Состав, структура и свойства полимеров

Полимеры, или высокомолекулярные соединения, – вещества с молекулами, состоящими из сотен или тысяч атомов, соединенных между собой валентными связями. Молекулы полимеров состоят из многократно повторяющихся звеньев. Например, молекулу широко распространенного в строительных материалах полимера поливинилхлорид можно представить так:

…─СН₂─СН─СН₂─СН─СН₂─СН─СН₂─СН─…

│ │ │ │

Cl Cl Cl Cl

или в краткой форме: (─CH₂─CHCl─)_n, где в скобках - повторяющееся звено полимера, n – степень полимеризации, т.е. среднее число таких звеньев в молекуле.

Полимеры могут быть природными или искусственными. Искусственные полимеры получают модификацией природных высокомолекулярных соединений или синтезом из низкомолекулярных веществ. В последнем случае полимеры называют синтетическими. Синтетические полимеры получают путем полимеризации или поликонденсации.

Пример реакции полимеризации – получение приведенного выше поливинилхлорида:

n CH₂═CHCl → (─CH₂─CHCl─)_n,

где вещество в левой части (мономер) называется винилхлорид.

В реакцию поликонденсации вступают два мономера. В результате получается полимер и отщепляется низкомолекулярное вещество, чаще всего, вода. Например, фенолоформальдегидные смолы получают из фенола (C₆H₅OH) и формальдегида (CH₂O) по схеме:

x C₆H₅OH + y CH₂O = смола (полимер) + H₂O

Молекулы полимеров (их называют также "макромолекулы") могут иметь линейную (двумерную) или пространственную (трехмерную) структуру. Если одну макромолекулу представить в виде нити, моделью полимера линейной структуры будет клубок спутанных длинных обрезков ниток. Между отдельными линейными молекулами и даже между отдельными частями макромолекулы существуют силы межмолекулярного притяжения, которые могут приводить к некоторой упорядоченности в расположении молекул. При повышении температуры усиливается тепловое движение, и молекулы линейного полимера передвигаются относительно друг друга, меняется форма молекул, полимер постепенно плавится. При растворении в органическом растворителе молекулы отдаляются друг от друга, каждая отдельная макромолекула образует частицу (например, клубок) коллоидных размеров. Поэтому растворы линейных полимеров вполне подобны коллоидным растворам.

В полимерах трехмерного строения молекулы-нити связаны между собой поперечными цепочками, образуя пространственную сеть. Весь кусок пространственного полимера представляет собой как бы одну огромную макромолекулу. Чем больше поперечных связей в молекуле полимера, тем он оказывается более жестким, неплавким и нерастворимым в органических растворителях.

По типу отверждения (в частности, при использовании синтетических полимеров в качестве вяжущих веществ) их делят на две группы: термопластичные полимеры, или термопласты, и термореактивные полимеры, или реактопласты.

Свойства термопластов.

Термопластами называют полимеры, способные обратимо отверждаться при охлаждении. При нагревании такие полимеры размягчаются, плавятся, а при последующем охлаждении затвердевают. Процесс плавления/отвердевания можно повторять неоднократно. Это свойство термопластов обусловлено линейным строением их макромолекул. К термопластам относится все, что сказано выше о полимерах линейной структуры

Термопластичные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Переходы из одного состояния в другое можно проследить с помощью так называемой термомеханической кривой. Для ее построения образец полимера, к которому приложено постоянное растягивающее напряжение, помещают в камеру, где постепенно повышают температуру. При разных температурах фиксируют величину деформации образца и строят график зависимости деформации от температуры (рис. 8.3).