Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.

Высокомолекулярные вещества, состоящие из больших молекул цепного строения, называются полимерами (от греч. «поли» — много, «мерос» — часть).

Например, полиэтилен, получаемый при полимеризации этилена CH2=CH2:

…-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-…или (-CH2—CH2-)n

Молекула полимера называется макромолекулой (от греч. «макрос» — большой, длинный). Молекулярная масса макромолекул достигает десятков — сотен тысяч (и даже миллионов) атомных единиц.

Соединения, из которых образуются полимеры, называются мономерами.

Например, пропилен (пропен) СН2=СH–CH3 является мономером полипропилена

Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.

Мономеры – низкомолекулярные вещества, из которых образуются полимеры.

Степень полимеризации – число, показывающее количество элементарных звеньев в молекуле полимера.

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено: (–CH2–CH2–)n.

Полимеры, макромолекулы которых построены строго определенным способом, называют регулярными.

Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул (–CH2–CHR–)n расположены упорядоченно.

Стереорегулярные полимеры обладают гораздо лучшими свойствами – пластичностью, прочностью и теплостойкостью; они способны кристаллизоваться, в отличие от нерегулярных.

Классификация по структуре

По структуре полимеры делятся на: линейные, разветвленные и пространственные.

Линейные	Разветвленные	Пространственные
Состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру. Целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон	Макромолекулы разветвленных имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной Крахмал	Химические связи имеются и между цепями, образуя пространственную структуру Резина, фенолформальдегидныесмолы

Линейные — макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру (целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон).

Разветвленные — макромолекулы которых имеют боковые ответвления от цепи, называемой главной или основной (крахмал).

Сетчатые (пространственные) — химические связи имеются и между цепями (резина, фенолформальдегидные смолы).

Элементоорганические соединения

Элементоорганические ВМС, в состав макромолекул которых входят, кроме атомов неорганических элементов – кремния, титана, алюминия — и органические углеводородные радикалы, созданы искусственным путем, и в природе их нет. Классификация полимеров делит их, в свою очередь, на три группы.

• Первая группа – это вещества, в которых главная цепь составлена из атомов некоторых элементов, окруженных органическими радикалами.
• Во вторую группу входят вещества с основной цепью, содержащей чередующиеся атомы углерода и таких элементов, как сера, азот и другие.
• Третья группа включает вещества с органическими главными цепями, окруженными различными элементоорганическими группами.

Примером могут служить кремнийорганические соединения, в частности силикон, обладающий высокой износоустойчивостью.

Неорганические высокомолекулярные соединения в главной цепочке содержат оксиды кремния и металлов – магния, алюминия или кальция. У них нет боковых органических атомных групп. Связи в главных цепочках ковалентные и ионно-ковалентные, что обусловливает их высокую прочность и термостойкость. К ним относятся асбест, керамика, силикатные стекла, кварц.

Классификация по происхождению

По способу получения полимеры делятся на: природные, синтетические и искусственные.

Природные волокна	Синтетические волокна	Искусственные
Непосредственно существуют в природе хлопок шерсть натуральный шелк	Получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации капрон найлон лавсан	Получают модификацией натуральных полимеров ацетатное волокно целлулоид вискоза

Природные полимеры непосредственно существуют в природе (крахмал, целлюлоза и др.).

Синтетические полимеры получают полностью химическим путем в реакциях полимеризации и поликонденсации (полиэтилен, полихлорвинил, фенол-формальдегидные смолы, метилметакрилат и т.д.). Не имеют аналогов в природе.

Искусственные – получают модификацией натуральных полимеров (вискоза –модифицированная целлюлоза, резина –модификация натурального каучука).

Производство синтетики

Человечество использует разные методы выработки искусственных полимеров:

1. своеобразное вытягивание их из органических низкомолекулярных соединений;
2. переработка естественной органики в неестественные материалы.

В качестве изначального продукта для образования синтетических цепей берут различные материалы, являющиеся конечными результатами от переработки газовых элементов, нефтепродуктов и каменного угля (фенолы, ацетилены, бензолы и этилены). Результат в целом зависит от внешности исходных веществ. По их обозначению дается и название полимеру.

Синтетические полимеры образуются методом синтезирующей реакции. Волокна вырабатывают из расплава, а также из раствора по сухому или мокрому методу.

Применение синтетических волокон набирает крупные обороты в отличие от выпуска искусственных волокон. Объясняется это доступностью первичного сырья и обширностью их свойств и полезных качеств. Это позволяет получать продукты с различными свойствами, в то время как возможности модифицировать свойства искусственных волокон крайне малы и даже иногда отсутствуют.

Классификация по химическому характеру

По химическому характеру и составу полимеры и химические волокна бывают: полиэфирные, полиамидные, элементоорганические (например, кремнийорганические полимеры).

Полиэфирные полимеры	Полиамидные полимеры	Элементоорганические
Содержат группу -СОО- Лавсан (полиэтилентерефталат)	Содержат группу -СО-NH2— Найлон, капрон	Содержат атомы других хим. элементов (кремний и др.). Кремнийорганические полимеры

Полиэфирные полимеры — содержат группу сложных эфиров -СОО-.

Полиамидные полимеры — содержат пептидную связь -СО-NH2-.

Элементоорганические полимеры — содержат атомы других химических элементов (помимо С, Н, О, N).

Органические высокомолекулярные соединения

Благодаря своим уникальным свойствам высокомолекулярные соединения успешно заменяют в различных сферах жизнедеятельности такие натуральные материалы, как дерево, металл, камень, завоевывая новые области применения. Для систематизации такой обширной группы веществ принята классификация полимеров по различным признакам. К ним относится состав, способ получения, пространственная конфигурация и так далее.

Классификация полимеров по химическому составу подразделяет их на три группы:

• Органические высокомолекулярные вещества.
• Элементоорганические соединения.
• Неорганические высокомолекулярные соединения.

Самую большую группу представляют органические ВМС – смолы, каучуки, растительные масла, то есть продукты животного, а также растительного происхождения. Макромолекулы этих веществ в главной цепи наряду с атомами углерода имеют атомы кислорода, азота и других элементов.
Их свойства:

• обладают способностями к обратной деформации, то есть эластичностью при невысоких нагрузках;
• при небольшой концентрации могут образовывать вязкие растворы;
• меняют физические и механические характеристики под действием минимального количества реагента;
• при механическом воздействии возможно направленное ориентирование их макромолекул.

Классификация по способу получения

Полимеры получают либо реакциями полимеризации, либо поликонденсацией.

Полимеризация	Поликонденсация
Это присоединение одних молекул к другим за счет разрыва кратных связей. Побочные продукты, как правило, не образуются. Полиэтилен, полипропилен и др.	Образование полимера происходит за счет реакции замещения. При этом образуется низкомолекулярный побочный продукт. Фенолформальдегидная смола, капрон

Полимеризация — процесс образования высокомолекулярного вещества(полимера) путём многократного присоединения молекул мономера к активным центрам в растущей молекуле полимера.

Например, образование полиэтилена происходит по механизму полимеризации:

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (обычно это вода).

Например, образование капрона протекает по механизму поликонденсации:

Горение синтетических волокон

Чтобы хорошо разбираться в различных видах тканей из синтетики, полезно знать особенности их горения в пламени.

Капрон, нейлон	Плавится с образованием смолы, на конце образуется оплавленный бурый шарик, ощущается запах сургуча
Полиэстер, лавсан	Горит жёлтым коптящим пламенем, выделяется чёрный едкий дым, на конце образуется плотный нерастирающийся шарик
Спандекс	Горит подобно лавсану
Нитрон, акрил	Горит жёлтым коптящим пламенем со вспышками, образуя на конце твёрдый шарик, частично растираемый пальцами
Хлорин	Не горит, при внесении в пламя волокно сжимается, обугливается, ощущается запах хлора
Винол	При внесении в огонь даёт усадку, затем горит жёлтым пламенем с незначительной копотью, после затухания остаётся твёрдый светло-бурый наплыв
Полипропилен	Плохо поддерживает горение, пламя малоактивное, без образования сажи

Свойства полимеров

По свойствам полимеры можно разделить на: термореактивные, термопластичные и эластомеры.

Термореактивные	Термопластичные	Эластомеры
Неплавкие и неэластичные материалы. Фенолформальдегидные смолы,полиуретан	Меняют форму при нагревании и сохраняют её. Полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид	Эластичные вещества при разных температурах. Натуральный каучук, полихлоропрен

Термореактивные полимеры — пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала.

Например, фенолформальдегидные смолы, полиуретан.

Термопластичные полимеры — меняют форму в нагретом состоянии и сохраняют её после охлаждения.

Например, полиэтилен, полистирол, полихлорвинил и т.д.

Эластомеры – обладают высокоэластичными свойствами в широком интервале температур.

Например, натуральный каучук.

Термопласты

Классификация пластмасс выделяет еще один их вид – термопласты. Их особенность состоит в том, что эти материалы плавятся под воздействием высоких температур, но при охлаждении быстро возвращаются в свое изначальное состояние. Молекулярные цепи данного вида пластмасс либо слегка разветвлены, либо линейны. Когда изделие находится в условиях воздействия невысоких температур, оно хрупкое и твердое. Это связано с тем, что молекулы размещаются крайне плотно друг к другу, что практически полностью ограничивает их движение. Как только температура немного повышается, молекулы получают возможность двигаться, что существенно ослабевает связь между ними. В ходе описанного процесса материал становится более пластичным. Если температуру продолжают повышать, то межмолекулярные связи окончательно ослабевают, и теперь они скользят друг относительно друга. В это время пластмасса становится вязкотекучей и невероятно эластичной. Если температуру снизить, то все эти процессы повернутся вспять.

Если контролировать температуру таким образом, чтобы не допускать перегрева, который провоцирует распад молекулярной цепи, то описанные выше процессы можно повторять бесконечное количество раз. Используя эти свойства пластмасс данной категории, их многократно перерабатывают в разнообразные изделия. Это позволяет меньше загрязнять окружающую среду, ведь отходы пластмасс в почве разлагаются от одной до четырех сотен лет.

Более того, благодаря описанным выше особенностям, термопласты с легкостью могут быть спаяны или сварены. Любые механические повреждения можно исправить путем правильного температурного воздействия.

Применение пластмасс такого типа широко распространено в сфере автомобилестроения (изготовление колпаков колес, бамперов, панелей, корпусов фонарей, каркасов, наружных зеркал, решеток бампера и так далее).

Основные термопласты:

• поливинилхлорид;
• поливинилацетат;
• полиоксиметилен;
• полипропилен;
• полиамид;
• сополимеры бутадиена, стирола и акрилонитрила;
• поликарбонат;
• полистирол;
• полиэтилен;
• поливинилацетат.

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу.

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено: (–CH2–CH2–)n

Характерные признаки полимеризации. В основе полимеризации лежит реакция присоединения. Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Полимер	Мономер	Характеристики полимера	Применение полимера
Полиэтилен (–СН2–СН2–)n	Этилен СН2=СН2	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Упаковка, тара
Полипропилен	Пропилен СН2=СН–СН3	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Трубы, упаковка, ткань (нетканый материал)
Поливинилхлорид	Винилхлорид СН2=СН–Сl	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Натяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента и т.д
Полистирол	Стирол	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Упаковка, посуда, потолочные панели
Полиметилметакрилат Метиловый эфир метакриловой кислоты		Синтетический линейный полимер, термопластичный	Очки, корпуса фар и светильников, душевые кабины, мебель и т.д
Тефлон(политетрафторэтилен)	Тетрафторэтилен	Синтетический линейный полимер. Термопластичный (t = 260-3200C) Обладает очень высокой химической стойкостью	Посуда, пластины утюгов, ленты и скотч, упаковка, изоляция
Искусственный каучук Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)		Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Натуральный каучук Мономер: 2-метилбутадиен-1,3		Природный, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Хлоропреновый каучук Мономер: 2-хлорбутадиен-1,3		Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Бутадиен-стирольный каучук Мономеры: бутадиен-1,3 и стирол		Синтетический, эластомер	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Полиакрилонитрил	Акрилонитрил	Синтетический, линейный	Волокна, пластмассы

Применение

Без преувеличения можно сказать, что полимеры нашли применение абсолютно во всех областях деятельности и жизни человека. Синтетические полимеры используются в быту и промышленности как самостоятельные изделия, так и в качестве замены традиционных материалов или в комплексе с ними для получения уникальных характеристик.

Первое применение нашли искусственные полимеры. Самый яркий пример – резина. В настоящее время основная часть резиновых изделий выполняется из синтетического каучука, но имеется несколько областей применения, где до сих пор используется резина из натурального каучука.

Синтетический каучук

Полимеры обладают целым комплексом уникальных качеств, которых нет у традиционных материалов, или использование последних технологически и экономически нецелесообразно. Устойчивость к химическим реакциям в большом диапазоне температур и по отношению к большой группе активных химических соединений способствует большому распространению полимерных материалов в химии и химической промышленности.

Низкая токсичность, химическая устойчивость, отсутствие аллергических реакций позволило синтетическим полимерам найти широкое применение в медицине. Это искусственные органы, производство лекарств – от упаковок, до оболочек медицинских препаратов (таблеток, капсул), шовные материалы, клеи.

Пищевая упаковка из полимерных материалов

Те же самые качества используются и в пищевой промышленности для изготовления посуды, упаковочной тары для готовых продуктов и в процессе их производства. Себестоимость упаковки синтетической тары в несколько раз меньше, чем у картонной, бумажной или из иных натуральных материалов.

В промышленности высокомолекулярные полимерные соединения используются для производства конструкционных материалов, узлов трения, несущих конструкций, лаков и красок.

Благодаря превосходным электроизолирующим свойствам пластики практически полностью вытеснили натуральные материалы в электротехнической промышленности. Изоляция проводов, корпуса приборов, печатные платы изготавливаются на основе полимерных материалов. Жесткие обмоточные провода покрываются слоем синтетических лаков, при малой толщине обладающих высоким сопротивлением и прочностью, а гибкие монтажные проводники имеют оболочку из поливинилхлорида или полиэтилена, окрашенную в различные цвета для удобства обслуживании и ремонта.

На основе синтетических полимеров изготавливаются текстильные материалы большинства известных наименований. Ткани и одежда имеют в своем составе пряжу на основе полиамида, полиэстера, полипропилена. Как альтернатива натуральной шерсти выступает акрил, изделия из которого трудно отличить от натуральных.

Тот же самый полиамид, который служит заменой шелку, в монолитном состоянии имеет прочность, сравнимую со многими металлами. Если учесть, что полиамид, иначе называемый капрон или нейлон, химически инертен, а значит, не подвержен коррозии и имеет низкий коэффициент трения, то замена металлов синтетическими веществами вполне очевидна.

Еще более высокие качества имеют такие промышленные полимеры, как фторопласты – фторорганические соединения. Данные синтетические полимерные материалы имеют один из самых низких коэффициентов трения и самую высокую химическую устойчивость. Эти качества используются при производстве узлов трения, особенно в устройствах, работающих в агрессивной среде.

Когда нельзя произвести полноценную замену металлических конструкций искусственными материалами, выполняют покрытие металлической основы слоем пластика. Технологический процесс покрытия металла слоем пластика осуществляется таким образом, чтобы происходила связь основы и покрытия на молекулярном уровне. Этим достигается высокая прочность соединения.

Промышленные полимеры могут иметь самые различные виды. Используются как термопластичные материалы, так и термореактивные пластики. В первом случае для изготовления деталей и конструкций используется метод литья или прессовки при температуре размягчения полимера, а во втором пластмасса формируется непосредственно в виде готового изделия или полуфабриката с минимальной последующей обработкой.

Среди промышленных синтетических полимеров можно выделить композиционные материалы, в которых наполнителем или армирующей составляющей могут служить самые различные материалы, а связующим веществом выступает полимер.

Наиболее известны такие композиционные материалы:

• Стеклопластик – стекловолокно или ткань на его основе, пропитанные эпоксидной полимерной смолой. Данный композит имеет высокую прочность, отличные электроизоляционные свойства, устойчивость к неблагоприятным факторам, высокую огнестойкость.
• Углепластик – армирующим элементом здесь выступает углеродное волокно. Прочность и упругость конструкций из углепластиков, наряду с их легкостью (значительно легче металлов) послужили поводом для использования в аэрокосмическом направлении промышленности. Комплекс полезных качеств в этой области имеет более высокий приоритет, чем высокая стоимость, связанная с трудоемкостью получения углеродных волокон.
• Текстолит – тканевый слоистый материал, в котором слои ткани пропитаны полимерным материалом. Ткань используется натуральная или искусственная. Самый прочный и надежный вариант – стеклотекстолит, использующий ткань из стеклянного волокна;
• Порошковые композиты, имеющие наполнитель из порошкообразных материалов натурального или искусственного происхождения;
• Газонаполненные материалы – вспененные полимеры. Это всем известный поролон, пенопласт, пенополиуретан. Газонаполненные материалы обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью и используются в качестве теплоизоляционных материалов. Мягкость, пластичность наряду с прочностью послужили широкому распространению пенопластовых упаковочных материалов для нетяжелой, но требующей бережного обращения техники.

Карбоцепные и гетероцепные ВМС

Классификация полимеров по химическому составу основной полимерной цепи предполагает деление этих веществ на две большие группы.

• Карбоцепные, у которых основная цепочка макромолекулы ВМС состоит лишь из атомов углерода.
• Гетероцепные, в которых в главной цепочке находятся вместе с атомами углерода другие атомы, придающие данному веществу дополнительные свойства.

Каждая из этих больших групп состоит из следующих подгрупп, отличающихся строением цепочки, количеством заместителей, их составом, числом боковых ветвей:

• соединения с насыщенными связями в цепях, примером которых могут служить полиэтилен или полипропилен;
• полимеры с ненасыщенными связями в главной цепи, например полибутадиен;
• галогензамещенные высокомолекулярные соединения – тефлон;
• полимерные спирты, примером чего является поливиниловый спирт;
• ВМС, полученные на основе производных спиртов, пример — поливинилацетат;
• соединения, полученные на основе альдегидов и кетонов, такие как полиакролеин;

• полимеры, полученные на основе карбоновых кислот, представителем которых является полиакриловая кислота;
• вещества, полученные из нитрилов (ПАН);
• высокомолекулярные вещества, полученные из ароматических углеводородов, например полистирол.