;  
  • рост макромолекул за счёт последовательного добавления новых звеньев;  
  • перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают интенсивно расти;  
  • разветвление цепей;  
  • остановка роста молекул[15].

Для запуска полимеризации исходного низкомолекулярного сырья применяют различные методы: высокое давление, повышенную температуру, воздействие света или ионизирующего излучения, а также использование катализаторов. При этом химический состав материала сохраняется, а меняется его структура[16].  

Поликонденсация — это процесс получения полимеров из многофункциональных соединений, сопровождающийся перегруппировкой атомов и выделением побочных продуктов (воды или низкомолекулярных веществ). Через поликонденсацию получают такие материалы, как поликарбонаты, полиуретаны и фенолформальдегидные смолы[17].

Ключевые особенности поликонденсации:

  • Взаимодействие функциональных групп: для того чтобы реакция поликонденсации могла происходить и приводить к образованию длинных полимерных цепей, мономеры должны иметь не менее двух реакционноспособных функциональных групп. Эти группы могут быть одинаковыми (например, две карбоксильные -COOH) или разными (например, аминогруппа -NH2 и карбоксильная группа -COOH) на концах одной молекулы или на разных молекулах;
  • Отщепление побочного продукта: главное отличие от полимеризации по типу присоединения (где мономеры просто "складываются" друг с другом) заключается в том, что при каждом акте связывания двух мономеров или уже растущей цепи выделяется маленькая молекула. Этим побочным продуктом чаще всего является вода, но также могут быть аммиак, галогеноводороды (например, HCl), спирты и другие низкомолекулярные соединения;
  • Постепенный рост цепи: в отличие от некоторых типов полимеризации, где цепь растёт очень быстро, при поликонденсации рост полимерной цепи происходит более постепенно на протяжении всего процесса, с участием всех функциональных групп.[18]

Применение

Аминополимер

Полимеры находят широкое применение:

  • Полимеры широко используются в современной промышленности благодаря своей прочности, лёгкости, коррозионной стойкости и возможности адаптации свойств;
  • В строительстве: применяются для теплоизоляции (пенополистирол, пенополиуретан), в качестве герметиков, клеёв, а также для производства долговечных труб (ПВХ, полиэтилен);
  • В упаковочной индустрии: незаменимы для изготовления бутылок, плёнок и контейнеров (ПЭТ, полиэтилен низкой плотности), обеспечивая сохранность продуктов;
  • В автомобилестроении и аэрокосмической отрасли: полимерные композиты (на основе углеродного волокна) используются для снижения веса транспортных средств и повышения их топливной эффективности;
  • В медицине: биосовместимые полимеры применяются для изготовления имплантатов, протезов, шовного материала и систем контролируемой доставки лекарств;
  • В электронике: служат диэлектриками, изоляционными материалами, компонентами для печатных плат; являются основой для органических светодиодов и гибкой электроники;
  • В текстильной промышленности: (синтетические волокна: нейлон, полиэстер), производстве спортивного инвентаря, бытовой техники и мебели[19].

Так, полимеры представляют собой важный класс материалов, которые находят применение в самых различных областях, включая медицину, строительство, электронику и многие другие. Их разнообразие и уникальные свойства делают их незаменимыми в современном мире, открывая новые возможности для научных и технологических достижений[20].

Литература

  • Бродский, М.Л. Полимерные материалы: структура, свойства, технологии. — М.: Наука, 2017. — 480 с. — ISBN 978-5-02-040226-7.
  • Кербер, М.Л., Виноградова, Т.А. Химия и технология высокомолекулярных соединений. — М.: Академия, 2007. — 304 с. — ISBN 978-5-7695-3642-7.
  • Кулезнев, В.Н., Кандарин, В.С. Основы физики и химии полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — 303 с. — ISBN 5-06-004689-Х.
  • Одиан, Дж. Принципы полимеризации. — М.: Мир, 1997. — 586 с. — ISBN 5-03-002931-1.
  • Будтов В. П. Физическая химия полимеров. Санкт-Петербург: Лань, 2011. — 512 с. — ISBN 978-5-8114-1188-0.
  • Ульянов, Ю.Н. Полимеры и их применение. — Санкт-Петербург: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 2019. — 124 с. — ISBN 978-5-288-05973.

Примечания

  1. ↑ Кулезнев В.Н., Кандарин В.С. Основы физики и химии полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — С. 5-7. — 303 с. — ISBN 5-06-004689-X.
  2. ↑ Кулезнев В.Н., Кандарин В.С. Основы физики и химии полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — С. 5-7. — 303 с. — ISBN 5-06-004689-X.
  3. ↑ Кулезнев В.Н., Кандарин В.С. Основы физики и химии полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — С. 7-10. — 303 с. — ISBN 5-06-004689-X.
  4. ↑ МакМерри Дж. Органическая химия. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. — С. 635. — ISBN 978-5-94774-610-1.
  5. ↑ Кербер М.Л., Виноградова Т.А. Химия и технология высокомолекулярных соединений. — М.: Академия, 2007. — С. 60-70. — 304 с. — ISBN 978-5-7695-4078-5.
  6. ↑ Кулезнев В. Н., Гусев В. К. Основы химии и физики полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — С. 45-47. — 303 с. — ISBN 978-5-06-005952-6.
  7. ↑ Кербер М.Л., Виноградова Т.А. Химия и технология высокомолекулярных соединений. — М.: Академия, 2007. — С. 50-55. — 304 с. — ISBN 978-5-7695-4078-5.
  8. ↑ Кербер М.Л., Виноградова Т.А. Химия и технология высокомолекулярных соединений. — М.: Академия, 2007. — С. 50-55. — 304 с. — ISBN 978-5-7695-4078-5.
  9. ↑ 9,0 9,1 Зезин А.Б., Кузнецов Б.В., Чувашов В.В. Химия и физика полимеров. — М.: Академия, 2012. — С. 70-75. — 432 с. — ISBN 978-5-7695-4078-5.
  10. ↑ Кулезнев В.Н., Кандарин В.С. Основы физики и химии полимеров // Учебное пособие для вузов : пособие. — М.: Высшая школа, 2004. — С. 21. — ISBN 5-06-004689-X.
  11. ↑ Будтов В. П. Физическая химия полимеров. — СПб.: Лань, 2011. — 512 с. — ISBN 978-5-8114-1188-0.
  12. ↑ 12,0 12,1 12,2 Зезин А.Б., Кузнецов Б.В., Чувашов В.В. Химия и физика полимеров. — М.: Академия, 2012. — С. 9-11. — 432 с. — ISBN 978-5-7695-8854-1.
  13. ↑ Зезин А.Б., Кузнецов Б.В., Чувашов В.В. Химия и физика полимеров. — М.: Академия, 2012. — С. 31-33. — 432 с. — ISBN 978-5-7695-8854-1.
  14. ↑ Зезин А.Б., Кузнецов Б.В., Чувашов В.В. Химия и физика полимеров. — М.: Академия, 2012. — С. 78-82. — 432 с. — ISBN 978-5-7695-8854-1.
  15. ↑ Кулезнев В. Н., Гусев В. К. Основы химии и физики полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — С. 90-95. — 303 с. — ISBN 978-5-06-005952-6.
  16. ↑ Кербер, М.Л., Виноградова, Т.А. Химия и технология высокомолекулярных соединений. — М.: Академия, 2007. — С. 93-94. — 304 с. — ISBN 978-5-7695-3642-7.
  17. ↑ Полимеры — свойства и применение. Prime Chemical Groups (07-05-2016).
  18. ↑ Зезин А.Б., Кузнецов Б.В., Чувашов В.В. Химия и физика полимеров. — М.: Академия, 2012. — С. 105-107. — 432 с. — ISBN 978-5-7695-8854-1.
  19. ↑ Кербер М.Л., Виноградова Т.А. Химия и технология высокомолекулярных соединений. — М.: Академия, 2007. — С. 304. — ISBN 978-5-7695-4078-5.
  20. ↑ Кулезнев В.Н., Гусев В.К. Основы химии и физики полимеров. — М.: Высшая школа, 2008. — С. 303. — ISBN 978-5-06-005952-6.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Полимеры&oldid=2154415