Сырьевые источники

Огромное число полимеров можно подразделить на три основных класса, лежащих в основе принятой сейчас классификации.

К первому классу относится обширная группа карбоцепных полимеров, макромолекулы которых имеют скелет, построенный из атомов углерода. Типичными представителями полимеров этого класса можно назвать полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полиметилметакрилат, поливиниловый спирт и множество других. Фрагмент макромолекулы первого из них имеет следующее строение:

[-СН2-СН2-]n.

Ко второму классу относится не менее обширная группа гетероцепных полимеров, макромолекулы которых в основной цепи помимо атомов углерода содержат гетероатомы (например, кислород, азот, серу и др.). К полимерам этого класса относятся многочисленные простые и сложные полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, природные белки и т.д., а также большая группа элементоорганических полимеров: полиэтиленоксид (простой полиэфир); полиэтилентерефталат (сложный полиэфир) полиамид; полидиметилсилоксан.

Третий класс полимеров - высокомолекулярные соединения с сопряженной системой связей. К ним относятся различные полиацетилены, полифенилены, полиоксадиазолы и многие другие соединения. Примерами таких полимеров могут служить: полиацетилен; полифенилен; полиоксадиазол.

К этому же классу относится интересная группа хелатных полимеров, в состав которых входят различные элементы, способные к образованию координационных связей (они обычно обозначаются стрелками). Элементарное звено таких полимеров часто имеет сложное строение.
Среди многочисленных полимерных материалов наибольшее практическое применение пока находят материалы на основе представителей первого класса полимеров - карбоцепных высокомолекулярных соединений. Из карбоцепных полимеров можно получить ценнейшие материалы - синтетические каучуки, пластмассы, волокна, пленки и т.д., и исторически именно эти полимеры нашли первое практическое применение (получение фенолоформальдегидных смол, синтетического каучука, органического стекла и др.). Многие из карбоцепных полимеров стали впоследствии классическими объектами для исследования и создания теории механического поведения полимерных тел (например, полиизобутилен, полиметилметакрилат, полипропилен, фенолоформальдегидная смола и т.д.).

По способности к вторичной переработке полимеры подразделяются на термопласты и реактопласты. Рассмотрим первые подробнее. К термопластичным материалам или термопластам (thermoplast, thermoplastic) относятся полимеры, которые при нагревании в процессе переработки переходят из твердого агрегатного состояния в жидкое: высокоэластическое или вязкотекучее (литьевые термопласты переходят в вязкотекучее состояние). При охлаждении материала происходит обратный переход в твердое состояние. Поведение при нагревании отличает термопласты от термореактивных материалов или реактопластов (thermoset), которые отверждаются при переработке и не способны далее переходить в жидкое агрегатное состояние.

По происхождению различают:

1) Природные – целлюлоза, крахмал, лигнин, шеллак, канифоль;

2) искусственные – получаемые путем химической модификации природных соединений (нитрат целлюлозы, целлюлоид);

3) синтетические ВМС – полиэтилен, полистирол, фенольные смолы, карбамидные олигомеры, получаемые из простых исходных веществ по реакциям полимеризации и поликонденсации.

Синтетические материалы получают различными методами синтеза мономеров, путем модификации синтетических полимеров (привитые полимеры), путем химической модификации природных полимеров (искусственные полимеры).

По составу основной цепи макромолекул различают:

1) гомоцепные – полимеры, основная макромолекулярная цепь которых состоит из одинаковых элементов; если главная макромолекулярная цепь полимера состоит только из атомов углерода – он называется карбоцепным;

2) гетероцепные – это такие полимеры, в макромолекулах которых наряду с атомами углерода содержатся атомы различных элементов (N2, O2 , S и т.д.);

3) элементоорганические – это полимеры, основная цепь макромолекул которых содержит атомы кремния, алюминия, титана, никеля, а атомы углерода содержатся в боковых ответвлениях.

Под основной цепью полимеров понимают такую последова-тельность химически связанных атомов, имеющую существенно большую длину, чем длина боковых ответвлений.

В зависимости от характера размещения элементарных звеньев в макромолекуле различают регулярные и нерегулярные полимеры.

Молекула с регулярным строением построена из элементарных звеньев, соединенных друг с другом по типу «голова к хвосту»

… - СН₂ – СН – СН₂ – СН - …

│ │

Х Х

В молекуле нерегулярных полимеров звенья соединяются «голова к голове»

… - СН₂ – СН– СН – СН₂ -…

│ │

Х Х

Полимер, образованный из мономеров более одного типа, называется сополимером. Если в сополимерах различные элементарные звенья в цепи чередуются не беспорядочно, а входят в состав макромолекулы в виде блоков, такие сополимеры называются блок-сополимерами.

… - А – А – А – В – В – А – А – А – В – В - …

Можно получить сополимер, молекула которого имеет основную цепь из звеньев одного мономера, а ответвления – из звеньев другого мономера.

… - А – А – А– А – А – А - …

│ │

– В – В – В – В

Такие сополимеры называются привитыми.

По структуре макромолекулполимеры могут быть:

- с линейной структурой;

- с разветвленной структурой;

- с пространственной структурой.

Макромолекулы полимера с линейной структурой представляют собой совокупность мономерных звеньев, соединенных повторяющимся образом.

n×(~A~) _n ® (~A-A~) _m + (~A–A ~) _k + …,

где (~A-A~) макромолекула полимера с различной молекулярной массой.

Это в основном плавкие вещества, имеющие высокие физико-механические свойства. К ним относятся: натуральный каучук, целлюлоза.

Макромолекулы полимера с разветвленной структурой представляют собой длинные цепи, у которых имеются ответвления более короткие, чем основная цепь, но также состоящие из повторяющихся мономерных звеньев.

A – A ~

l

~ A – A – A – A –A – A

l l

A – A ~ A – A ~

К ним относятся порошкообразные растворимые вещества (например, крахмал). При растворении они почти не набухают, их растворы имеют невысокую вязкость.

Макромолекулы полимера с пространственной структурой характеризуются наличием цепей макромолекул, связанных между собой силами основных валентностей при помощи поперечных мостиков, образованных атомами или группами атомов.

~ A – A – A – A – A – A – A – A – A ~

l l

A B

l l

~ A – A – A – A – A - A – A – A – A ~

Пространственные полимеры с частым расположением поперечных связей называются сетчатыми полимерами. Наличие прочной химической связи между цепями исключает их взаимное перемещение, поэтому сетчатые полимеры не могут быть переведены в жидкое состояние без разрушения их структуры. Сетчатые полимеры в отличие от линейных и разветвленных не плавятся при нагревании и не растворяются в органических растворителях.

Для трехмерных полимеров понятие “молекула” теряет смысл, т.к. отдельные молекулы соединены между собой, образуя огромные макромолекулы. Такие структуры получают олигомеры в процессе отверждения.

По поведению при нагреванииразличают:

1) Термопластичные полимеры. К ним относятся полимеры линейной и разветвленной структуры, свойства которых обратимо изменяются при многократном нагревании и охлаждении.

2) Термореактивные полимеры. К ним относятся некоторые линейные и разветвленные полимеры, молекулы которых при нагревании соединяются между собой с образованием пространственных сетчатых структур, при повторном нагревании не размягчаются, а разрушаются, то есть становятся неплавкими и нерастворимыми.