Строение и свойства полимеров

Основой пластических масс являются полимеры – высокомолекулярные соединения, состоящие из длинных цепных молекул, образованных многократным чередованием одинаковых групп атомов, которые соединены между собой химическими связями. Молекулы полимеров из-за больших размеров называют макромолекулами, а многократно повторяющиеся группы атомов – элементарными звеньями. Например, элементарным звеном полиэтилена -СН₂-СН₂-СН₂- является участок цепи -СН₂-. При добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев комплекс свойств полимера практически не изменяется. Полимеры получают реакцией полимеризации или поликонденсации низкомолекулярных веществ (мономеров). Молекулы этих веществ вступают в реакцию друг с другом при наличии ненасыщенных связей или химически активных групп.

Реакция полимеризации – процесс соединения, укрупнения молекул исходных веществ без выделения побочных продуктов.

Реакция поликонденсации – процесс последовательного присоединения нескольких молекул мономера, сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, например воды, аммиака. Реакцией поликонденсации получают фенолоальдегидные, аминоальдегидные, полиэфирные и другие синтетические смолы.

Сополимеризацией получают полимерные материалы, в которых сочетаются положительные свойства нескольких полимеров. Например, обычный полистирол характеризуется хрупкостью, невысокой теплостойкостью, склонностью к старению. Если полимеризацию мономера стирола провести совместно с другими мономерами, например с метилметакрилатом, то полученный сополимер (марка МС) оказывается более теплостойким, менне подверженным старению, имеет лучшие механические характеристики.

Полимеры, состоящие из элементарных звеньев одинакового химического строения, называют гомополимерами, например А-А-А (А – условное обозначение элементарного звена).

Полимеры, молекула которых содержит элементарные звенья разного строения, называют сополимерами; в этом случае в реакцию полимеризации вступают молекулы не одного, а двух или нескольких мономеров. Схематично сополимеры можно представить как … А-А-А-В-В-В-А-А-А-В-В-В-…

Свойства полимера во многом зависят от химического строения макромолекулы – основной структурной единицы полимера. Например, наличие в цепи элемента хлора – CL обуславливает негорючесть полимеров, наличие нитрильной группы – CN- светостойкость, наличие гидроксильных и карбоксильных групп – ОН, - СООН – влагопоглощение. Ввекдение полярных групп (-ОН, - СООН, -СN и проч.) значительно повышает межмолекулярное взаимодействие, что ведет к увеличению прочности, твердости и теплостойкости полимера, но снижает морозостойкость и диэлектрические свойства.

Свойства полимеров обусловливаются также характером расположения элементарных звеньев макромолекулы.

По строению различают полимеры:

- линейные – элементарные звенья располагаются в виде длинных цепей;

- разветвленные – основная цепь имеет боковые ответвления;

- сетчатые (сшитые), построенные из цепных молекул, - образуются в процессе синтеза сначала в виде длинных цепей, между которыми при определенных условиях возникают поперечные связи. Происходит химическая реакция «сшивания». Она лежит в основе получения ряда полимерных материалов, например получения резины путем вулканизации каучуков серой. Свойства сетчатых полимеров зависят от количества поперечных связей. С увеличением количества сшивок, т.е. частоты сетки, повышаются жесткость, твердость, теплостойкость. Типичными представителями сетчатых полимеров являются фенолоформальдегидные, аминоальдегидные и другие смолы.

По характеру расположения молекул выделяют два фазовых состояния:

- кристаллическое – макромолекулы упорядоченно расположены относительно друг друга. С повышением кристалличности увеличиваются прочность, жесткость, плотность полимеров, но снижаются их эластичность и способность окрашиваться;

- аморфное – макромолекулы располагаются неупорядоченно.