Полимеры, их назначения. Строение полимеров

Полимеры, их назначения. Строение полимеров

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев.

Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают специфические свойства и их выделяют в особую группу соединений.

Отдельную группу составляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Различают неорганические, органические и элементорганические полимеры. Органические полимеры подразделяются на природные и синтетические. Мы рассматриваем органические синтетические полимеры.

Методы получения полимеров

1. Полимеризация – реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Побочных продуктов не образуется. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями С º С, С º N, С = С, С = О, С = N, либо соединения с циклическими группировками, способными раскрываться, например

В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул:

По числу участвующих мономеров различают: гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Поликонденсация – синтез полимера с несколькими функциональными группами, сопровождающийся образованием низкомолекулярных продуктов (H₂O, NH₃, HCl и др.).

Элементные составы полимеров и исходных веществ не совпадают, за счет образования низкомолекулярных продуктов.

Линейная поликонденсация:

® NH₂ - (CH₂)₅ - CO - NH - (CH₂)₅ - COOH + NH₂ - (CH₂)₅ - COOH ®

® NH₂ - (CH₂)₅ - CO - NH - (CH₂)₅ - CO - NH -(CH₂)₅ - COOH + H₂O и т.д.

Конечный продукт -капрон (поли - ε -капроамид)

[ - CO - NH - (CH₂)₅ -]_n

Трехмерная поликонденсация:

 

NH₂-CO-NH₂+CH₂O ® NH₂-CO-NH-CH₂OH

Мочевина формальдегид

 

NH₂-CO-NH-CH₂OH+CH₂O ® CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂OH

2CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂OH ®

®H₂O+CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂-O-CH₂-NH-CO-NH-CH₂OH

 

на 1 этапе синтезируется олигомер линейной структуры

[- CH₂ - NH - CO - NH - CH₂ - O]_n

на 2 этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением CH₂O и возникновением сетчатой структуры. Такой сетчатый полимер невозможно превратить в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термореактивным полимером.

Поликонденсация идет по ступенчатому механизму, при этом промежуточные продукты являются стабильными, т.е. поликонденсация может остановиться на любой стадии. ОбразующиесяH₂O, HCl, NH₃ (низкомолекулярные) могут взаимодействовать с продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление (гидролиз, аминолиз и др.), поэтому низкомолекулярные продукты приходится удалять из реакционной среды.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров (капрон - поликапроамид, найлон - полигексаметиленадипинамин, полиуретаны, фенолформальдегидные смолы и мочевиноформальдегидные).

Строение полимеров

Свойства полимеров

Химические свойства полимеров зависят от их состава, молекулярной массы и структуры, вследствие наличия двойных связей и функциональных групп. Отдельные макромолекулы могут²сшиваться² поперечными связями. Это процесс вулканизации и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые структуры.

При вулканизации происходит взаимодействие каучука с серой (0.5 - 5% серы) с образованием резины или эбонита (20% и более серы), например,

К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомолекулярными веществами относятся галогенирование, гидролиз и д.р.

Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под действием кислорода, света, теплоты, радиации. В результате деструкции уменьшается молекулярная масса макромолекул, изменяются физические и химические свойства полимеров и он становится непригодным для дальнейшего применения, Этот процесс называется старением полимеров. Чтобы замедлить этот процесс вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты.

Механические свойства полимеров определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул.

С ростом молекулярной массы механическая прочность возрастает, а также при переходе от линейных к разветвленным и далее к сетчатым структурам.

Стереорегулярные структуры имеют большую прочность, чем полимеры с разупорядоченной структурой. Самая высокая прочность у полимеров наблюдается в кристаллическом состоянии. Механическую прочность можно повысить добавлением наполнителей - сажи, мела, армированием стекловолокном.

Электрические свойства полимеров. Вещества делятся на диэлектрики, полупроводники и проводники.

Диэлектрики имеют очень низкую проводимость (< 10ˉ⁸ Омˉ¹×смˉ¹), которая увеличивается с повышением температуры.

Внешнее электрическое поле поляризует диэлектрики, т.е. определенно ориентирует молекулы. Внутри возникает собственное электрическое поле, которое ослабляет воздействие внешнего поля. Характеризуется это диэлектрической проницаемостью. При высоком напряжении внешнего электрического поля диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Это напряжение называется напряжением пробоя, а отношение напряжение пробоя к толщине диэлектрика - электрической прочностью.

Большинство полимеров относится к диэлектрикам и определяются эти свойства наличием полярных групп в макромолекулах (Clˉ, OHˉ, COOHˉ, и т.п.) - они ухудшают их диэлектрические свойства. Полимеры, не имеющие этих групп: фторопласт, полиэтилен - хорошие диэлектрики. Увеличение молекулярной массы улучшает диэлектрические свойства. При переходе отстеклообразного к высокоэластичному и вязкотекучему состояниям удельная электрическая проводимость возрастает. Для улучшения диэлектрических свойств необходимо удалять из полимеров ионы и примеси. OHˉ обуславливает гидрофильность полимеров. Они поглощают воду. В результате чего увеличивается электропроводность. OHˉ необходимо связывать между собой или с другими группами.

Диэлектрики применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей ионы и лаков.

Некоторые полимеры обладают полупроводниковыми свойствами (проводимость 10ˉ¹⁰ - 10ˉ⁴ Ом^–1.см^–1), это полимеры с сопряженными двойными связями, у них есть делокализованные p - электроны. К ним относят полиацетилен (-CH = CH -)_n, поливинилен и др.

Применение полимеров

Олигоэфиракрилаты

Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).

Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.

10.5.2. Термореактивные синтетические смолы

Полимеры, их назначения. Строение полимеров

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев.

Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают специфические свойства и их выделяют в особую группу соединений.

Отдельную группу составляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Различают неорганические, органические и элементорганические полимеры. Органические полимеры подразделяются на природные и синтетические. Мы рассматриваем органические синтетические полимеры.

Методы получения полимеров

1. Полимеризация – реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Побочных продуктов не образуется. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями С º С, С º N, С = С, С = О, С = N, либо соединения с циклическими группировками, способными раскрываться, например

В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул:

По числу участвующих мономеров различают: гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Поликонденсация – синтез полимера с несколькими функциональными группами, сопровождающийся образованием низкомолекулярных продуктов (H₂O, NH₃, HCl и др.).

Элементные составы полимеров и исходных веществ не совпадают, за счет образования низкомолекулярных продуктов.

Линейная поликонденсация:

® NH₂ - (CH₂)₅ - CO - NH - (CH₂)₅ - COOH + NH₂ - (CH₂)₅ - COOH ®

® NH₂ - (CH₂)₅ - CO - NH - (CH₂)₅ - CO - NH -(CH₂)₅ - COOH + H₂O и т.д.

Конечный продукт -капрон (поли - ε -капроамид)

[ - CO - NH - (CH₂)₅ -]_n

Трехмерная поликонденсация:

 

NH₂-CO-NH₂+CH₂O ® NH₂-CO-NH-CH₂OH

Мочевина формальдегид

 

NH₂-CO-NH-CH₂OH+CH₂O ® CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂OH

2CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂OH ®

®H₂O+CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂-O-CH₂-NH-CO-NH-CH₂OH

 

на 1 этапе синтезируется олигомер линейной структуры

[- CH₂ - NH - CO - NH - CH₂ - O]_n

на 2 этапе при нагревании в кислой среде происходит дальнейшая поликонденсация олигомера с выделением CH₂O и возникновением сетчатой структуры. Такой сетчатый полимер невозможно превратить в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термореактивным полимером.

Поликонденсация идет по ступенчатому механизму, при этом промежуточные продукты являются стабильными, т.е. поликонденсация может остановиться на любой стадии. ОбразующиесяH₂O, HCl, NH₃ (низкомолекулярные) могут взаимодействовать с продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление (гидролиз, аминолиз и др.), поэтому низкомолекулярные продукты приходится удалять из реакционной среды.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров (капрон - поликапроамид, найлон - полигексаметиленадипинамин, полиуретаны, фенолформальдегидные смолы и мочевиноформальдегидные).

Строение полимеров