Общие сведения о полимерах

Полимеры — это химические соединения, молекулы которых состоят из многократно, регулярно или нерегу­лярно, повторяющихся атомных группировок (элемен­тарных звеньев), соединенных химическими связями в длинные цепи.

Значение полимеров велико, так как без них невоз­можно развитие отраслей, определяющих научно-техни­ческий прогресс. Без широкого использования надежных в эксплуатации, способных выдерживать высокое давле­ние и температуру полимерных материалов немыслимо развитие автоматики, атомной, авиационной и реактивной техники, производство электронно-вычислительных ма­шин. Создание защитных устройств радиолокационной аппаратуры, малогабаритных конденсаторов и мощных электродвигателей, высокочастотных кабелей, тепло- и звукоизоляционных устройств в самолето-, ракето- и су­достроении стало реальным лишь благодаря полимерам.

Все шире применяются полимеры в качестве конструк­ционного материала в производстве машин, строительст­ве и в быту. При этом некоторые их виды, в частности пластмассы, достигают прочности стали.

Полимеры являются важнейшим резервом экономии многих дефицитных видов материалов, наращивания вы­пуска продукции. Особенно успешно они заменяют чер­ные и цветные металлы. При этом повышается качество машин и оборудования, снижается их масса, улучшается внешний вид.

Применяемость полимеров обусловлена рядом специ­фических физико-химических свойств. Так, небольшая плотность полимеров сочетается с высокой прочностью, эластичностью, легкостью и химической стойкостью к различным агрессивным средам. Большинство из них обладает высокими диэлектрическими свойствами, име­ют низкую тепло- и температуропроводность. Новые по­лимерные материалы отличаются высокой термостойко­стью, полупроводниковыми свойствами, достаточной ме­ханической прочностью при эксплуатации. Полимеры нелетучие, могут образовывать волокна и пленки, отли­чающиеся высокой анизотропией свойств, их растворам характерна высокая вязкость.

Полимерам присущи и некоторые отрицательные свой­ства: способность к старению, снижение механических и физических свойств, а также ухудшение внешнего вида при повышенных температурах. Однако эти недостатки устраняются по мере появления новых, эффективных и экономичных полимерных материалов.

Универсальность свойств, высокая эффективность ис­пользования, возможность получения изделий доступны­ми и высокопроизводительными методами обусловили, особенно за последние 20 лет, неуклонный рост объемов производства полимерных материалов. Так, в СССР про­изводство пластмасс и синтетических смол возрастает на протяжении каждого пятилетия примерно в два раза.

Большинство полимеров в твердом состоянии пред­ставляет собой стеклообразные аморфные вещества, пе­реходящие обычно с повышением температуры в высокоэластичное, каучукоподобное состояние. При более вы­соких температурах они приобретают текучесть, а при дальнейшем нагревании их молекулы разрушаются.

Некоторые полимеры (полиэтилен, полиамиды, фто­ропласты) могут находиться в частично кристаллическом состоянии. По сравнению с аморфными полимерами они обладают большей прочностью на разрыв, твердостью, теплостойкостью.

В зависимости от молекулярной массы полимеры под­разделяются на высокомолекулярные, низкомолекулярные вещества и олигомеры.

Высокомолекулярными называются вещества, моле­кулярная масса которых от 5000 до нескольких миллио­нов условных единиц, низкомолекулярными — с молеку­лярной массой менее 500. Олигомеры занимают проме­жуточное положение. Их молекулярная масса — от 500 до 5000.

По происхождению полимеры подразделяются на при­родные и синтетические. К природным относятся живот­ные и растительные белки (альбумин, глобулин, казеин, каротин), углеводы (целлюлоза и крахмал), натуральный каучук и др., к синтетическим — полимеры, получаемые путем синтеза из простых низкомолекулярных веществ (мономеров).

По химическому составу полимеры подразделяются на органические (соединения углерода с органическими элементами), неорганические (полимеры селена, серы, теллура, германия и др.) и элементорганические, в зависимости от структуры — на линейные, разветвленные и пространственные, а по составу — карбоцепные (в глав­ной цепи молекул содержатся только атомы углерода), гетероцепные, гомополимерные (состоят из звеньев од­ного и того же состава) и сополимерные (совместные полимеры, состоящие из различных структурных звеньев).

По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи полимеры подразделяются на нерегулярные, регулярные и стереорегулярные. В регу­лярных полимерах мономерные звенья расположены в определенном порядке в плоскости, в стереорегуляр­ных — не только в плоскости, но и в пространстве.

С точки зрения эксплуатации и производства изделий важной является классификация полимеров в зависимос­ти от пластической деформации при нагреве. Они под­разделяются на термопластичные (термопласты) и тер­мореактивные (реактопласты).

Первые при повышенных температурах размягчают­ся, затем становятся вязкотекучими, а при охлаждении расплава отвердевают, причем сохраняют способность к повторной тепловой обработке, вторые (фенолформ­альдегидные, полиэфирные, эпоксидные и карбамидные смолы) при нагревании после размягчения переходят необратимо в твердое неплавкое состояние.

По способу получения полимеры подразделяются на полимеризационные и поликонденсационные. Полимери­зацией называется реакция многократного присоединения молекул мономеров за счет разрыва связей вещества без выделения побочных низкомолекулярных продуктов, при­чем образующиеся полимеры имеют тот же элементар­ный состав, что и исходные мономеры.

В зависимости от среды, в которой протекает реакция, и от метода выделения полимера различают пять основ­ных способов полимеризации: блочную, суспензионную, эмульсионную, в растворе и в газовой фазе.

К основным продуктам, получаемым полимеризацией, относятся полиэтилен, полиизобутилен, полиакрилонит­рил, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полиформ­альдегид, полиизопрен, полиацетальдегид.

Поликонденсация — химический процесс получения высокомолекулярных соединений из различных низко­молекулярных исходных веществ, сопровождающийся отщеплением побочных продуктов — воды, спирта, ам­миака, хлористого водорода и др. Образующиеся в результате этого полимеры отличаются по составу от ис­ходных веществ.

Путем поликонденсации получают большое количест­во высокомолекулярных соединений, обычно называемых смолами, которые используются для изготовления пласт­масс, синтетических волокон, лаков и других материа­лов.

Правильный выбор метода переработки позволяет сформировать структуру полимера, которая является одной из определяющих их свойств. Она также регули­руется такими технологическими приемами, как ориен­тация, текстурирование и радиационное облучение.