Trudno sobie wyobrazić dzisiejsze życie bez polimerów - złożonych substancji syntetycznych, które są szeroko stosowane w różnych dziedzinach działalności człowieka. Polimery to wielkocząsteczkowe związki pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, składające się z monomerów połączonych wiązaniami chemicznymi. Monomer to powtarzająca się jednostka łańcucha, która zawiera pierwotną cząsteczkę.

Organiczne związki makrocząsteczkowe

Dzięki swoim unikalnym właściwościom związki wielkocząsteczkowe z powodzeniem zastępują takie naturalne materiały jak drewno, metal, kamień w różnych dziedzinach życia, zyskując nowe obszary zastosowań. Dla usystematyzowania tak obszernej grupy substancji przyjęto klasyfikację polimerów według różnych kryteriów. Obejmują one kompozycję, metodę produkcji, konfigurację przestrzenną i tak dalej.

Klasyfikacja polimerów według składu chemicznego dzieli je na trzy grupy:

• Organiczne substancje wielkocząsteczkowe.
• związki pierwiastkowe.
• Nieorganiczne związki wielkocząsteczkowe.

Najliczniejszą grupę stanowią wkładki domaciczne organiczne – żywice, kauczuki, oleje roślinne, czyli produkty pochodzenia zwierzęcego i roślinnego. Makrocząsteczki tych substancji w głównym łańcuchu, wraz z atomami węgla, zawierają atomy tlenu, azotu i innych pierwiastków.

Ich właściwości:

• mają zdolność odwracania deformacji, czyli elastyczności przy małych obciążeniach;
• w niskich stężeniach mogą tworzyć lepkie roztwory;
• zmienić właściwości fizyczne i mechaniczne pod wpływem minimalnej ilości odczynnika;
• pod wpływem działania mechanicznego możliwa jest ukierunkowana orientacja ich makrocząsteczek.

Związki pierwiastków organicznych

Wkładki wewnątrzmaciczne z pierwiastków organicznych, których makrocząsteczki zawierają oprócz atomów pierwiastków nieorganicznych – krzemu, tytanu, glinu – oraz organiczne rodniki węglowodorowe, są tworzone sztucznie i nie występują w naturze. Klasyfikacja polimerów dzieli je z kolei na trzy grupy.

• Pierwsza grupa to substancje, w których główny łańcuch tworzą atomy określonych pierwiastków otoczone rodnikami organicznymi.
• Do drugiej grupy należą substancje, których główny łańcuch zawiera naprzemienne atomy węgla oraz pierwiastki takie jak siarka, azot i inne.
• Trzecia grupa obejmuje substancje z organicznymi łańcuchami głównymi otoczonymi różnymi grupami pierwiastków organicznych.

Przykładem są związki krzemoorganiczne, w szczególności silikon, który ma wysoką odporność na zużycie.

Nieorganiczne związki wielkocząsteczkowe w głównym łańcuchu zawierają tlenki krzemu i metali – magnezu, glinu czy wapnia. Nie mają bocznych organicznych grup atomowych. Wiązania w głównych łańcuchach są kowalencyjne i jonowo-kowalencyjne, co decyduje o ich dużej wytrzymałości i odporności cieplnej. Należą do nich azbest, ceramika, szkło krzemianowe, kwarc.

Karbołańcuchowe i heterołańcuchowe HMC

Klasyfikacja polimerów według składu chemicznego głównego łańcucha polimerowego polega na podziale tych substancji na dwie duże grupy.

• Karbołańcuch, w którym główny łańcuch makrocząsteczki HMC składa się wyłącznie z atomów węgla.
• Heterołańcuch, w którym inne atomy znajdują się w głównym łańcuchu wraz z atomami węgla, nadając tej substancji dodatkowe właściwości.

Każda z tych dużych grup składa się z następujących podgrup, które różnią się budową łańcucha, liczbą podstawników, ich składem i liczbą bocznych rozgałęzień:

• związki z nasyconymi wiązaniami w łańcuchach, których przykładami są polietylen lub polipropylen;
• polimery z nienasyconymi wiązaniami w głównym łańcuchu, takie jak polibutadien;
• związki wielkocząsteczkowe podstawione halogenem - teflon;
• alkohole polimerowe, których przykładem jest alkohol poliwinylowy;
• IUD pochodzące z pochodnych alkoholi, przykładem jest octan poliwinylu;
• związki pochodzące od aldehydów i ketonów, takie jak poliakroleina;

• polimery pochodne kwasów karboksylowych, których przedstawicielem jest kwas poliakrylowy;
• substancje pochodne nitryli (PAN);
• substancje wielkocząsteczkowe pochodzące z węglowodorów aromatycznych, takie jak polistyren.

Podział ze względu na charakter heteroatomu

Klasyfikacja polimerów może również zależeć od charakteru heteroatomów, obejmuje kilka grup:

• z atomami tlenu w łańcuchu głównym - proste i złożone poliestry i nadtlenki;
• związki zawierające atomy azotu w łańcuchu głównym - poliaminy i poliamidy;
• substancje z atomami tlenu, a także azotu w łańcuchu głównym, na przykładzie poliuretanów;
• HMS z atomami siarki w łańcuchu głównym - politioetery i politetrasiarczki;
• związki zawierające atomy fosforu w łańcuchu głównym.

naturalne polimery

Obecnie akceptowana jest również klasyfikacja polimerów według pochodzenia, według natury chemicznej, która dzieli je w następujący sposób:

• Naturalne, nazywane są również biopolimerami.
• Sztuczne substancje o dużej masie cząsteczkowej.
• związki syntetyczne.

Naturalne wkładki domaciczne stanowią podstawę życia na Ziemi. Najważniejszymi z nich są białka – „budulce” żywych organizmów, których monomerami są aminokwasy. Białka biorą udział we wszystkich reakcjach biochemicznych organizmu, bez nich układ odpornościowy nie może działać, procesy krzepnięcia krwi, tworzenie tkanki kostnej i mięśniowej, praca konwersji energii i wiele innych. Bez kwasów nukleinowych przechowywanie i przekazywanie informacji dziedzicznych jest niemożliwe.

Polisacharydy to węglowodory o dużej masie cząsteczkowej, które wraz z białkami biorą udział w metabolizmie. Klasyfikacja polimerów według pochodzenia umożliwia rozróżnienie naturalnych substancji wielkocząsteczkowych na specjalną grupę.

Sztuczne i syntetyczne polimery

Sztuczne polimery otrzymuje się z polimerów naturalnych różnymi metodami modyfikacji chemicznej w celu nadania im niezbędnych właściwości. Przykładem jest celuloza, z której wytwarza się wiele tworzyw sztucznych. Klasyfikacja polimerów według pochodzenia charakteryzuje je jako substancje sztuczne. Syntetyczne wkładki wewnątrzmaciczne są otrzymywane chemicznie za pomocą reakcji polimeryzacji lub polikondensacji. Ich właściwości, a co za tym idzie zakres, zależą od długości makrocząsteczki, czyli od masy cząsteczkowej. Im jest większy, tym mocniejszy jest powstały materiał. Klasyfikacja polimerów według pochodzenia jest bardzo wygodna. Przykłady to potwierdzają.

Makrocząsteczki liniowe

Jakakolwiek klasyfikacja polimerów jest raczej arbitralna, a każda ma swoje wady, ponieważ nie może odzwierciedlać wszystkich cech danej grupy substancji. Niemniej jednak w pewien sposób pomaga je usystematyzować. Klasyfikacja polimerów ze względu na kształt makrocząsteczek przedstawia je w postaci trzech następujących grup:

• liniowy;
• rozgałęziony;
• przestrzenne, które są również nazywane siatkami.

Długie, zakrzywione lub spiralne łańcuchy liniowych wkładek wewnątrzmacicznych nadają substancjom pewne unikalne właściwości:

• dzięki pojawieniu się wiązań międzycząsteczkowych tworzą mocne włókna;
• są zdolne do dużych i długotrwałych, ale jednocześnie odwracalnych odkształceń;
• ważną właściwością jest ich elastyczność;
• po rozpuszczeniu substancje te tworzą roztwory o dużej lepkości.

Rozgałęzione makrocząsteczki

Polimery rozgałęzione również mają budowę liniową, ale z wieloma bocznymi rozgałęzieniami krótszymi niż główne. Jednocześnie zmieniają się również ich właściwości:

• rozpuszczalność substancji o strukturze rozgałęzionej jest odpowiednio większa niż substancji liniowych, tworzą one roztwory o mniejszej lepkości;
• wraz ze wzrostem długości łańcuchów bocznych siły międzycząsteczkowe słabną, co prowadzi do wzrostu miękkości i elastyczności materiału;
• im wyższy stopień rozgałęzienia, tym bardziej właściwości fizyczne takiej substancji zbliżają się do właściwości zwykłych związków o małej masie cząsteczkowej.

makrocząsteczki 3D

Siatki wielkocząsteczkowe są płaskie (typu drabinka i parkiet) i trójwymiarowe. Płaskie materiały obejmują kauczuk naturalny i grafit. Polimery trójwymiarowe posiadają wiązania poprzeczne – „mostki” pomiędzy łańcuchami, tworzące jedną dużą trójwymiarową makrocząsteczkę o niezwykłej twardości.

Przykładem może być diament lub keratyna. Siateczkowate związki wielkocząsteczkowe są podstawą kauczuków, niektórych rodzajów tworzyw sztucznych, a także klejów i lakierów.

Tworzywa termoplastyczne i tworzywa termoplastyczne

Klasyfikacja polimerów według pochodzenia iw zależności od ogrzewania ma na celu scharakteryzowanie zachowania tych substancji przy zmianie temperatury. W zależności od procesów zachodzących podczas ogrzewania uzyskuje się różne wyniki. Jeśli oddziaływanie międzycząsteczkowe słabnie, a energia kinetyczna cząsteczek wzrasta, wówczas substancja mięknie, przechodząc w stan lepki. Kiedy temperatura spada, wraca do swojego normalnego stanu – jego charakter chemiczny pozostaje niezmieniony. Takie substancje nazywane są polimerami termoplastycznymi, takimi jak polietylen.

Inna grupa związków nazywa się termoutwardzalnymi. Mechanizm zachodzących w nich procesów podczas ogrzewania jest zupełnie inny. W obecności wiązań podwójnych lub grup funkcyjnych wchodzą ze sobą w interakcję, zmieniając charakter chemiczny substancji. Po schłodzeniu nie może przywrócić pierwotnego kształtu. Przykładami są żywice.

metoda polimeryzacji

Inna klasyfikacja polimerów jest zgodna ze sposobem przygotowania. Istnieją takie sposoby na uzyskanie wkładki:

• Polimeryzacja, która może zachodzić z wykorzystaniem mechanizmu reakcji jonowej i wolnorodnikowej.
• Polikondensacja.

Polimeryzacja to proces tworzenia makrocząsteczek poprzez sekwencyjne łączenie jednostek monomeru. Są to zazwyczaj substancje o małej masie cząsteczkowej z wiązaniami wielokrotnymi i grupami cyklicznymi. Podczas reakcji wiązanie podwójne lub wiązanie w grupie cyklicznej zostaje zerwane, a między tymi monomerami powstają nowe. Jeśli w reakcji biorą udział monomery tego samego typu, nazywa się to homopolimeryzacją. Podczas stosowania różnych rodzajów monomerów zachodzi reakcja kopolimeryzacji.

Reakcja polimeryzacji jest reakcją łańcuchową, która może przebiegać samorzutnie, ale substancje czynne są stosowane w celu jej przyspieszenia. Dzięki mechanizmowi wolnorodnikowemu proces przebiega w kilku etapach:

• Inicjacja. Na tym etapie, za pomocą światła, ciepła, chemii lub innego działania, w układzie tworzą się aktywne grupy - rodniki.
• wzrost długości łańcucha. Ten etap charakteryzuje się dodaniem kolejnych monomerów do rodników w celu utworzenia nowych rodników.
• Zakończenie łańcucha uzyskuje się poprzez oddziaływanie grup aktywnych z tworzeniem nieaktywnych makrocząsteczek.

Niemożliwe jest kontrolowanie momentu zakończenia łańcucha, w związku z czym powstałe makrocząsteczki różnią się różną masą cząsteczkową.

Zasada działania mechanizmu jonowego reakcji polimeryzacji jest taka sama jak mechanizmu wolnorodnikowego. Ale tutaj kationy i aniony działają jako centra aktywne, dlatego rozróżnia się polimeryzację kationową i anionową. W przemyśle najważniejsze polimery otrzymuje się przez polimeryzację rodnikową: polietylen, polistyren i wiele innych. Polimeryzację jonową wykorzystuje się do produkcji kauczuków syntetycznych.

Polikondensacja

Proces tworzenia związku wielkocząsteczkowego z wydzieleniem niektórych substancji niskocząsteczkowych jako produktu ubocznego to polikondensacja, która różni się od polimeryzacji tym, że skład pierwiastkowy powstałej makrocząsteczki nie odpowiada składowi substancji wyjściowych zaangażowany w reakcję. Mogą w nich uczestniczyć tylko związki z grupami funkcyjnymi, które wchodząc w interakcje, odszczepiają cząsteczkę prostej substancji i tworzą nowe wiązanie. Podczas polikondensacji związków dwufunkcyjnych powstają polimery liniowe. Gdy w reakcję zaangażowane są związki wielofunkcyjne, powstają wkładki wewnątrzmaciczne o strukturze rozgałęzionej lub nawet trójwymiarowej. Powstające podczas reakcji substancje o niskiej masie cząsteczkowej oddziałują również z produktami pośrednimi, powodując przerwanie łańcucha. Dlatego lepiej jest usunąć je ze strefy reakcji.

Pewnych polimerów nie można otrzymać znanymi sposobami polimeryzacji lub polikondensacji, ponieważ nie ma wymaganych monomerów wyjściowych, które mogłyby w nich uczestniczyć. W tym przypadku synteza polimeru odbywa się przy udziale związków wielkocząsteczkowych zawierających grupy funkcyjne zdolne do reagowania ze sobą.

Każdego dnia klasyfikacja polimerów staje się coraz bardziej skomplikowana, ponieważ pojawia się coraz więcej nowych rodzajów tych niesamowitych substancji o z góry określonych właściwościach, a człowiek nie wyobraża sobie już życia bez nich. Pojawia się jednak inny problem, nie mniej istotny – możliwość ich łatwej i taniej utylizacji. Rozwiązanie tego problemu jest bardzo ważne dla istnienia planety.

polimery

Łańcuchy cząsteczek polipropylenu.

polimery(Gr. πολύ- - wiele; μέρος - część) - substancje nieorganiczne i organiczne, amorficzne i krystaliczne otrzymywane przez wielokrotne powtarzanie różnych grup atomów, zwanych „jednostkami monomerycznymi”, połączonych w długie makrocząsteczki wiązaniami chemicznymi lub koordynacyjnymi. Polimer jest związkiem o dużej masie cząsteczkowej: liczba jednostek monomerycznych w polimerze (stopień polimeryzacji) musi być wystarczająco duża. W wielu przypadkach liczbę jednostek można uznać za wystarczającą do zaklasyfikowania cząsteczki jako polimeru, jeśli właściwości cząsteczkowe nie zmieniają się po dodaniu kolejnej jednostki monomeru. Z reguły polimery to substancje o masie cząsteczkowej od kilku tysięcy do kilku milionów.

Jeśli wiązanie między makrocząsteczkami odbywa się za pomocą słabych sił Van der Waalsa, nazywane są one termoplastycznymi, jeśli za pomocą wiązań chemicznych - termoplastycznymi. Polimery liniowe obejmują na przykład celulozę; polimery rozgałęzione, na przykład amylopektyna, mają polimery o złożonych trójwymiarowych strukturach przestrzennych.

W strukturze polimeru można wyróżnić łącznik monomeryczny – powtarzający się fragment strukturalny zawierający kilka atomów. Polimery składają się z dużej liczby powtarzających się grup (jednostek) o tej samej strukturze, na przykład polichlorek winylu (-CH 2 -CHCl-) n, kauczuk naturalny itp. Związki wielkocząsteczkowe, których cząsteczki zawierają kilka rodzajów powtarzających się grup zwane kopolimerami lub heteropolimerami.

Polimer powstaje z monomerów w wyniku reakcji polimeryzacji lub polikondensacji. Polimery obejmują liczne naturalne związki: białka, kwasy nukleinowe, polisacharydy, gumę i inne substancje organiczne. W większości przypadków pojęcie to odnosi się do związków organicznych, ale istnieje wiele polimerów nieorganicznych. Wiele polimerów otrzymuje się syntetycznie z najprostszych związków pierwiastków pochodzenia naturalnego na drodze polimeryzacji, polikondensacji i przemian chemicznych. Nazwy polimerów powstają od nazwy monomeru z przedrostkiem poli-: poli etylen, poli propylen, poli octan winylu itp.

Osobliwości

Specjalne właściwości mechaniczne:

• sprężystość - zdolność do dużych odwracalnych odkształceń przy stosunkowo niewielkim obciążeniu (gumy);
• niska kruchość polimerów szklistych i krystalicznych (tworzywa sztuczne, szkło organiczne);
• zdolność makrocząsteczek do orientacji pod wpływem ukierunkowanego pola mechanicznego (wykorzystywana do produkcji włókien i folii).

Cechy roztworów polimerowych:

• wysoka lepkość roztworu przy niskim stężeniu polimeru;
• rozpuszczanie polimeru następuje poprzez etap pęcznienia.

Specjalne właściwości chemiczne:

• zdolność do radykalnej zmiany jego właściwości fizycznych i mechanicznych pod działaniem niewielkich ilości odczynnika (wulkanizacja gumy, garbowanie skóry itp.).

Szczególne właściwości polimerów tłumaczy się nie tylko ich dużą masą cząsteczkową, ale także faktem, że makrocząsteczki mają strukturę łańcuchową i są elastyczne.

Klasyfikacja

Zgodnie ze składem chemicznym wszystkie polimery są podzielone na organiczny, pierwiastek organiczny, nieorganiczny.

• polimery organiczne.
• polimery pierwiastków organicznych. Zawierają atomy nieorganiczne (Si, Ti, Al) połączone z rodnikami organicznymi w głównym łańcuchu rodników organicznych. Nie występują w naturze. Sztucznie uzyskanym przedstawicielem są związki krzemoorganiczne.

Należy zauważyć, że w materiałach technicznych często stosuje się kombinacje różnych grup polimerów. Ten kompozycyjny materiały (np. włókno szklane).

Zgodnie z kształtem makrocząsteczek polimery dzielą się na liniowe, rozgałęzione (specjalny przypadek - w kształcie gwiazdy), wstęgowe, płaskie, grzebieniowe, sieci polimerowe i tak dalej.

Polimery są klasyfikowane według polarności (wpływającej na rozpuszczalność w różnych cieczach). O polarności jednostek polimerowych decyduje obecność w ich składzie dipoli - cząsteczek o rozłączonym rozkładzie ładunków dodatnich i ujemnych. W połączeniach niespolaryzowanych momenty dipolowe wiązań atomów są wzajemnie kompensowane. Nazywa się polimery, których jednostki mają znaczną polarność hydrofilowy Lub polarny. Polimery z jednostkami niepolarnymi - niepolarny, hydrofobowy. Nazywa się polimery zawierające zarówno jednostki polarne, jak i niepolarne amfifilowy. Proponuje się nazwać homopolimery, których każde ogniwo zawiera zarówno polarne, jak i niepolarne duże grupy homopolimery amfifilowe.

W odniesieniu do ogrzewania polimery dzielą się na termoplastyczny I termoutwardzalny. termoplastyczny polimery (polietylen, polipropylen, polistyren) miękną po podgrzaniu, a nawet topią się i twardnieją po schłodzeniu. Ten proces jest odwracalny. termoutwardzalny Po podgrzaniu polimery ulegają nieodwracalnej degradacji chemicznej bez topnienia. Cząsteczki polimerów termoutwardzalnych mają nieliniową strukturę uzyskaną w wyniku sieciowania (np. wulkanizacji) cząsteczek polimeru łańcuchowego. Właściwości sprężyste polimerów termoutwardzalnych są wyższe niż tworzyw termoplastycznych, jednak polimery termoutwardzalne praktycznie nie płyną, w wyniku czego mają mniejsze naprężenie pękające.

Naturalne polimery organiczne powstają w organizmach roślinnych i zwierzęcych. Najważniejsze z nich to polisacharydy, białka i kwasy nukleinowe, które w dużej mierze budują ciała roślin i zwierząt i które zapewniają samo funkcjonowanie życia na Ziemi. Uważa się, że decydującym etapem powstania życia na Ziemi było powstanie bardziej złożonych cząsteczek makrocząsteczkowych z prostych cząsteczek organicznych (patrz Ewolucja chemiczna).

typy

polimery syntetyczne. Sztuczne materiały polimerowe

Człowiek od dawna wykorzystuje w swoim życiu naturalne materiały polimerowe. Są to skóry, futra, wełna, jedwab, bawełna itp., używane do produkcji odzieży, różne spoiwa (cement, wapno, glina), które po odpowiedniej obróbce tworzą trójwymiarowe bryły polimerowe, szeroko stosowane jako materiały budowlane. Jednak przemysłowa produkcja polimerów łańcuchowych rozpoczęła się na początku XX wieku, chociaż przesłanki do tego pojawiły się wcześniej.

Niemal natychmiast przemysłowa produkcja polimerów rozwinęła się dwukierunkowo – poprzez przetwarzanie naturalnych polimerów organicznych w sztuczne materiały polimerowe oraz otrzymywanie polimerów syntetycznych z organicznych związków niskocząsteczkowych.

W pierwszym przypadku produkcja wielkopowierzchniowa oparta jest na celulozie. Pierwszy materiał polimerowy z fizycznie modyfikowanej celulozy – celuloid – uzyskano na początku XX wieku. Wielkoskalowa produkcja eterów i estrów celulozy została zorganizowana przed i po II wojnie światowej i trwa do dziś. Na ich bazie produkowane są folie, włókna, farby i lakiery oraz zagęszczacze. Należy zauważyć, że rozwój kina i fotografii był możliwy tylko dzięki pojawieniu się przezroczystej błony nitrocelulozowej.

Produkcja polimerów syntetycznych rozpoczęła się w 1906 roku, kiedy L. Baekeland opatentował tzw. żywicę bakelitową - produkt kondensacji fenolu i formaldehydu, który po podgrzaniu zamienia się w trójwymiarowy polimer. Od dziesięcioleci jest używany do produkcji obudów urządzeń elektrycznych, baterii, telewizorów, gniazdek itp., a obecnie jest coraz częściej stosowany jako spoiwo i klej.

Dzięki staraniom Henry'ego Forda przed I wojną światową rozpoczął się szybki rozwój przemysłu motoryzacyjnego, opartego najpierw na kauczuku naturalnym, potem także syntetycznym. Produkcja tego ostatniego została opanowana w przededniu II wojny światowej w Związku Radzieckim, Anglii, Niemczech i USA. W tych samych latach opanowano przemysłową produkcję polistyrenu i polichlorku winylu, które są doskonałymi materiałami elektroizolacyjnymi, a także polimetakrylanu metylu - bez szkła organicznego zwanego "pleksiglasem" masowa budowa samolotów w latach wojny byłaby niemożliwa.

Po wojnie wznowiono rozpoczętą przed wojną produkcję włókien i tkanin poliamidowych (kapron, nylon). w latach 50. XX wiek opracowano włókno poliestrowe i opanowano produkcję tkanin na jego bazie zwanych lavsanem lub politereftalanem etylenu. Polipropylen i nitron - sztuczna wełna wykonana z poliakrylonitrylu - zamykają listę włókien syntetycznych, których współcześni ludzie używają do odzieży i działalności przemysłowej. W pierwszym przypadku włókna te bardzo często łączone są z naturalnymi włóknami celulozowymi lub białkowymi (bawełna, wełna, jedwab). Epokowym wydarzeniem w świecie polimerów było odkrycie w połowie lat 50. XX wieku i gwałtowny rozwój przemysłowy katalizatorów Zieglera-Natty, który doprowadził do powstania materiałów polimerowych na bazie poliolefin, a przede wszystkim polipropylenu i nisko -polietylen ciśnieniowy (wcześniej produkcja polietylenu pod ciśnieniem około 1000 atm.), a także stereoregularne polimery zdolne do krystalizacji. Następnie do masowej produkcji wprowadzono poliuretany - najpowszechniejsze uszczelniacze, adhezyjne i porowate materiały miękkie (guma piankowa), a także polisiloksany - polimery pierwiastkowe, które mają wyższą odporność na ciepło i elastyczność w porównaniu z polimerami organicznymi.

Listę zamykają tzw. polimery unikalne zsyntetyzowane w latach 60-70. XX wiek Należą do nich aromatyczne poliamidy, poliimidy, poliestry, poliestroketony itp.; nieodzowną cechą tych polimerów jest obecność cykli aromatycznych i (lub) skondensowanych struktur aromatycznych. Charakteryzują się połączeniem wybitnych wartości wytrzymałości i odporności na ciepło.

Polimery ogniotrwałe

Wiele polimerów, takich jak poliuretany, poliestry i żywice epoksydowe, ma tendencję do samozapalania się, co w praktyce często jest niedopuszczalne. Aby temu zapobiec, stosuje się różne dodatki lub stosuje się halogenowane polimery. Fluorowcowane nienasycone polimery są syntetyzowane przez włączenie do kondensacji chlorowanych lub bromowanych monomerów, takich jak kwas heksachl(HCEMTFA), glikol dibromoneopentylowy lub kwas tetrabromoftalowy. Główną wadą takich polimerów jest to, że podczas spalania są w stanie uwalniać gazy powodujące korozję, co może mieć szkodliwy wpływ na pobliską elektronikę. Ze względu na wysokie wymagania bezpieczeństwa środowiskowego szczególną uwagę zwraca się na komponenty bezhalogenowe: związki fosforu i wodorotlenki metali.

Działanie wodorotlenku glinu opiera się na fakcie, że pod wpływem wysokiej temperatury uwalniana jest woda, która zapobiega spalaniu. Aby uzyskać efekt, należy dodać duże ilości wodorotlenku glinu: 4 części wagowe na jedną część nienasyconych żywic poliestrowych.

Pirofosforan amonu działa na innej zasadzie: powoduje zwęglenie, które wraz ze szklistą warstwą pirofosforanów izoluje tworzywo od tlenu, hamując rozprzestrzenianie się ognia.

Nowym obiecującym wypełniaczem są warstwowe glinokrzemiany, których produkcja powstaje w Rosji.

Aplikacja

Ze względu na swoje cenne właściwości polimery znajdują zastosowanie w budowie maszyn, przemyśle włókienniczym, rolnictwie i medycynie, motoryzacji i przemyśle stoczniowym, produkcji samolotów oraz w życiu codziennym (tekstylia i wyroby skórzane, naczynia, kleje i lakiery, biżuteria i inne przedmioty). Na bazie związków wielkocząsteczkowych wytwarza się gumę, włókna, tworzywa sztuczne, folie i powłoki malarskie. Wszystkie tkanki organizmów żywych są związkami wielkocząsteczkowymi.

Nauka o polimerach

Nauka o polimerach zaczęła się rozwijać jako samodzielna dziedzina wiedzy na początku drugiej wojny światowej i ukształtowała się jako całość w latach 50. XX wiek, kiedy uświadomiono sobie rolę polimerów w rozwoju postępu technicznego i żywotnej aktywności obiektów biologicznych. Jest ona ściśle związana z fizyką, chemią fizyczną, koloidalną i organiczną i może być uważana za jeden z podstawowych fundamentów współczesnej biologii molekularnej, której przedmiotem badań są biopolimery.

Polimeryzacja i polikondensacja

Reakcja tworzenia polimeru z monomeru nazywa się polimeryzacją. Podczas polimeryzacji substancja może przejść ze stanu gazowego lub ciekłego do bardzo gęstej cieczy lub ciała stałego. Reakcji polimeryzacji nie towarzyszy eliminacja produktów ubocznych o małej masie cząsteczkowej. Podczas polimeryzacji polimer i monomer charakteryzują się tym samym składem pierwiastkowym.

Polimeryzacja związków z podwójnymi wiązaniami przebiega z reguły zgodnie z mechanizmem łańcuchowym. Aby rozpocząć reakcję łańcuchową, konieczne jest, aby cząstki aktywne pochodziły z początkowej masy obojętnej. W reakcjach łańcuchowych jedna cząsteczka obejmuje tysiące nieaktywnych cząsteczek w reakcji, tworząc długi łańcuch. Głównymi ośrodkami aktywnymi są wolne rodniki i jony.

Rodniki to części cząsteczki, które powstają, gdy para elektronów jest zerwana i zawierają niesparowany elektron (na przykład metyl CH 3 -, fenyl C 6 H 6 -, grupa etylowa C 2 H 5 - itp.). Powstawanie początkowych rodników i jonów może zachodzić pod wpływem ciepła, światła, różnego promieniowania jonizującego, specjalnie wprowadzonych katalizatorów.

Oprócz reakcji polimeryzacji, polimery można otrzymać na drodze polikondensacji - reakcji, w której następuje przegrupowanie atomów polimeru i uwolnienie wody lub innych substancji o małej masie cząsteczkowej ze sfery reakcyjnej.

Charakterystyka polimerów

Najważniejszymi cechami polimerów są skład chemiczny, masa cząsteczkowa MM i rozkład masy cząsteczkowej MWD, stopień rozgałęzienia i elastyczności makrocząsteczek, stereoregularność (patrz Polimery stereoregularne) itp. Właściwości polimerów w znacznym stopniu zależą od tych cech.

Liczba jednostek chemicznych w makrocząsteczce określa jej długość i nazywa się stopniem polimeryzacji n. Na przykład cząsteczka polietylenu (-CH 2 -CH 2 -) n składa się z n jednostek chemicznych etylenu CH 2 \u003d CH 2. Iloczyn masy cząsteczkowej M jednostki chemicznej i stopnia polimeryzacji jest masą cząsteczkową MM makrocząsteczki. W zależności od wartości M i n masa cząsteczkowa polimerów może zmieniać się w bardzo szerokim zakresie od 3 . 10 2 do 2 . 10 6 jednostek.

W zależności od masy cząsteczkowej makrocząsteczek jednego i tego samego polimeru warunkowo rozróżnia się:

Monomer - produkt wyjściowy o niskiej masie cząsteczkowej;

Oligomery - polimery z MM< 540, представляют собой низкомолекулярный продукт полимеризации или поликонденсации. Свойства олигомеров существенно зависят от молекулярной массы и, следовательно, от степени полимеризации.

Polimery mają masę cząsteczkową 5 urn. 10 3< ММ < 5 . 10 5 . К этой группе принадлежит абсолютное большинство разновидностей полимеров. Свойства полимеров от числа мономерных звеньев в цепи зависят значительно меньше, чем у олигомеров.

Polimery o ultrawysokiej masie cząsteczkowej mają MM > 5. 10 5 .

Poziom molekularny charakteryzuje strukturę chemiczną makrocząsteczek, która jest ogólnie określona przez chemiczną naturę jednostek monomeru i rodzaje wiązań międzymonomerowych.

W przeciwieństwie do prostych substancji polimer składa się z wielu makrocząsteczek, których masa cząsteczkowa jest zmienna. Dlatego polimery charakteryzują się średnią wartością MW. Oznacza to, że polimer jest wielocząsteczkowy. W związku z tym przy opisie właściwości fizykochemicznych polimerów wartość ich masy cząsteczkowej podawana jest w stosunkowo szerokim zakresie. Na przykład dla polietylenu o małej gęstości podane są wartości (1,9-4,8). 10 4 . Rozkład masy cząsteczkowej (MWD) odzwierciedla heterogeniczność polimeru pod względem wielkości łańcucha, a co za tym idzie, pod względem masy cząsteczkowej wchodzących w jego skład makrocząsteczek. Im MWD jest bliższe jedności, tym bardziej jednorodna jest wielkość cząsteczek polimeru.

Główne parametry fizyczne polimerów (wytrzymałość, przewodność cieplna, charakterystyki dylatometryczne, charakterystyczne temperatury) są praktycznie niezależne od masy cząsteczkowej. Masa cząsteczkowa polimerów wpływa na parametry reologiczne ich stopów, odkształcenia termiczne oraz szereg właściwości użytkowych. Ponadto w znacznym stopniu zależy to od sposobu otrzymywania polimerów, czyli od sprzętu i technologii ich syntezy.

Zgodnie ze strukturą makrocząsteczki są podzielone na liniowe, schematycznie oznaczone -А-А-А-А-А-, (na przykład kauczuk naturalny); rozgałęziony, mający boczne rozgałęzienia (na przykład amylopektyna); i siatkowate lub usieciowane, jeśli sąsiednie makrocząsteczki są usieciowane (np. utwardzone żywice epoksydowe). Silnie usieciowane polimery są nierozpuszczalne, nietopliwe i niezdolne do wysoce elastycznych odkształceń.

Polimery liniowe mają określony zestaw właściwości fizykochemicznych i mechanicznych. Najważniejsze z tych właściwości to: zdolność do tworzenia wysokowytrzymałych anizotropowych, silnie zorientowanych włókien i filmów, zdolność do dużych, długotrwale rozwijających się odwracalnych odkształceń, zdolność do pęcznienia w stanie wysoce elastycznym przed rozpuszczeniem; Roztwory o dużej lepkości. Ten zestaw właściwości wynika z dużej masy cząsteczkowej, struktury łańcucha i elastyczności makrocząsteczek.

Polimery, których cząsteczki składają się z identycznych jednostek monomeru, nazywane są homopolimerami, na przykład polichlorek winylu, polikaproamid, celuloza. Polimery, których makrocząsteczki zawierają kilka typów jednostek monomerowych, nazywane są kopolimerami. Kopolimery, w których wiązania każdego typu tworzą wystarczająco długie ciągłe sekwencje, które zastępują się nawzajem w makrocząsteczce, nazywane są kopolimerami blokowymi. Jeden lub więcej łańcuchów o innej strukturze może być przyłączonych do wewnętrznych (niekońcowych) wiązań makrocząsteczki o jednej strukturze chemicznej. Polimery, w których każdy lub niektóre stereoizomery wiązania tworzą wystarczająco długie ciągłe sekwencje, które zastępują się nawzajem w obrębie jednej makrocząsteczki, nazywane są kopolimerami stereoblokowymi.

Fizyczna organizacja makrocząsteczek polimerowych tworzy najważniejsze pojęcia, które określają dominujące cechy polimerów, a mianowicie termoplastyczność i termoutwardzanie.

Polimery liniowe i rozgałęzione tworzą klasę polimerów termoplastycznych lub tworzyw termoplastycznych, a polimery przestrzenne tworzą klasę polimerów termoutwardzalnych lub tworzyw termoplastycznych.

Literatura

• Encyklopedia polimerów, t. 1 - 3, rozdz. wyd. VA Kargin, M., 1972 - 77;
• Makhlis F. A., Fedyukin D. L., Terminologiczny podręcznik dotyczący gumy, M., 1989;
• Krivoshey V.N., Opakowania z materiałów polimerowych, M., 1990;
• Sheftel V. O., Substancje szkodliwe w tworzywach sztucznych, M., 1991;

włókna. Wśród włókien należy rozróżnić włókna syntetyczne, których duże cząsteczki są zbudowane lub syntetyzowane z bardzo prostych związków chemicznych, oraz te otrzymywane z naturalnych polimerów (zwykle celulozy) poprzez chemiczną obróbkę ich w inne formy. Oba te rodzaje polimerów łączy się pod ogólną nazwą włókien chemicznych. Do produkcji włókien ciągłych polimer wyjściowy musi być płynny - w postaci stopu lub roztworu. Celuloza, jako możliwy materiał do takich celów, ma dużą wadę - nie tylko nie topi się, ale także nie rozpuszcza ani w wodzie, ani w zwykłych rozpuszczalnikach organicznych. Dlatego, aby wykorzystać celulozę, musi ona zostać przetworzona. Jednym z zabiegów jest traktowanie celulozy kwasem octowym w celu przekształcenia jej w octan celulozy. Octan celulozy jest dobrze rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak aceton; w tym przypadku tworzy się bardzo lepki roztwór o konsystencji syropu, który można przecisnąć przez wielokanałową dyszę przędzalniczą zawierającą wymaganą liczbę drobnych otworów; w rezultacie otrzymuje się wiązkę drobnych włókien, które po rozciągnięciu i odparowaniu rozpuszczalnika tworzą ciągłą nić octanu celulozy. W innym rodzaju ekstrudowanej płynnej masy przetwarza się chemicznie modyfikowaną celulozę, przekształcając ją w pierwotną celulozę. Produkt ten, znany jako jedwab wiskozowy, jest przykładem włókna z regenerowanej celulozy.

Wszystkie syntetyczne włókna polimerowe produkowane są w postaci włókien ciągłych. W przeciwieństwie do celulozy polimery te można łatwo stopić.

Włókna syntetyczne nie powinny być uważane za substytuty włókien naturalnych ani za włókna „sztuczne”; mają inne właściwości i pod pewnymi względami przewyższają włókna naturalne. Istnieje wiele rodzajów włókien syntetycznych: nylony, poliestry (terylen, lavsan), włókna akrylowe (orlon) i włókna polipropylenowe (alstron).

gumki. Najważniejszym kauczukiem syntetycznym przed II wojną światową był kauczuk buna: powtarzającym się ogniwem w łańcuchu jest butadien.

W Afryce prowadzono poszukiwania różnych roślin kauczukowych i choć znaleziono szereg pożądanych roślin, ich potencjalny wkład okazał się znikomy. Sytuacja uległa poprawie wraz z pojawieniem się amerykańskiego kauczuku syntetycznego, znanego jako GR--S.

Ma bardziej złożoną budowę niż niemiecki buna_rubber, jest kopolimerem składającym się z dwóch składników – butadienu i styrenu. Kauczuk ten okazał się gorszy od kauczuku naturalnego pod wieloma właściwościami, jego niewystarczająca „lepkość”, czyli przyczepność stwarzała trudności np. w produkcji opon samochodowych, ale problem ten został rozwiązany po opracowaniu technologii mieszania z niewielkimi ilościami naturalnego kauczuku.

Innym ważnym kauczukiem syntetycznym jest kauczuk_butylowy_polimer pochodzący z izobutylenu. Jednak jedną z cech kauczuku butylowego jest to, że powietrze dyfunduje przez niego znacznie wolniej niż przez kauczuk naturalny, dlatego kauczuk butylowy jest cennym surowcem do produkcji dętek samochodowych. Jednak w porównaniu z kauczukiem naturalnym jego właściwości sprężyste są znacznie gorsze.

W przeciwieństwie do włókien, kauczuki na ogół nie są krystaliczne; ich cząsteczki są ułożone losowo. Struktura kauczuków, pod wieloma względami zbliżona do struktury cieczy, nazywana jest amorficzną. Właśnie tej luźnej strukturze (w przeciwieństwie do gęsto upakowanej regularnej struktury krystalicznej) gumy zawdzięczają swoją miękkość i elastyczność.

polimery krystaliczne. Trzecią i pod wieloma względami najciekawszą klasą polimerów syntetycznych są polimery krystaliczne. W przeciwieństwie do konwencjonalnych krystalicznych ciał stałych, polimery nie są całkowicie krystaliczne, ale zawierają wiele bardzo małych kryształów, które istnieją wraz z resztą nieuporządkowanej lub amorficznej materii. W stanie niezorientowanym nie mają odpowiedników w przyrodzie, a ich właściwości odbiegają od znanych dotychczas substancji.

Jednym z najbardziej rozpowszechnionych i wszechstronnych polimerów krystalicznych jest polietylen. Posiada doskonałe właściwości izolacyjne, a także lekkość i elastyczność. Polietylen ma jedną wadę - topi się w stosunkowo niskiej temperaturze (110°C - 130°C).

Innym ważnym krystalicznym polimerem jest nylon, który ma doskonałe właściwości włóknotwórcze, ale może być również przetwarzany w bloki do formowania wtryskowego. T pl. (nylon) - 265°C.

Poprzez zastąpienie wszystkich atomów wodoru w polietylenie atomem fluoru otrzymuje się krystaliczny polimer o ciekawych właściwościach. Polimer ten, znany jako politetrafluoroetylen (teflon), ma jeszcze wyższą temperaturę topnienia, mianowicie 360°C.

Szkło i żywica. Szkła wyróżniają się spośród innych polimerów wysoką przezroczystością optyczną i kruchością. Ich przezroczystość wynika z faktu, że nie są krystaliczne. Podobnie jak kauczuki, układ cząsteczek w szkle jest przypadkowy, struktura szkieł jest nieuporządkowana lub amorficzna. Pojedyncze kryształy substancji, takich jak kwarc czy diament, mogą mieć przezroczystość szkła, ale z reguły substancje krystaliczne nie występują w postaci pojedynczych monokryształów, ale są skupiskami dużej liczby małych kryształów. Tak jak biały kolor śniegu wynika z odbijania się światła od licznych powierzchni najmniejszych kryształków lodu, tak mlecznobiały kolor krystalicznych polimerów (polietylenu) wynika z rozpraszania światła na powierzchniach międzykrystalicznych. W amorficznej strukturze szkła, podobnie jak w cieczy, nie ma nieciągłości ani różnic w geometrycznym rozmieszczeniu cząsteczek w całej próbce, a zatem nie ma faset, od których światło mogłoby się rozpraszać lub odbijać. Dlatego, ponieważ same cząsteczki nie pochłaniają światła, takie materiały są przezroczyste. Do dobrze znanych polimerów szklistych należą polistyren, pleksiglas, polichlorek winylu.

Przezroczystość nie jest najważniejszą właściwością szkła, a znaczna liczba polimerów o właściwościach mechanicznych zbliżonych do szkła nie ma przezroczystości pleksi czy polistyrenu, substancje te nazywane są żywicami syntetycznymi. Jedną z pierwszych żywic stosowanych w przemyśle był bakelit, nazwany na cześć jego odkrywcy, Bakelanda. Bakelit to ciemny materiał, który jest szeroko stosowany (i nadal jest) jako izolator elektryczny.

Związki o dużej masie cząsteczkowej (HMC) to substancje składające się z dużych cząsteczek. Ogólnie przyjmuje się, że związki o masie cząsteczkowej powyżej 5000 są uważane za wysokocząsteczkowe, ale często może ona sięgać kilku milionów (zwłaszcza w naturalnych wkładkach wewnątrzmacicznych). Nie ma ostrej granicy między związkami o dużej i małej masie cząsteczkowej. Tak więc niektóre garbniki o masie cząsteczkowej około 1000 zachowują się jak typowe związki niskocząsteczkowe, a parafiny o tej samej masie cząsteczkowej mają wszystkie właściwości związków wysokocząsteczkowych. Przejście od związków małocząsteczkowych do wysokocząsteczkowych nie jest związane ze zmianą samej masy cząsteczkowej, ale z spowodowaną przez nią jakościową zmianą właściwości (przejście ilości w jakość).

Rozmiar cząsteczek IUD jest bardzo duży w porównaniu do rozmiaru zwykłych cząsteczek. Tak więc długość cząsteczek celulozy sięga 25 * -50 * (25 000-50 000 E) przy wielkości średnicy 3,5 * -7 * cm (3,5-7 E).

HMC są czasami określane jako polimery o wysokiej zawartości (lub po prostu polimery). Ale ściśle mówiąc, druga koncepcja jest węższa. Wszystkie polimery są HMC, ale nie wszystkie HMC mogą być polimerami. W cząsteczce polimeru pozostałości pierwotnej substancji, monomeru, muszą być chemicznie związane i regularnie powtarzane. Duża cząsteczka polimeru nazywana jest makrocząsteczką lub łańcuchem polimeru, a same reszty nazywane są elementarnymi (monomerycznymi, powtarzającymi się) wiązaniami lub po prostu wiązaniami. W przeciwieństwie do cząsteczki związku o niskiej masie cząsteczkowej, makrocząsteczka nie jest najmniejszą cząsteczką - nośnikiem właściwości chemicznych substancji, ponieważ rozbicie makrocząsteczki na krótsze łańcuchy powoduje zachowanie tych właściwości.

Liczba ogniw w łańcuchu nazywana jest stopniem polimeryzacji (oznaczonym przez n, P lub SP).

Podczas pisania wzorów empirycznych polimerów, ze względu na ich dużą masę cząsteczkową (M), jednostki końcowe nie są brane pod uwagę, na przykład wzór empiryczny celulozy (, kauczuku (.

Każdy polimer zawsze składa się z makrocząsteczek o różnej długości. Dlatego w chemii substancji wielkocząsteczkowych wprowadzono pojęcie homologów polimerów, co oznacza związki o tej samej budowie chemicznej różniące się masami cząsteczkowymi. Każdy związek polimerowy jest mieszaniną homologów polimeru – związków o różnej liczbie wiązań w makrocząsteczce, czyli o różnych długościach łańcuchów. Homologi polimerów tworzą szereg homologiczny polimeru, czyli szereg związków, w którym każdy kolejny element różni się od poprzedniego o grupę atomów - łącznik elementarny.

Dlatego polimery zawsze charakteryzują się średnią masą cząsteczkową. Średnia masa cząsteczkowa jest iloczynem średniej liczby jednostek (średnia SP) razy masa cząsteczkowa jednostki. Heterogeniczność wkładki wewnątrzmacicznej pod względem masy cząsteczkowej nazywana jest heterogenicznością molekularną, polidyspersyjnością lub polimolekularnością. Określa się ją metodą frakcjonowania wkładek wewnątrzmacicznych według masy cząsteczkowej. Należy podkreślić, że wiele właściwości fizykomechanicznych wkładek domacicznych – zdolność do pęcznienia i rozpuszczania, właściwości roztworów – w dużej mierze zależy nie tylko od średniej masy cząsteczkowej wkładek, ale także od ich polidyspersyjności.

O właściwościach wkładek wewnątrzmacicznych decyduje skład chemiczny, budowa cząsteczkowa, średnia masa cząsteczkowa i niejednorodność cząsteczkowa, kształt makrocząsteczek, ich wzajemne ułożenie (struktura fizyczna) itp. W zależności od tych czynników właściwości HMS mogą się znacznie różnić, jednak niektóre wspólne właściwości są charakterystyczne dla wszystkich HMS. Wszystkie wkładki wewnątrzmaciczne, ze względu na ich wysoką masę cząsteczkową, są nielotne i nie mogą być destylowane. Większość HCM nie ma określonego punktu kontroli i mięknie stopniowo po podgrzaniu, podczas gdy niektóre HCM nie mogą mięknąć i rozkładać się natychmiast po podgrzaniu. Dlatego takie metody izolacji i oczyszczania związków chemicznych jak destylacja i rekrystalizacja nie mają zastosowania do polimerów. Wkładki domaciczne są często bardzo wrażliwe na czynniki zewnętrzne i łatwo rozpadają się pod wpływem czynników destrukcyjnych.

Różnica między polimerami a związkami o niskiej masie cząsteczkowej jest szczególnie wyraźna we właściwościach mechanicznych. Właściwości mechaniczne polimerów są kombinacją właściwości ciał stałych i cieczy. Polimery charakteryzują się dużą wytrzymałością oraz zdolnością do znacznych odkształceń odwracalnych.

Jedną z ważnych właściwości wkładek wewnątrzmacicznych jest ich rozpuszczalność. Ale w przeciwieństwie do związków o niskiej masie cząsteczkowej rozpuszczają się znacznie wolniej. Rozpuszczenie wkładki jest koniecznie poprzedzone obrzękiem. Niektóre polimery w ogóle nie rozpuszczają się w żadnym rozpuszczalniku.

polimery wykazują szczególne właściwości w roztworach (duża lepkość, pewne anomalie termodynamiczne).

Charakterystyczne cechy mają również reakcje przemian chemicznych związków wielkocząsteczkowych. Związki te reagują znacznie wolniej z różnymi odczynnikami, a większość reakcji z reguły nie przebiega do końca. W niektórych przypadkach, wraz z główną reakcją, występują reakcje uboczne, które zakłócają główny proces.

Ze względu na rodzaj ogniw w łańcuchach polimery dzielą się na homopolimery i kopolimery. W homopolimerach makrocząsteczki składają się z tych samych jednostek elementarnych; w heteropolimerach lub kopolimerach składają się z dwóch lub więcej różnych jednostek elementarnych.

W zależności od składu chemicznego i budowy chemicznej makrocząsteczek, wkładki wewnątrzmaciczne dzielą się na organiczne, nieorganiczne, organoelementowe. Polimery organiczne dzielą się dalej na dwie klasy: polimery o łańcuchu węglowym i heterołańcuchowym. Łańcuchy polimerów łańcuchów węglowych zbudowane są wyłącznie z atomów węgla, łańcuchy polimerów heterołańcuchowych zbudowane są z atomów węgla i heteroatomów (tlenu, azotu, siarki). Polimery karbołańcuchowe są dalej podzielone zgodnie z klasyfikacją przyjętą w chemii organicznej.

Zgodnie ze strukturą przestrzenną wszystkie polimery dzielą się na liniowe, rozgałęzione i przestrzenne.

Rysunek 1.1 - Schematyczne przedstawienie liniowych (a), rozgałęzionych (b) i usieciowanych (c) cząsteczek polimeru

W polimerach liniowych makrocząsteczki są długimi łańcuchami (a). Długość makrocząsteczek takich polimerów znacznie przekracza wymiar poprzeczny. Polimery liniowe można topić i rozpuszczać w odpowiednich rozpuszczalnikach. Niektóre naturalne polimery liniowe są włókniste (celuloza), inne są bardzo elastyczne (guma).

W rozgałęzionych polimerach (b) makrocząsteczki są długimi łańcuchami z rozgałęzieniami. Gałąź musi zawierać jedną lub więcej jednostek monomeru. Liczba i długość gałęzi może się znacznie różnić. Rozgałęzione polimery zazwyczaj topią się i rozpuszczają. Ich właściwości zależą jednak od stopnia rozgałęzienia. Silnie rozgałęzione polimery to substancje sproszkowane (skrobia).

Polimery przestrzenne nazywane są polimerami zbudowanymi z długich łańcuchów połączonych w przestrzeni poprzecznymi wiązaniami chemicznymi lub krótkimi łańcuchami tworzącymi sieć (c). Takie polimery są również nazywane sieciowymi, usieciowanymi, trójwymiarowymi. Polimery przestrzenne nie topią się ani nie rozpuszczają.

W zależności od rodzaju naprzemienności ogniw w łańcuchu polimery dzielą się na regularne i nieregularne. W regularnych polimerach liniowych obserwuje się prawidłową przemianę ogniw w łańcuchu, w polimerach nieregularnych kolejność w łańcuchu jest zaburzona. Polimery rozgałęzione również wykazują nieregularność ze względu na różnice w liczbie i długości łańcuchów bocznych, a także w miejscu ich przyłączenia do łańcucha głównego. Wiele właściwości polimerów ma duże znaczenie praktyczne i determinuje ich szerokie zastosowanie praktyczne. Ze względu na pochodzenie wkładki wewnątrzmaciczne dzielą się na trzy typy:

• 1. Naturalny, wyizolowany z naturalnych metali. (Ostatnio naturalne polimery o aktywności biologicznej – białka, kwasy nukleinowe, niektóre polisacharydy i polimery mieszane – zostały rozdzielone na osobną grupę polimerów biologicznych, czyli biopolimerów).
• 2. Sztuczne, otrzymywane przez chemiczną modyfikację polimerów naturalnych.
• 3. Syntetyczny, syntetyzowany ze związków o niskiej masie cząsteczkowej. W zależności od sposobu otrzymywania dzieli się je na polimeryzacyjne i polikondensacyjne.

W oddzielnej grupie zwykle izoluje się poliacetale. Należą do nich różne polisacharydy (skrobia, celuloza i jej pochodne, hemicelulozy itp.) oraz kwasy poliuronowe.

Na przykład celuloza jest polisacharydem, którego makrocząsteczki składają się z jednostek β-D-glukopiranozy połączonych jednostkami glukozydowymi 1-4.

Wzór strukturalny makrocząsteczki celulozy:

n to stopień polimeryzacji równy 6000-14000.

Polimery należą do klasy związków chemicznych, które mają krótkie jednostki strukturalne składające się z kilku atomów (monomerów) połączonych w długie łańcuchy za pomocą różnego rodzaju wiązań. Cechą charakterystyczną polimerów jest duża masa cząsteczkowa – od kilku tysięcy do milionów. Naturalne i powstałe później polimery syntetyczne charakteryzują się następującymi właściwościami:

• elastyczność - zdolność do wytrzymania silnych sił odkształcających bez zniszczenia;
• wytrzymałość;
• zdolność makrocząsteczek (łańcuchów molekularnych) do określonej orientacji względem siebie.

Dokładna klasyfikacja dzieli liczną rodzinę polimerów na organiczne i nieorganiczne. Najbardziej poszukiwane, mają szeroką gamę odmian o różnych właściwościach związków organicznych opartych na łańcuchach węglowych.

Jednymi z pierwszych polimerów stworzonych przez człowieka na bazie materiałów naturalnych była guma, otrzymywana w procesie wulkanizacji gumy oraz celuloid, który bazuje na celulozie.

Dalsze tworzenie i wytwarzanie materiałów polimerowych opierało się na osiągnięciach chemii organicznej.

Osobliwości

Polimery syntetyczne bazują na niskocząsteczkowych związkach organicznych (monomerach), które w wyniku reakcji polimeryzacji lub polikondensacji tworzą długie łańcuchy. Położenie i konfiguracja łańcuchów cząsteczkowych oraz rodzaj ich wiązania w dużym stopniu determinują właściwości mechaniczne polimerów.

Sztuczne i syntetyczne polimery mają szereg specyficznych cech. W pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na ich dużą sprężystość i sprężystość – zdolność do wytrzymywania odkształceń i przywracania pierwotnego kształtu. Przykładem jest poliamid, guma. Nić poliuretanowa - elastan, jest w stanie zmienić swoją długość o 800% bez zerwania, a następnie przywrócić pierwotny rozmiar. Obecność długich łańcuchów molekularnych w strukturze materiałów syntetycznych doprowadziła do niskiej kruchości wyrobów z tworzyw sztucznych. W większości przypadków wzrost kruchości niektórych rodzajów tworzyw sztucznych następuje wraz ze spadkiem temperatury. Materiały organiczne są prawie całkowicie pozbawione tej wady.

Przeciwnie, oddzielne rodzaje tworzyw sztucznych mają wysoką sztywność i twardość. Włókno szklane nie jest gorsze od stali, a polimer taki jak Kevlar nawet ją przewyższa.

Uzupełnieniem tych właściwości jest wysoka odporność na korozję i odporność na zużycie. Większość znanych polimerów ma wysoką oporność elektryczną i niską przewodność cieplną.

Zwracając uwagę na wysokie walory eksploatacyjne i technologiczne, nie możemy zapominać o negatywnych aspektach:

• Trudność w recyklingu. Recykling dopuszcza tylko materiały termoplastyczne i tylko odpowiednio posortowane. Mieszanina polimerów o różnym składzie chemicznym nie może być poddawana recyklingowi. W naturze tworzywa sztuczne rozkładają się niezwykle wolno – do dziesiątek i setek lat. Podczas spalania niektórych rodzajów tworzyw sztucznych do atmosfery uwalniane są duże ilości wysoce toksycznych substancji i związków. Dotyczy to zwłaszcza tworzyw sztucznych zawierających halogeny. Najbardziej znanym materiałem tego typu jest polichlorek winylu (PVC).
• Słaba odporność na promieniowanie UV. Pod działaniem promieni ultrafioletowych długie łańcuchy polimerowe ulegają zniszczeniu, zwiększa się kruchość produktów, maleje wytrzymałość i odporność na zimno.
• Trudność lub niemożność łączenia niektórych rodzajów materiałów syntetycznych.

Właściwości chemiczne polimerów wskazują na ich dużą odporność na działanie substancji agresywnych, jednak w niektórych przypadkach utrudnia to stosowanie klejów. Dlatego w przypadku polimerów termoplastycznych stosuje się metodę spawania - łączenie podgrzewanych elementów. Niektóre substancje, na przykład fluoroplasty, generalnie nie podlegają połączeniom, z wyjątkiem połączeń mechanicznych.

Aplikacja

Bez przesady można powiedzieć, że polimery znalazły zastosowanie w absolutnie wszystkich dziedzinach działalności i życia człowieka. Polimery syntetyczne są stosowane w życiu codziennym i przemyśle jako samodzielne produkty, a także jako zamiennik tradycyjnych materiałów lub w połączeniu z nimi w celu uzyskania unikalnych właściwości.

Pierwsze zastosowanie znalazły sztuczne polimery. Najbardziej uderzającym przykładem jest guma. Obecnie większość wyrobów gumowych jest wykonana z kauczuku syntetycznego, ale istnieje kilka zastosowań, w których kauczuk naturalny jest nadal używany.

Polimery posiadają cały szereg unikalnych właściwości, których nie posiadają tradycyjne materiały lub wykorzystanie tych ostatnich jest technologicznie i ekonomicznie niepraktyczne. Odporność na reakcje chemiczne w szerokim zakresie temperatur oraz w stosunku do dużej grupy aktywnych związków chemicznych przyczynia się do powszechnego stosowania materiałów polimerowych w chemii i przemyśle chemicznym.

Niska toksyczność, odporność chemiczna i brak reakcji alergicznych pozwoliły na szerokie zastosowanie polimerów syntetycznych w medycynie. Są to sztuczne narządy, produkcja leków – od opakowań po otoczki preparatów medycznych (tabletki, kapsułki), materiały do ​​zszywania, kleje.

Te same walory wykorzystywane są w przemyśle spożywczym do produkcji naczyń, pojemników do pakowania wyrobów gotowych oraz w procesie ich wytwarzania. Koszt pakowania pojemników z tworzywa sztucznego jest kilkukrotnie niższy niż w przypadku kartonu, papieru czy innych materiałów naturalnych.

W przemyśle wielkocząsteczkowe związki polimerowe wykorzystywane są do produkcji materiałów konstrukcyjnych, jednostek ciernych, konstrukcji nośnych, lakierów i farb.

Ze względu na doskonałe właściwości elektroizolacyjne tworzywa sztuczne prawie całkowicie zastąpiły materiały naturalne w przemyśle elektrycznym. Izolacje przewodów, obudowy przyrządów, płytki obwodów drukowanych wykonywane są na bazie materiałów polimerowych. Sztywne druty nawojowe pokryte są warstwą lakierów syntetycznych, których niewielka grubość ma wysoką odporność i wytrzymałość, a elastyczne przewody montażowe posiadają powłokę wykonaną z polichlorku winylu lub polietylenu, malowaną na różne kolory dla ułatwienia konserwacji i naprawy.

Na bazie polimerów syntetycznych powstają materiały tekstylne najbardziej znanych marek. Tkaniny i odzież składają się z przędzy na bazie poliamidu, poliestru, polipropylenu. Jako alternatywę dla naturalnej wełny stosuje się akryl, z którego produkty trudno odróżnić od naturalnych.

Ten sam poliamid, który służy jako substytut jedwabiu, w stanie monolitycznym ma wytrzymałość porównywalną z wieloma metalami. Biorąc pod uwagę, że poliamid, inaczej zwany kapronem lub nylonem, jest chemicznie obojętny, czyli nie ulega korozji i ma niski współczynnik tarcia, to zastąpienie metali substancjami syntetycznymi jest dość oczywiste.

Jeszcze wyższą jakość mają takie polimery przemysłowe, jak fluoroplastiki - związki fluoroorganiczne. Te syntetyczne materiały polimerowe mają jeden z najniższych współczynników tarcia i najwyższą odporność chemiczną. Właściwości te wykorzystywane są przy produkcji zespołów ciernych, zwłaszcza w urządzeniach pracujących w agresywnym środowisku.

Gdy niemożliwe jest całkowite zastąpienie konstrukcji metalowych materiałami sztucznymi, metalowa podstawa jest pokryta warstwą tworzywa sztucznego. Proces technologiczny powlekania metalu warstwą tworzywa sztucznego prowadzony jest w taki sposób, że podłoże i powłoka są zespolone na poziomie molekularnym. Pozwala to uzyskać wysoką siłę wiązania.

Polimery przemysłowe mogą być różnego rodzaju. Stosowane są zarówno materiały termoplastyczne, jak i tworzywa termoutwardzalne. W pierwszym przypadku do wytwarzania części i konstrukcji stosuje się metodę odlewania lub prasowania w temperaturze mięknienia polimeru, a w drugim tworzywo sztuczne jest formowane bezpośrednio w postaci gotowego produktu lub półproduktu z minimalna obróbka końcowa.

Wśród syntetycznych polimerów przemysłowych można wyróżnić materiały kompozytowe, w których różnorodne materiały mogą pełnić rolę wypełniacza lub składnika wzmacniającego, a polimer pełni rolę spoiwa.

Najbardziej znane materiały kompozytowe to:

• Włókno szklane - włókno szklane lub tkanina na jego bazie, impregnowane żywicą epoksydowo-polimerową. Kompozyt ten ma wysoką wytrzymałość, doskonałe właściwości elektroizolacyjne, odporność na niekorzystne czynniki, wysoką ognioodporność.
• CFRP - elementem wzmacniającym jest tutaj włókno węglowe. Wytrzymałość i elastyczność struktur z włókna węglowego oraz ich lekkość (dużo lżejsza od metali) posłużyły jako pretekst do zastosowania w przemyśle lotniczym. Zespół walorów użytkowych w tym zakresie ma wyższy priorytet niż wysoki koszt związany z pracochłonnością pozyskania włókien węglowych.
• Textolite to materiał warstwowy z tkaniny, w którym warstwy tkaniny są impregnowane materiałem polimerowym. Użyta tkanina jest naturalna lub sztuczna. Najbardziej trwałą i niezawodną opcją jest włókno szklane, wykorzystujące tkaninę z włókna szklanego;
• Kompozyty proszkowe zawierające wypełniacz ze sproszkowanych materiałów pochodzenia naturalnego lub sztucznego;
• Materiały wypełnione gazem - spienione polimery. Jest to dobrze znana guma piankowa, pianka polistyrenowa, pianka poliuretanowa. Materiały wypełnione gazem mają wyjątkowo niską przewodność cieplną i są stosowane jako materiały termoizolacyjne. Miękkość, plastyczność, wraz z wytrzymałością, posłużyły jako szeroka dystrybucja piankowych materiałów opakowaniowych do lekkich, ale wymagających ostrożnego sprzętu.

Klasyfikacja polimerów syntetycznych

Istnieje kilka grup klasyfikacyjnych polimerów, w zależności od cechy definiującej. Przede wszystkim są to:

• Sztuczne polimery tworzone na bazie naturalnych polimerów organicznych (celuloza – celuloid, guma – kauczuk);
• Syntetyczne polimery oparte na syntezie ze związków niskocząsteczkowych (styren - polistyren, etylen - polietylen).

Według składu chemicznego podział wygląda następująco:

• Organiczne, zawierające głównie łańcuchy węglowodorowe;
• Pierwiastek organiczny, w tym atomy nieorganiczne (krzem, aluminium) w łańcuchach organicznych. Najbardziej uderzającym przykładem są kompozycje krzemoorganiczne.

W zależności od rodzajów łańcuchów składu molekularnego można wskazać następujące typy struktur polimerowych:

• Liniowy, w którym monomery są połączone długimi prostymi łańcuchami;
• rozgałęziony;
• Ze strukturą siatki.

Wszystkie związki polimerowe charakteryzują się odmienną charakterystyką pod względem temperatury. Dzielą się więc na dwie grupy:

• Termoplastyczne, dla których wpływ temperatury ma odwracalne zmiany - nagrzewanie, topienie;
• Termoutwardzalny, nieodwracalnie zmieniający swoją strukturę po podgrzaniu. W większości przypadków proces ten zachodzi bez etapu topienia.

Istnieje kilka innych rodzajów klasyfikacji polimerów, na przykład według polarności łańcuchów molekularnych. Ale ta kwalifikacja jest konieczna tylko dla wąskich specjalistów.

Wiele rodzajów polimerów stosuje się w postaci samodzielnej (polietylen, poliamid), ale znaczna ich ilość jest wykorzystywana jako materiały kompozytowe, gdzie pełni rolę elementu łączącego podłoże organiczne i nieorganiczne – tworzywa sztuczne na bazie włókien szklanych lub węglowych. Często można spotkać połączenie polimer - polimer (tekstolit, w którym tkanina polimerowa jest impregnowana spoiwem polimerowym).