Общие сведения о полимерах

Полимерами называют органические и неорганические вещества, которые состоят из мономерных звеньев, объединенных посредством координационных и химических связей в длинные макромолекулы.

Полимер считается высокомолекулярным соединением. Количество звеньев в нем называется степенью полимеризации. Она должна быть достаточно велика. В большинстве случаев число звеньев считается достаточным, если при присоединении очередного мономерного звена свойства полимера не меняются.

Чтобы понять, что такое полимер, необходимо принять во внимание то, как связываются молекулы в веществах данного вида.

Молекулярная масса полимеров может достигать нескольких тысяч и даже миллионов атомных единиц массы.

Связь между молекулами может быть выражена при помощи сил Ван-дер-Ваальса; в этом случае полимер называется термопластом. Если связь химическая, полимер называется реактопластом. Полимер может иметь линейную структуру (целлюлоза); разветвленную (амилопектин); или сложную пространственную, то есть трехмерную.

При рассмотрении строения полимера выделяют мономерное звено. Так называется повторяющийся фрагмент структуры, который состоит из нескольких атомов. В состав полимеров входит большое количество повторяющихся звеньев, имеющих сходное строение.

Образование полимеров из мономерных структур идет в результате так называемых реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относят ряд природных соединений: нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды, каучук. Значительное число полимеров получают путем синтеза на основе самых простых соединений.

Наименования полимеров образуются с использованием названия мономера, к которому присоединяется приставка «поли-»: полипропилен, полиэтилен и т.д.

Подходы к классификации полимеров

Для целей систематизации полимеров используются различные варианты классификаций по самым разным признакам. К ним можно отнести: состав, способ производства или получения, пространственную форму молекул и так далее.

С точки зрения особенностей химического состава полимеры подразделяются на:

  • неорганические;
  • органические;
  • элементоорганические.

Самая большая группа – органические высокомолекулярные соединения. Это каучуки, смолы, растительные масла, другие продукты растительного и животного происхождения. Молекулы таких соединений в главной цепи имеют атомы азота, кислорода и иных элементов. Органические полимеры отличает способность к обратной деформации.

Элементоорганические полимеры выделяют в особую группу. В основе цепи элементоорганических соединений лежат наборы радикалов, относящихся к неорганическому типу.

Неорганические полимеры могут не иметь в составе своих повторяющихся звеньев углерода. Эти полимерные соединения в своей главной цепочке имеют оксиды металлов (кальция, алюминия, магния) или кремния. У них отсутствуют боковые органические группы. Связи в главных цепочках отличаются высокой прочностью. К этой группе относятся: керамика, кварц, асбест, силикатное стекло.

В некоторых случаях рассматривают две большие группы высокомолекулярных веществ: карбоцепные и гетероцепные. У первых в основной цепочке лишь атомы углерода. У гетероцепных в главной цепочке могут быть иные атомы: они придают полимерам особые свойства. Каждая из этих двух больших групп имеет дробное строение: подгруппы различаются строением цепи, числом заместителей и их составом, количеством боковых ветвей.

По форме молекул полимеры бывают:

  • линейными;
  • разветвленными (в том числе и звездообразными);
  • плоскими;
  • ленточными;
  • полимерными сетками.

Свойства полимерных соединений

К механическим свойствам полимеров относят:

  • особую эластичность;
  • низкую хрупкость;
  • способность макромолекул ориентироваться вдоль линий направленного поля.

Растворы полимеров обладают сравнительно высокой вязкостью при небольшой концентрации вещества. При растворении полимеры проходят через этап набухания. Полимеры легко меняют свои физические и химические свойства при действии на них небольшой дозой реагента. Гибкость полимеров объясняется их значительной молекулярной массой и цепным строением.

В технике полимерные материалы нередко выступают в роли компонентов композитных материалов. Пример – стеклопластик. Существуют композитные материалы, компоненты которых являются полимерами разного строения и свойств.

Полимеры могут различаться по полярности. Это свойство влияет на растворимость вещества в жидкостях. Те полимеры, где звенья обладают значительной полярностью, называются гидрофильными.

Отличия между полимерами существуют также и по отношению к нагреву. К термопластичным полимерам относят полистирол, полиэтилен, полипропилен. При нагреве эти материалы размягчаются и способны даже плавиться. Охлаждение приведет такие полимеры к отвердению. А вот термореактивные полимеры в случае нагрева необратимым образом разрушаются, минуя стадию плавления. Данный вид материалов обладает повышенной упругостью, но такие полимеры не являются текучими.

В природе органические полимеры образуются в животных и растительных организмах. В частности, эти биологические структуры содержат полисахариды, нуклеиновые кислоты и белки. Такие компоненты обеспечивают существование жизни на планете. Принято считать, что одним из важных этапов формирования жизни на Земле стало появление высокомолекулярных соединений. Практически все ткани живых организмов – это соединения данного типа.

Среди природных высокомолекулярных веществ особое место занимают белковые соединения. Это «кирпичики», из которых строится «фундамент» живых организмов. Белки принимают участие в большинстве биохимических реакций, они отвечают за работу иммунной системы, за процессы свертывания крови, образование мышечной и костной ткани. Белковые структуры – необходимый элемент системы снабжения организма энергией.

Синтетические полимеры

Широкое промышленное производство полимеров началось чуть более ста лет назад. Однако предпосылки для введения в оборот полимеров появились гораздо раньше. К полимерным материалам, которые человек давно использует в своей жизни, относятся меха, кожа, хлопок, шелк, шерсть. Не менее важны в хозяйственной деятельности связующие материалы: глина, цемент, известь; при обработке эти вещества образуют полимерные тела, широко применяемые в строительной практике.

С самого начала промышленное производство полимерных соединений шло в двух направлениях. Первое предполагает переработку естественных полимеров в искусственные материалы. Второй путь – получение синтетических полимерных соединений из низкомолекулярных органических.

Применение искусственных полимеров

Крупное производство полимерных соединений изначально было основано на получении целлюлозы. Целлулоид был получен еще в середине XIX столетия. Перед началом Второй мировой войны организовано производство эфиров целлюлозы. На основе таких технологий производят волокна, пленки, лаки, краски. Развитие киноиндустрии и практической фотографии стало возможным лишь на основе прозрачной нитроцеллюлозной пленки.

Свой вклад в производство полимеров внес Генри Форд: бурное развитие автомобилестроения происходило на фоне возникновения синтетического каучука, которых пришел на смену каучуку натуральному. Накануне Второй мировой войны были разработаны технологии производства поливинилхлорида и полистирола. Эти полимерные материалы стали широко использоваться в качестве изолирующих веществ в электротехнике. Получение органического стекла, получившего название «плексиглас», сделало возможным массовое самолетостроение.

Уже после войны появились уникальные синтетические полимеры: полиэфиры и полиамиды, обладающие термостойкостью и высокой прочностью.

Некоторые полимеры имеют склонность к воспламенению, что ограничивает их применение в быту и технике. Чтобы предотвратить нежелательные явления, используют особые добавки. Другой путь – синтез так называемых галогенированных полимеров. Недостаток таких материалов в том, что при воздействии на них огня эти полимеры могут выделять газы, вызывающие разрушение электроники.

Наибольшее применение полимеры нашли в текстильной промышленности, машиностроении, сельском хозяйстве, судо-, автомобиле- и авиастроении. Широко используются полимерные материалы в медицине.