Логотип Н.И. Лосева
ОБЩАЯ ХИМИЯ
Часть 3.

Содержание страницы:
Полимеры и олигомеры
Вопросы и задачи для самоконтроля

Полимеры и олигомеры

Полимеры - высокомолекулярные соединения (ВМС), с молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Олигомеры занимают промежуточное положение между низкомолекулярными соединениями и ВМС, молекулы их содержат 2 или несколько структурных звеньев.

Полимеры получают реакциями полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация - реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: С = С, С = О, С = С = С, С = N или с циклическими группами, способными раскрываться. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул.

  1. n CH2 = CH2 + n CH2 = CH2 → (- CH2 - CH2 - CH2 - CH2 -)n
                       этилен                                       полиэтилен
  2. n CH2 = CH - C6H5

                       стирол                        полистирол
  3. H2C = CH - CH = CH2 → ( - CH2 - CH = CH - CH2 - )n
              бутадиен                     бутадиеновый каучук

По числу видов участвующих мономеров различают гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и и более видов мономеров).

nСН2 = СН - СН = СН2 + nСН2 = СН - С6Н5 → ( - СН2 - СН = СН - СН2 - СН2 - СН - С6Н5)n

Поликонденсация - реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две и более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н2О, NH3, HCl, CH2O). Например, поликонденсация фенола с формальдегидом с образованием фенолформальдегидных смол.

Методом поликонденсации получают ~1/4 часть выпускаемых полимеров, например, капрон (связи - NH - CO -), найлон ( - NH - (CH2)6 - NH - CO - (CН2)4 - CO - )n, полисилоксаны

Полимер - вещество с очень высокой молекулярной массой, молекула которого состоит из большого числа повторяющихся группировок, имеющих одинаковое строение. Эти группировки называют структурными единицами или элементарными звеньями. Например, у полиэтилена - ( - СН2 - СН2 - ). Число элементарных звеньев, повторяющихся в макромолекуле, называется степенью полимеризации. Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.

Сетчатые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулканизации. Форма макромолекул влияет на структуру и свойства полимеров. Для линейных и разветвленных полимеров характерно высокоэластичное состояние. Они также обладают термопластическими свойствами, т.е. способны размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется.

Большинство полимеров обычно находятся в аморфном состоянии (стеклообразном). Однако, некоторые полимеры в определенных условиях могут иметь кристаллическую структуру.

Химические свойства полимеров зависят от состава, молекулярной массы и структуры. Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обусловливает повышение реакционной способности полимеров. Например, вулканизация каучука - сшивание макромолекул поперечными связями.

При вулканизации происходит взаимодействие каучука с вулканизирующим агентом, обычно с серой, с образованием резины (0,5-5% серы) или эбонита (20% и более серы).

К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомолекулярными веществами относятся галогенирование, гидратация и т.д. полиолефинов. Например,

Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под действием кислорода, света, тепла, радиации и др. В результате деструкции изменяются химические и физические свойства полимеров, в конце концов, полимеры становятся непригодными для дальнейшего применения. Процесс ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты, т.е. вещества, замедляющие реакции окисления (ароматические амины, фенолы и др.).

Механические свойства определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул. Особенности - высокоэластическое состояние в определенных условиях, механическое стеклование. С увеличением молекулярной массы возрастает механическая прочность полимеров.

В зависимости от степени полимеризации физические свойства полимеров могут быть различными. Так, полиэтилен с короткими цепями (n = 20) является жидкостью, обладающей смазочными свойствами, с n = 1500 - 2000 - твердый, но гибкий пластический материал (получают бутылки, посуду, пленки), с n = 5 - 6 тыс. - твердое вещество, из которого изготавливают жесткие трубы, литые изделия и т.д.

Материалы, получаемые на основе полимеров, - волокна (полиамид), пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиты: основа - полимер, синтетическая смола, армированные металлом, стекловолокном или другими наполнителями. Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие материалы в автомобильной, станкостроительной, авиационной, горнорудной промышленности, строительстве и химическом машиностроении. Большинство полимеров - диэлектрики. Полимерные диэлектрики широко применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий, кабелей, проводов, изоляционных эмалей и лаков.

Полиэтилен применяется для изготовления труб, деталей радиоаппаратуры, изоляционных пленок, оболочек кабелей, упаковочного материала, заменителей стеклотары.

Полистирол - электроизоляционный, декоративно-отделочный материал в приборостроении, радиотехнике, бытовой технике, производстве пенопластов - легких пористых пластмасс.

Фторопласт (тефлон) (- CF2 - CF2 - )n - самое инертное органическое вещество, обладающее высокой морозо- и теплоустойчивостью. Применяется в химической промышленности как химически стойкий конструкционный материал, покрытие для посуды.

Полиметилметакрилат (плексиглаз) - термопласт, получаемый методом полимеризации метилметакрилата:

Механически прочен, стоек к действию кислот, атмосферостоек. Применяется в электротехнике, как конструкционный материал, а также, как основа клеев.

Полиуретаны - термопласты, в основной цепи которых содержатся группы (- NH - CO - O -). Выпускаются в виде поролонов, эластомеров; используются в обувной промышленности, производстве резинотехнических изделий.

Синтетические каучуки: бутадиенстирольный (> 40%), бутадиеновый (13%), изопреновый (7%), хлоропреновый (5%), бутилкаучук (5%). Основная доля каучуков (60-70%) идет на производство шин, ~ 4% - на изготовление обуви.

Кремнийорганические полимеры (силиконы) содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул:

Применяются для производства изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например, для защитных покрытий космических аппаратов и т.д.

К олигомерам относятся многие синтетические термореактивные смолы (алкидные, фенолформальдегидные, эпоксидные и др.), жидкие каучуки, синтетические моторные топлива, смазочные масла и др.

Вопросы и задачи для самоконтроля

  1. Приведите схему сополимеризации акрилонитрила СН3СН2СN и винилацетата.
  2. Приведите схему поликонденсации терефталевой кислоты С6Н4(СООН)2 и этиленгликоля.
  3. Какие различия в свойствах у аморфных и кристаллических полимеров?
  4. В каких областях народного хозяйства используются полимерные материалы?
  5. Исходным сырьем для получения хлоропренового каучука является ацетилен:
    Ацетилен → винилацетилен → хлоропрен → полимер хлоропрена
    Напишите уравнения реакций получения хлоропренового каучука. Чем отличается каучук от резины?
  6. Приведите проекционные формулы фрагментов молекул натурального каучука и гуттаперчи.
  7. Один из видов бутилкаучуков получают сополимеризацией изобутилена и изопрена (2-3%) в присутствии хлорида алюминия. Составьте примерную схему образования бутилкаучука.
  8. Вулканизация каучука связана с взаимодействием серы с молекулами каучука. Приведите схему реакции серы с натуральным и бутадиеновым каучуками.
  9. Приведите примеры зависимости физических и химических свойств полимеров от их состава и структуры.
  10. Что такое деструкция полимеров, какие факторы ее вызывают?
Вернуться на начало страницы На главную страницу