Теоретическая часть. Полимерные материалы условно классифицируются на пластические массы (пластмассы), эластомеры (каучуки) и волокна

Полимерные материалы условно классифицируются на пластические массы (пластмассы), эластомеры (каучуки) и волокна.

Пластическими массами называются материалы, полученные на основе синтетических полимеров и способные под влиянием нагревания и давления формоваться и сохранять приданную им форму при обычных условиях. Кроме полимеров в состав пластических масс входят различные добавки: наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, отвердители.

По способу получения пластические массы делятся на две группы:

1) пластические массы на основе полимеров, получаемых реакциями полимеризации; сюда относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, политетрафторэтилен и др.;

2) пластические массы на основе полимеров, получаемых реакциями поликонденсации, к ним относятся фенолоформальдегидные, карбамидо- и меламиноформальдегидные полимеры, полиэфиры.

В зависимости от поведения при нагревании все пластические массы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются, а при обычных условиях снова переходят в твердое состояние без изменения первоначальных свойств. Этот процесс является обратимым. Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании или на холоду превращаются в твердые неплавкие и нерастворимые материалы. Этот процесс также является обратимым.

Пластические массы можно перерабатывать формованием, экструзией, литьем под давлением.

Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками. Эластомеры, типичными представителями которых является каучук, способны к изменениям формы (деформациям) под действием небольшой нагрузки и быстрому самопроизвольному возвращению в исходное состояние после снятия нагрузки. Эластомеры или каучуки в смеси с вулканизирующими агентами, наполнителями и другими ингредиентами перерабатываются в резину. В зависимости от свойств и области применения каучуки можно разделить на две группы: каучуки общего назначения и каучуки специального назначения.

Волокна можно разделить на два класса: н а тур а л ь н ы е и х и м и ч е с к и е. Химические волокна получают путем химической переработки природных и синтетических высокомолекулярных соединений.- В зависимости от природы исходного полимера химические волокна разделяются на искусственные и синтетические. К искусственным относятся волокна, получаемые химической переработкой природных высокомолекулярных соединений. К этой группе принадлежат волокна, перерабатываемые из целлюлозы я белков. К синтетическим относятся волокна, получаемые из синтетических высокомолекулярных соединений. К ним относятся полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные волокна.

По химическому составу цепи полимеры делятся на три класса. Карбоцепные полимеры, в которых основная цепь состоит только из углеродных атомов, непосредственно соединенных друг с другом.

К карбоцепным полимерам относятся натуральный каучук, полиэтилен, полипропилен и др.

Гетероцепные полимеры, в основной цепи которых содержатся атомы кислорода, азота, серы. К ним относятся полиизоцианаты, полиуретаны, полиэфиры и др.

Элементоорганические полимеры, в основной цепи которых содержатся атомы кремния, алюминия, титана и других элементов. К ним относятся полисилоксаны, полиалюмоксаты, полититаноксаны.

Полимерные соединения не являются химически индивидуальными веществами. Обычно они представляют собой смеси полимергомологов — соединений с различным числом элементарных звеньев в макромолекуле, т. е. с различной длиной цепи. Поэтому полимер можно характеризовать лишь величиной средней молекулярной массы.

По характеру чередования звеньев в полимерной цепи -сополимеры делятся на регулярные статистические (нерегулярные), блок-сополимеры и привитые сополимеры.

Статистические — это сополимеры, у которых звенья различных мономеров чередуются беспорядочно.

Статистическими сополимерами являются различные сополимерные каучуки (бутадиен-стирольные, бутадиен-нитрильные, этилен-пропиленовые). Блок-сополимеры состоят из чередующихся блоков, построенных из звеньев какого-либо одного типа.

П р и в и т ы е сополимеры — сополимеры, основная цепь которых состоит из звеньев какого-либо одного типа, а в боковых ответвлениях находятся звенья другого типа.

По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные и сетчатые.

Линейные макромолекулы представляют собой длинные гибкие цепи, образованные из множества отдельных звеньев. По характеру относительного расположения заместителей в пространстве различают следующие виды полимеров: стереорегулярные (заместители расположены в пространстве в определенном порядке) и нестереорегулярные. Если все заместители расположены по одну сторону воображаемой плоскости, такой полимер называется стереорегулярным изотактическим. Если заместители располагаются попеременно по обеим сторонам плоскости, такой полимер называется стереорегулярным синдиотактическим. Если же все заместители беспорядочно (случайно) размещаются по отношению к плоскости, то это нестереорегулярные атактические полимеры.

Р а з в е т в л е н н ы е полимеры состоят из макромолекул, имеющих боковые ответвления. Число, длина и взаимное расположение боковых ответвлений могут быть разными.

Сетчатые, или пространственные, полимеры состоят из макромолекул, связанных между собой поперечными химическими связями. Свойства полимеров зависят от их химического состава и строения, а также от взаимного расположения макромолекул и их агрегатов, т. е. от физической (надмолекулярной) структуры вещества.

Макромолекулы разных полимеров различаются строением, длиной, формой и степенью гибкости. Макромолекулы способны свертываться в клубки — глобулы, каждая из которых состоит из одной макромолекулы, или ориентироваться более или менее параллельно друг другу, образуя первичные простейшие структуры (пачки), являющиеся элементами более сложных надмолекулярных структур.

Синтез полимеров на основе низкомолекулярных соединений осуществляется посредством реакций полимеризации и поликонденсации

П о л и м е р и з а ц и я — реакция присоединения многих молекул мономера, приводящая к образованию высокомолекулярных веществ (полимеров) без выделения каких-либо побочных продуктов. По химическому составу мономер и полимер не различаются (гомополимеры). Схематически процесс полимеризации изображается так:

где А — звено мономера, а п — число звеньев в полимерной цепи.

Индекс п называется степенью полимеризации. Произведение степени полимеризации на молекулярную массу звена равно молекулярной массе полимера. На степень полимеризации влияют химическая природа мономера, условия полимеризации и другие факторы.

Сополимеризация- реакция присоединения двух или нескольких разных мономеров с образованием макромолекулы сополимера:

где А— звено одного мономера; В — звено другого мономера; АВ — молекула сополимера.

Поликонденсация — процесс образования высокомолекулярного соединения, протекающий с одновременным выделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов — воды, аммиака, спирта, хлороводорода и др. В отличиё от продуктов полимеризации продукты поликонденсации по химическому составу отличаются от исходных мономеров. Для осуществления поликонденсации необходимо, чтобы в молекулах исходных мономеров содержалось не менее двух функциональных реакционноспособных групп. Поликонденсация — процесс обратимый.

В зависимости от числа функциональных групп в мономере в результате поликонденсации могут образоваться линейные разветвленные или сетчатые полимеры. Если исходные мономеры содержат по две функциональные группы, образуются линейные полимеры; если в поликонденсации участвуют вещества, имеющие более двух функциональных групп, получаются разветвленные, или сетчатые, полимеры.

Существуют два вида поликонденсации — гомополиконденсация, в этом случае в реакцию вступают соединения, содержащие две одинаковые реакционноспособные группы; гетерополиконденсация — процесс поликонденсации разнородных веществ.

В реакции поликонденсации могут участвовать различные функциональные группы и атомы в самых разнообразных сочетаниях , поэтому при проведении этих реакций можно получать различные поликонденсационные полимеры.

На процесс поликонденсации влияют следующие факторы: вид функциональных групп мономеров, количество вступивших в реакцию исходных веществ и их соотношение, скорость и полнота удаления низкомолекулярных продуктов.