Классификация полимеров и свойства полимеров

По происхождению полимеры разделяют на природные (натуральный каучук, целлюлоза, белки, природные смолы и др.), искусственные (полученные переработкой природных полимеров, например, нитроцеллюлоза) и синтетические (полиэтилен, полистирол, полиамиды, фенолоформальдегидные, карбамидные, эпоксидные смолы и др.).

По химическому составу макромолекул подразделяются на органические (молекулы содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода и серы, входящие в состав главной цепи и боковых групп), элементоорганические (в составе основной цепи встречаются атомы неорганических элементов – Ti, Si, Al и др.), неорганические (не содержат в составе макромолекул атомов углерода).

По форме макромолекул различают полимеры линейные (макромолекулы - длинные, зигзагообразные или спиралевидные цепочки); разветвлённые (относятся к линейным, но с боковыми ответвлениями); лестничные или ленточные (макромолекулы состоят из двух цепей, соединённых химическими связями); пространственные или сетчатые (образуются при «сшивке» линейных или разветвлённых макромолекул прочными поперечными химическими связями).

По структуре полимеры делятся на аморфные и кристаллические. Аморфные полимеры имеют вид стеклообразного (полистирол), каучуко- или кожеподобного (полибутадиен и др.) материала, их размягчение при нагреве происходит в широком интервале температур. Кристаллические полимеры (полиэтилен низкого давления и др.) имеют упорядоченное расположение молекул вследствие сил межмолекулярного взаимодействия. Такие полимеры обладают резко выраженной температурой размягчения и достаточной прочностью. В реальных полимерах полной кристаллизации не происходит.

По отношению к нагреву полимеры делятся на термопласты и реактопласты. Первые способны обратимо размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, т.е. могут быть подвергнуты повторному формованию; вторые при нагреве претерпевают химические изменения и непригодны для повторного формования.

Свойства полимеров определяются не только химическим составом молекул, но и их взаимным расположением и строением. От формы макромолекул зависят такие свойства, как эластичность, прочность, реакция на нагревание, химическая стойкость и т.д. Так, линейные полимеры характеризуются высокой эластичностью, обратимо размягчаются и затвердевают при тепловом воздействии, многие из них хорошо растворяются в растворителях. Из линейных полимеров получают волокна, плёнки (полиэтилен, полиамиды и др.). Разветвлённые полимеры (полиизобутилен) имеют низкую прочность, хорошо растворяются в растворителях. Ленточные полимеры (кремнийорганические) обладают повышенной прочностью и теплостойкостью по сравнению с линейными, не растворяются в стандартных органических растворителях. Редкосетчатые полимеры (мягкие резины) теряют способность растворяться и плавиться, но обладают высокой эластичностью; густосетчатые имеют высокую твёрдость, повышенную термостойкость, нерастворимость.

В зависимости от температуры полимер может находиться в трёх различных состояниях: стеклообразном (застеклованном), высокоэластическом и вязкотекучем. Состояние полимера определяет его свойства, в частности, механические.

Так, при низких температурах у застеклованного полимера тепловое движение молекул недостаточно для преодоления межмолекулярных сил, и при нагружении он ведёт себя как упругое твёрдое тело – переориентации частиц в направлении приложенной силы не происходит. При быстром нагружении произойдёт хрупкое разрушение.

При превышении определённой температуры (температуры стеклования), кроме теплового движения молекул, будет наблюдаться подвижность звеньев и сегментов макромолекул. Поэтому под действием напряжений, кроме упругой деформации, происходит выпрямление скрученных участков молекул, но сами молекулы в целом не перемещаются в новые положения. Достигаемые в этих условиях деформации могут быть очень велики, при этом они обратимы: после снятия нагрузки молекулы возвращаются в прежнее состояние, сегменты скручиваются, и размеры тела восстанавливаются. Этот процесс протекает уже не мгновенно, т.к. время релаксации указанных перемещений достаточно велико. Такое состояние полимера называется высокоэластическим. Материалы, у которых температура стеклования ниже комнатной, при нормальной температуре являются каучукоподобными, мягкими, податливыми.

При дальнейшем нагреве достигается температура текучести, выше которой подвижны уже целые макромолекулы, и под нагрузкой они перемещаются относительно друг друга. Такая деформация необратима: полимер течёт, как вязкая жидкость, причём с ростом температуры вязкость уменьшается. Это состояние называется вязкотекучим.

У кристаллических полимеров наблюдается дополнительный переход, характеризуемый температурой плавления.

Во время эксплуатации и хранения полимеров в них могут происходить самопроизвольные, необратимые превращения в структуре, которые вызывают изменение свойств. Это явление называется старением и происходит под действием света, тепла, кислорода, озона, деформации и других факторов.