Структуры высокомолекулярных соединений (полимеров)

Полимеры – вещества, состоящие из гигантских молекул, которые построены из множества связанных между собой атомов. Молекулярная масса полимеров колеблется от 10 до 50 тыс. углеродных единиц. В большинстве случаев полимеры содержат многократно повторяющиеся структурные элементарные звенья (мономеры).

Название полимера обычно характеризует состав элементарного звена полимера, например полиэтилен; СН₂–СН₂ – этилен мономер;

(–СН₂–СH₂)n – полимер (где n – показатель степени полимери­зации может иметь значения до 70000 и более).

Основная цепь обычно состоит из атомов углерода, иногда с чередованием атомов кислорода, серы, азота, фосфора. В цепь полиме­ров могут быть введены атомы кремния, титана и др. В зависимости от элементов, входящих в состав основной цепи, полимеры разделяют на карбоцепные – основная цепь состоит из атомов углерода (полиэ­тилен, полипропилен, полистирол); гетероцепные – в состав основной цепи, которых, кроме углерода, входят атомы кислорода, азота, серы (полиэфиры, полиамиды); элементоорганические – в основную цепь макромолекул, которых входят атомы кремния, алюминия, титана, ни­келя и других, отсутствующих в составе природных органических сое­динений.

Если звенья в макромолекуле однородные, то такие полимеры называют гомополимерами или просто полимерами. Полимеры, представ­ляющие собой сочетание звеньев двух или трех различных типов, на­зываются гетеро – или сополимерами.

Форма макромолекул, применяемых в производстве синтетических материалов может быть линейной, разветвленной и сетчатой (рис. 2).

а) А – А – А б) А

/

в) – А – А – А – А

|| /

– А – А – А – А – А – А – А – А –

| /

– А – А – А – В

/

А

/

– В – А – В – А –

Рис. 2. Форма макромолекул: а - линейная, б - разветвленная, в - сетчатая

Макромолекулы линейной структуры представляют собой совокупность мономерных звеньев, соединенных между собой химическими свя­зями в длинные цепи. Между отдельными цепями макромолекул дейст­вуют межмолекулярные силы физической природы. Специфические свой­ства полимеров проявляются тем ярче, чем больше величина химичес­кой связи отличается от величины межмолекулярного взаимодействия. Чем больше молекулярное взаимодействие, тем меньше полимеры отли­чаются от низкомолекулярных соединений и их поведение более сходно с поведением твердого тела. Межмолекулярное взаимодействие достигает максимума в том случае, когда цепи макромолекул связаны между со­бой поперечными химическими связями, образованными атомами или группам атомов. Такие полимеры называют сетчатыми. Даже при редком располо­жении поперечных связей сетчатые полимеры не способны растворяться в органических растворителях, но набухают в них. Пластичность таких полимеров при повышенной температуре значительно меньше по сравне­нию с пластичностью линейных полимеров. Промежуточное положение за­нимают разветвленные полимеры.

В качестве примера образования сетчатых (сшитых) полимеров можно указать на реакцию вулканизации каучука, при которой в ре­зультате действия серы соединяются отдельные цепочки между собой.

Высокомолекулярные соединения с линейной структурой макромо­лекул (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол) размягчаются при нагревании и снова отвердевают при охлаждении, сохраняя основные свойства, т.е. являются термопластичными веществами. Такие полимеры набухают или растворяются в различных растворителях. Высоко­молекулярные соединения, макромолекулы которых имеют структуру пространственной сетки, представляют собой твердые, стекловидные, нерастворимые и неплавкие вещества. Материалы, способные к обра­зованию молекул такого строения и отвердевающие при нагревании, называются термореактивными. Термореактивные полимеры после ох­лаждения не переходят при нагревании в пластическое состояние и ведут себя подобно древесине: при высокотемпературном нагреве они пре­терпевают деструкцию и загораются.