Полимеры — классификация, виды и основные свойства высокомолекулярных соединений

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.

Что такое полимеры

Синтетические полимеры – это производные нефти. Большую часть из них получают за счет двух основных реакций – полимеризации и поликонденсации.

В реакцию полимеризации вступают вещества, которые имеют кратные связи мономеров. В итоге получают один продукт.

В реакцию поликонденсации вступают вещества, которые имеют в цепочке функциональные группы мономеров. При этом на выходе получают высокомолекулярный полимер и низкомолекулярное вещество (вода).

Полимеры являются не только искусственно созданными человеком веществами, но и природным строительным материалом для всего живого.

К ним относятся:

• сложные углеводы

  – полимеры элементарных сахаров;

• белки

  – полимеры аминокислот;

  Читайте также:  Страны лидеры в мире по добыче железной руды, запасы руды по странам
• целлюлоза

  – полимер, находящийся в древесине;

• кератин

  – является полимером и содержится в волосах, ногтях и перьях птиц;

• хитин

  – полимер, скрепляющий панцири членистоногих;

• производные нуклеиновой кислоты

  – гетерополимеры ДНК.

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 Читайте также:  Проволока вязальная: как выбрать, применение и характеристики	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

Открытие полимеров

ХХ век вполне обоснованно можно назвать веком полимеров. Открытие их не было целенаправленным исследованием. Первоначально они были побочным продуктом в ходе различных экспериментов и химических реакций.

Химик Лео Бакеланд со временем обратил внимание на эти бесполезные материалы, и в ходе его экспериментальной работы была получена пластмасса — полимер, который при изменении температуры и давления может принимать различные формы. С момента изобретения бакелита (первоначальное название пластмассы) началась эра производства полимеров.

Во время Второй мировой войны для потребностей американской армии велись разработки синтетического каучука для производства резины. В ходе неудачных экспериментов так же был открыт новый полимер в виде мастики с повышенной упругостью. Это было время создания оргалитового стекла и смол на основе фенолформальдегида. В химии появилась отдельная отрасль – полимеры.

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).

Классификация полимеров

Полимеры имеют несколько классификаций.

В первую очередь их подразделяют по происхождению:

• природные

  – каучук, белки, картофельный и кукурузный крахмал, древесная целлюлоза;

• искусственные

  – вискоза;

• синтетические

  – капрон, полиуретаны.

Далее по молекулярной массе. Она указывает, насколько однородна молекула в ее химическом составе. От количества повторений одного структурного звена мономеров их построения зависит процент ее реакции и полимеризации. Поэтому в классификации большую роль играют дополнительные свойства.

Реактопласты и их сокращенные обозначения

• БФ – фенолоформальдегидный олигомер, совмещенный с поливинилбутиралем.
• КС – кремнийогранические смолы.
• МАС – меламиноальдегидные смолы.
• НПС – ненасыщенные полиэфирные смолы.
• ПИ – полиимиды.
• ПЭЭК – полиэфирэфиркетон.
• ПУ – полиуретаны.
• ППУ – пенополиуретаны.
• ФС – фурановые смолы.
• ФФС – фенолформальдегидные смолы.
• ЭС – эпоксидные смолы.

Разветвленность молекулы

В зависимости от структуры полимеры обладают разными свойствами.

Их формулы отображают разные виды и строение молекул:

• линейные

  – макромолекула состоит из одной цепочки мономеров;

• разветвленные

  – в линейной цепочке присутствуют ответвления;

• сетчатые

  – разветвленные макромолекулы имеют между собой связующие звенья.

Реакция на термическую обработку

Существует два вида:

1. Термопластичные

   – после нагревания возвращаются в исходную форму. Могут многократно подлежать переработке.

   Читайте также:  Термообработка, временные сопротивления, пределы текучести, пределы выносливости, допускаемые напряжения легированных конструкционных сталей.
2. Термореактивные

   – под воздействием высоких температур разрушаются.

В результате различных процессов переработки полученные полимеры делят на 4 основные группы:

• пластмассы

  – полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиуретан;

• волокна

  – ацетатный шелк, вискоза;

• эластомеры

  – каучук, резина (вулканизированный каучук);

• биополимеры

  — углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.

Свойства полимеров

В зависимости от того, имеют ли полимеры органический состав или являются производными неорганических соединений, проявляются их основные свойства:

• имеют высокую прочность при механическом воздействии;
• нет точно определенной температуры плавления;
• основная часть не растворима в воде;
• сохраняют способность к вязким течениям;
• не меняют своих качеств после нагревания и охлаждения;
• диэлектрики;
• пластичны, легко формуются;
• водостойкие.

Они могут быть мягкими, твердыми, гибкими, жесткими или прочными.

Разница между природными и синтетическими полимерами

Главное отличие

Основное различие между природными полимерами и синтетическими полимерами заключается в том, что природные полимеры — это полимерные соединения, доступные в нашей среде, тогда как синтетические полимеры — это полимерные соединения, которые мы производим искусственно, и их нельзя получить из природы .

Натуральные полимеры против синтетических полимеров

Полимеры — это макромолекулы, состоящие из небольших единиц, известных как мономеры. Полимеры содержат широкий спектр соединений, которые очень ценны в нашей повседневной жизни. Эти полимеры классифицируются по-разному; например, их классифицируют по структуре и физическим или химическим свойствам. Основная классификация полимеров включает две группы, называемые природными полимерами и синтетическими полимерами.

Природные полимеры — это полимерные соединения, которые встречаются в нашей окружающей среде, а синтетические полимеры — это полимерные соединения, которые отсутствуют в природе и производятся искусственно. Природные полимеры в основном встречаются трех типов: полиамиды, полисахариды и полинуклеотиды. Синтетические полимеры образуются с помощью многочисленных химических реакций. Таким образом, полимеры далее классифицируются по типу химической реакции, которая использовалась для их образования. Кроме того, синтетические полимеры классифицируются как неорганические полимеры или органические полимеры. Каучук встречается в природе, а также синтезируется человеком. Его можно собирать в виде молочной жидкости (латекса) с различных видов деревьев.

Натуральный каучук, который мы получаем из латекса дерева, в основном называют полимером, который содержит небольшой процент примесей и состоит из звеньев изопрена. С другой стороны, синтетический каучук можно получить путем полимеризации нескольких мономеров, в которые также входит изопрен.

Сравнительная таблица

Натуральные полимеры	Синтетические полимеры
Природные полимеры — это полимерные соединения, доступные в нашей среде.	Синтетические полимеры — это полимерные соединения, которые мы создаем искусственно, и они не могут быть получены природой .
Примеры
Наиболее распространенными примерами природных полимеров являются ДНК, целлюлоза, шелк, шерсть и белки.	Наиболее распространенными примерами синтетических полимеров являются полиэтилен, полиэстер, нейлон, тефлон и эпоксидная смола.
Типы
Природные полимеры обычно бывают трех типов: полиамиды, полисахариды и полинуклеотиды.	Синтетические полимеры обычно делятся на неорганические полимеры или органические полимеры. Поскольку они образуются с использованием многочисленных химических реакций, их дополнительно подразделяют на тип химической реакции, которая использовалась для их образования.
Вхождение
Природные полимеры встречаются в природе.	Синтетические полимеры не встречаются в природе.
Производство
Натуральные полимеры получают в результате биологических процессов.	Синтетические полимеры производятся химическими процессами.
Деградация
Почти все природные полимеры, которые есть в нашей окружающей среде, могут быть легко разложены биологическими процессами.	Большинство синтетических полимеров трудно разложить естественным путем с помощью биологических процессов.
Резина
Натуральный каучук, который мы получаем из латекса дерева, в основном называют полимером, который содержит небольшой процент примесей и состоит из звеньев изопрена.	Синтетический каучук получают путем полимеризации нескольких мономеров, в которые также входит изопрен.

Что такое натуральные полимеры ?

Природные полимеры — это полимерные соединения, доступные в нашей среде. Эти полимеры часто имеют водную основу. Наиболее распространенными примерами природных полимеров являются ДНК, целлюлоза, шелк, шерсть и белки. Природные полимеры — это полимерные соединения, которые обычно встречаются трех типов: полиамиды, полисахариды и полинуклеотиды. Полисахариды содержат полимеры, состоящие из моносахаридных звеньев.

Наиболее распространенными типами моносахаридов являются фруктоза, глюкоза, галактоза и т. Д. Полисахариды содержатся как в растениях, так и в животных. Например, крахмал — это полисахарид, который содержится в растениях как запасной углевод. Гликоген — это еще один полисахарид, который содержится у животных в форме запасающего углевода. Полиамиды содержат белки и все другие встречающиеся в природе полимеры, которые состоят из пептидных связей. Полинуклеотиды содержат ДНК и РНК, и они состоят из мономеров, которые называются нуклеотидами.

Что такое синтетические полимеры ?

Синтетические полимеры — это полимерные соединения, искусственно созданные людьми. Их производство осуществляется на заводах или в лабораториях в зависимости от необходимости. Натуральные полимеры послужили источником вдохновения для производства синтетических полимеров. После изучения химической структуры природных полимеров люди создали синтетические полимеры. Эти полимеры обычно получают из нефтяного масла.

Синтетические полимеры далее подразделяются на категории, которые зависят от метода производства и компонентов, которые используются в производстве, и т. Д. Например, некоторые полимеры образуются путем конденсационной полимеризации, а некоторые другие полимеры образуются путем аддитивной полимеризации. Кроме того, синтетические полимеры также можно разделить на органические или неорганические полимеры. Органические полимеры состоят из углеводородов, тогда как неорганические полимеры не содержат углеводородов.

Ключевые отличия

1. Природные полимеры — это полимерные соединения, доступные в нашей среде, тогда как синтетические полимеры — это полимерные соединения, которые мы создаем искусственно, и их нельзя получить из природы.
2. Наиболее распространенными примерами природных полимеров являются ДНК, целлюлоза, шелк, шерсть и белки, с другой стороны, наиболее распространенными примерами синтетических полимеров являются полиэтилен, полиэстер, нейлон, тефлон и эпоксидная смола.
3. Природные полимеры обычно бывают трех типов: полиамиды, полисахариды и полинуклеотиды; С другой стороны, синтетические полимеры обычно классифицируются как неорганические полимеры или органические полимеры. Поскольку они образуются с использованием многочисленных химических реакций, их дополнительно подразделяют на тип химической реакции, которая использовалась для их образования.
4. Природные полимеры встречаются в природе; с другой стороны, синтетические полимеры не встречаются в природе.
5. Природные полимеры получают в результате биологических процессов, а синтетические полимеры — в результате химических процессов.
6. Почти все природные полимеры, присутствующие в нашей окружающей среде, могут быть легко разложены биологическими процессами; с другой стороны, большинство синтетических полимеров трудно разлагать естественным путем с помощью биологических процессов.
7. Натуральный каучук, который мы получаем из латекса дерева, в основном представляет собой полимер, состоящий из звеньев изопрена, который также содержит небольшой процент примесей. И наоборот, синтетический каучук получают, когда происходит процесс полимеризации нескольких мономеров, в которые также входит изопрен.

Заключение

Вышеупомянутое обсуждение резюмирует, что природные полимеры и синтетические полимеры представляют собой две основные категории полимеров. В первом есть полимерные соединения, которые встречаются в природе, тогда как во втором есть соединения, которые производятся людьми и не встречаются в природе.

Применение полимеров

Без данных соединений не может развиваться и существовать современная цивилизация. Изделия, в основе которых лежит сырье с различным соединениями мономеров, необходимы как в повседневной жизни, так и для работы высокотехничных производств.

Предлагаемая таблица только в малой степени отображает примеры их применения.

Название полимерных соединений	Сфера применения
Полиэтилен	Упаковочные материалы, изоляция электропроводов, детали машин, емкости для хранения кислот и щелочей, защита от коррозии нефтепроводов.
Полистирол	Игрушки, детали бытовой техники, внутренняя облицовка салонов машин и самолетов, фурнитура, корпуса для электроники, посуда.
Поливинилхлорид	Детали машин, оборудование для химической промышленности, искусственная кожа, рамы для окон ПВХ.
Полиметилметакрилат	Органическое стекло, детали осветительных приборов, облицовка самолетов и машин.
Поликарбонаты	Особо точные детали машин и электроники, замена металлических конструкций, стройматериалы.
Эпоксидные смолы	Лаки, клей, ламинат.
Полиэстеры	Лампы, мачты, удочки, средства защиты, корпуса летательных аппаратов и машин.

Термопласты и их сокращенные обозначения

• АБС – привитой сополимер акрилонитрила, стирола с бутадиеновым или бутадиен-стирольным каучуком.
• АЦ – ацетат целлюлозы.
• ЛПЭНП – линейный полиэтилен низкой плотности.
• МС – сополимер стирола с метилметакрилатом.
• МСН – сополимер стирола с метилметакрилатом и акрилонитрилом.
• ПАН – полиакрилонитрил.
• ПА – полиамиды.
• ПАК – полиамидокислота.
• ПАР – полиарилаты.
• ПАС – полиалкилсульфон.
• ПБТ – полибутилентерефталат.
• ПВА – поливинилацетат.
• ПВС – поливиниловый спирт.
• ПВФ, фторопласт-1 – поливинилфторид.
• ПВХ – поливинилхлорид.
• ПВДФ, фторопласт-2 – поливинилиденфторид.
• ПВДХ – поливинилиденхлорид.
• ПИ – полиимиды.
• ПК – поликарбонаты.
• ПММА – полиметилметакрилат.
• ПО – полиолефины.
• ПП – полипропилен.
• ПС – полистирол.
• ППС – пенополистирол.
• ПСФ – полисульфон.
• ПТП – пентапласт.
• ПТФЭ, фторопласт-4, фторлон-4, тефлон – политетрафторэтилен
• ПТФХЭ, фторопласт-3. фторлон-3– политрифторхлорэтилен.
• ПУ – полиуретаны.
• ПФ – полиформальдегид.
• ПФО – полифениленоксид.
• ПЭ – полиэтилен.
• ПЭИ – полиэфиримид.
• ПЭВП, ПЭНД, ПНД – полиэтилен высокой плотности (низкого давления).
• ПЭНП, ПЭВД, ПВД – полиэтилен низкой плотности (высокого давления).
• ПЭО – полиэтиленоксид.
• ПЭСД – полиэтилен среднего давления.
• ПЭТФ – полиэтилентерефталат.
• САМ – сополимер стирола с α-метилстиролом.
• САН – сополимер стирола с акрилонитрилом.
• СТД – сополимер триоксана с диоксоланом.
• СФД – сополимер формальдегида с диоксаланом.
• ТАЦ – триацетат целлюлозы.
• ФН – фенилон.
• ХПЭ – хлорированный полиэтилен.
• ХСПЭ – хлорсульфированный полиэтилен.