Основы химии и физики полимеров

В последние десятилетия высокомолекулярные соединения (полимеры) прочно вошли в нашу жизнь. Полимеры- особый вид материалов, обладающих в зависимости от строения молекул самыми разнообразными свойствами и применяемыми в самых различных сферах жизни и деятельности человечества: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и технике, во всех видах транспорта. Современная медицина, как и наш повседневный быт, немыслимы без использования широкого круга полимерных материалов.

В настоящее время полимеры занимают 4 место по объему среди производимых и добываемых материалов. Распределение производимых и добываемых материалов по объему представлено на рис. 1.1, а объем производства и ассортимент основных производимых полимеров – на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Место полимеров среди производимых и добываемых материалов

Рис. 1.2. Объем и ассортимент мирового производства полимеров

Какие же свойства отличают полимеры от обычных низкомолекулярных соединений (НМС) и позволяют выделить их в особый вид материалов?

Прежде всего, большая длина и гибкость макромолекул придают полимерам свойство высокоэластичности, т.е. способности к большим (порядка нескольких сотен процентов) обратимым деформациям.

Во-вторых, твёрдые полимерные тела - пластики сочетают высокие модули упругости, сопоставимые по величине с модулями упругости обычных твёрдых тел (неорганическое стекло, металлы, керамика), с высокими разрывными удлинениями (на порядок большими, чем у обычных твёрдых тел). Поэтому полимерные тела менее склонны к хрупкому разрушению.

В-третьих, благодаря высокой анизотропии формы макромолекул полимеров они легко ориентируются в механическом поле и образуют волокна с высокой прочностью в направлении ориентации.

Полимеры отличаются от низкомолекулярных соединений и тем, что при растворении проходят сначала через стадию набухания; вязкость разбавленных (до 1 %) растворов полимеров намного превышает вязкость растворов низкомолекулярных соединений той же концентрации. Концентрированные растворы и расплавы полимеров, как и все жидкости, обладают упруго-эластическими свойствами. Высокие молекулярные массы полимеров существенно расширяют спектр их времен релаксации по сравнению с низкомолекулярными жидкостями. Сочетание больших молекулярных масс с высокими межмолекулярными взаимодействиями обуславливают ряд аномальных вязко-упругих свойств полимерных жидкостей, не характерных для низкомолекулярных соединений.

Химические реакции полимеров протекают в большинстве случаев отлично от соответствующих реакций низкомолекулярных аналогов.

Перечисленные отличительные свойства полимеров позволили им войти в число наиболее широко используемых материалов.

Среди полимерных материалов, выпускаемых промышленностью, ведущие позиции занимают:

а) пластические массы и органические стекла;

б) синтетические каучуки;

в) синтетические и искусственные волокна;

г) плёнки и многочисленные декоративно-защитные покрытия (краски, лаки, эмали).

К высокомолекулярным соединениям относятся также и биологические полимеры (биополимеры), которые обладают рядом уникальных свойств, не характерных для низкомолекулярных соединений. Назовём некоторые из важнейших свойств биополимеров и их функции:

- нуклеиновые кислоты способны кодировать, хранить и передавать генетическую информацию на молекулярном уровне, являясь материальным субстратом наследственности;

- другой класс биополимеров - мышечные белки, способны превращать химическую энергию в механическую работу; эта их сократительная функция лежит в основе мышечной деятельности белков;

- ферменты, глобулярные белки, обладают каталитической функцией, они с большой скоростью и избирательностью осуществляют в живой природе все химические реакции обмена, распада одних и синтеза других веществ.

Все перечисленные выше особенности свойств полимеров связаны с их цепным строением. Именно цепное строение молекул полимеров является их важнейшим свойством, что позволяет дать им следующее определение:

Полимеры – особый класс химических соединений, специфика свойств которых определяется большой длиной, цепным строением и гибкостью составляющих их макромолекул.

n M → [ -M- ]_n

В свою очередь под макромолекулой понимают совокупность атомов или атомных групп, различных или одинаковых по составу и строению, соединённых химическими связями в линейную или разветвлённую структуру, достаточно высокой молекулярной массы.

Вещества, у которых размеры молекул очень велики и в тысячи раз превышают размеры обычных, называются высокомолекулярными (ВМС).

Мономеры- низкомолекулярные соединения, способные вступать в реакции полимеризации и поликонденсации.

Составное звено – любые атомы или группы атомов, входящие в состав цепи полимера.

Составное повторяющееся звено (СПЗ) – наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера.

Пример: молекула полистирола

- в скобках выделено составное повторяющееся звено, а эллипсом – составные звенья.

Во многих случаях составное повторяющееся звено совпадает с мономерным звеном:

Но могут быть и случаи, когда они не совпадают:

Составное повторяющееся звено у полиэтилена –

Мономерное звено –

Степень полимеризации гомополимера - это количество составных (повторяющихся) звеньев, которые входят в макромолекулу.

Среднечисловая молекулярная масса M_n – произведение среднечисловой степени полимеризации P_n и молекулярной массы составного повторяющегося звена M₀:

Достаточно высокая молекулярная масса полимеров - понятие относительное. Так, некоторые физико-химические свойства в ряду гомологов изменяются по кривой имеющей вид, представленный на рис. 1.3. Область I - резкое изменение свойств, например температуры плавления (Т_пл), приходится на низкомолекулярное соединение (до нескольких сотен у.е.). В области III исследуемое свойство (Т_пл) практически не зависит от молекулярной массы - это область высокомолекулярных соединений (молекулярные массы составляют десятки тысяч и выше, для многих полимеров молекулярные массы составляют несколько сотен тысяч у.е.). Наконец, промежуточной области II соответствуют олигомерные соединения с молекулярной массой от нескольких сотен до нескольких тысяч.

Рис. 1.3. Зависимость температуры плавления (Т_пл) от молекулярной массы алканов

Таблица 1.1.

Примеры изменения свойств и применения веществ в зависимости от числа атомов С в цепи

Вопросы для самостоятельной проработки:

1. Какое место занимают полимеры по объему производства в современной промышленности?

2. Назовите основные свойства полимеров, которые определяют их как особый вид материалов.

3. Дайте определение следующих понятий: полимер, высокомолекулярное соединение, макромолекула, составное звено, составное повторяющееся звено.

4. Напишите уравнение, определяющее взаимосвязь молекулярной массы и степени полимеризации.

5. Понятие о НМС, олигомере и полимере.