Полимеры и наука о полимерах

ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Ю. Д.СЕМЧИКОВ

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Допущено

Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности 011000 «Химия»

и направлению 510500 «Химия»

2-е издание, стереотипное

УДК 541. 64 ББК 24. 7я73 С30

Рецензенты:

доктор хим. наук, профессор, засл. деятель науки РФ В.П. Шибаев;

доктор хим. наук, профессор, засл. деятель науки РФ В.П. Зубов;

академик РАН Г. А. Абакумов

Семчиков Ю. Д.

С30

Высокомолекулярные соединения: Учеб. для вузов / Юрий Денисович Семчиков. - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 368 с.

ISBN 5-7695-1928-2

В учебнике рассмотрены современные представления о строении, свойствах, синтезе и химических превращениях полимеров, приведены сведения о важнейших природных и синтетических полимерах. Книга содержит все основные разделы физики и химии полимеров, включая сведения о последних достижениях в этих областях. Широкий охват материала, наряду с фундаментальностью, доступностью и иллюстративностью изложения, позволит читателю и, прежде всего, студенту, сформировать полную и ясную картину о физической природе и особенностях полимерного состояния вещества, не прибегая к разрозненным сведениям из отдельных учебных пособий.

Для студентов химических факультетов университетов. Может быть использован студентами и аспирантами химических специальностей других вузов, научными сотрудниками и инженерами, работающими в области высокомолекулярных соединений.

УДК 541. 64

ББК 24. 7я73

©Семчиков Ю.Д., 2003

©Издательский центр «Академия», 2005

ISBN 5-7695-1928-2

ОТ АВТОРА

Данный учебник предназначен для обучения студентов химических факультетов университетов по специальности 011000 «Химия» в рамках преобладающей в стране многоуровневой системы образования. Другими словами, он в равной степени может быть использован будущими бакалаврами, магистрами или студентами, выбравшими традиционную пятилетнюю форму обучения. Согласно сложившейся практике, в большинстве случаев они слушают один и тот же курс «Высокомолекулярные соединения» единым потоком. Для его усвоения в полном объеме необходимы предварительное ознакомление с курсами «Органическая химия», «Физика», «Физическая химия» и элементарные знания в области высшей математики.

Учебник в целом соответствует новой программе «Высокомолекулярные соединения», разработанной на одноименной кафедре МГУ. Его основное содержание составляют так называемые базовые знания, при этом особое внимание уделено тем из них, которые раскрывают физическую природу уникальных свойств полимеров. Соответствующие разделы, касающиеся молекулярной физики, упругости и вязкоупругости полимеров, сведены в отдельную главу. В книге приводится также материал, отражающий последние достижения науки о полимерах. Во многих случаях он сопровождается постраничными ссылками, что позволит проявившим интерес студентам получить информацию «из первых рук».

Основной мотив, побудивший меня написать эту книгу, связан с отсутствием до настоящего времени современного учебника для университетов по высокомолекулярным соединениям. Это обстоятельство снижает качество преподавания и создает угрозу утраты бесценного опыта старшего поколения, внесшего значительный вклад в развитие науки о полимерах. Мой 30-летний опыт лектора свидетельствует о том, что полноценное преподавание курса возможно при наличии нескольких учебников, каждый из которых имеет свою сильную сторону.

В заключение я хотел бы выразить глубокую благодарность всем, кто помогал мне в создании книги: академику В.А. Кабанову - за поддержку и ценные советы, моим коллегам профессору Л.А. Смирновой, профессору Д.Н. Емельянову, доценту С.Д. Зайцеву, доценту Н.А. Копыловой, аспиранту Ю.Е. Беганцовой за помощь в подборе материала, оформлении и проверке рукописи.

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ

СОЕДИНЕНИЯХ

Особенности полимерного состояния вещества

Полимеры и наука о полимерах

В зависимости от величины относительной молекулярной массы, далее называемой просто молекулярной массой, химические соединения подразделяют на три группы: низкомолекулярные соединения М < 10³, смолы 10³ < М < 104, высокомолекулярные соединения 10⁴ < М < 10⁶. Эти границы достаточно условны, они скорее отражают порядок величины, характерной для каждой группы. Молекулы высокомолекулярных соединений называются макромолекулами. Как правило, они состоят из большого количества повторяющихся звеньев, т. е. одинаковых групп атомов. Высокомолекулярные соединения называются полимерами, если их макромолекулы построены из повторяющихся звеньев одного типа, и сополимерами, если - из нескольких. Аналогично определяются смолы как олигомеры и соолигомеры. Соединения, из которых получаются (со)полимеры и (со)олигомеры, называются мономерами. Корни этих названий взяты из греческого языка, в котором «мер» означает «часть», «поли» - «много», «олиго» - «мало», «моно» - «один».

Процесс образования макромолекул из мономеров называется полимеризацией. В зависимости от механизма этой реакции мономеры объединяются в макромолекулы без изменения химического состава или с незначительными изменениями. Мономеры или мономерные остатки, последовательно связанные в макромолекулу, называются мономерными звеньями. Число мономерных звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации.

Рассмотрим на примере виниловых мономеров CH₂=CHZ, где Z - алкил, арил или любой другой заместитель, общую формулу полимера и олигомера:

где n - степень полимеризации, X и Y - концевые группы. Принципиальным отличием олигомеров от полимеров является зависимость физических свойств первых от n и природы X и Y. Поэтому приведенная выше формула применяется в основном к олигомерам, в случае полимеров используется упрощенный вариант:

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов.

Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Невозможно перечислить всех ученых, внесших вклад в формирование новой науки. Мы можем лишь упомянуть некоторых из тех, чьи имена связаны с развитием ключевых представлений: Г.Штаудингер, Г.Марк, П.Флори, Г.А.Александров, Ю.П.Лазуркин, В.А.Каргин, М.Ф.Волькенштейн. Их работы позволили установить цепной характер и механизм гибкости макромолекул, позволили объяснить и количественно описать основные свойства полимеров и их растворов. Мы не можем также не упомянуть тех ученых, чьи работы привели к открытию полимеров, получивших широкое практическое применение. И в данном случае невозможно перечислить всех ученых и инженеров, трудами которых созданы наиболее распространенные материалы нашего времени. Упомянем лишь Л.Бакеланда, организовавшего в 1906 г. первое производство синтетического полимера - фенолформальдегидной смолы, а также У.Карозерса, К.Циглера и Д.Натта, открывших человечеству мир полиамидов и полиолефинов.