Полимеры

Полимеры — это высокомолекулярные соединения, вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев — мономеров, соединённых между собой химическими связями. Полимеры обладают уникальным комплексом свойств, отличающих их от низкомолекулярных веществ: способностью к значительным обратимым деформациям (эластичность), анизотропией механических свойств (в ориентированном состоянии), способностью к набуханию и образованию плёнок и волокон. Полимеры являются основой многих природных материалов (биополимеры) и синтетических материалов, широко применяемых во всех сферах человеческой деятельности.

История

Первые сведения о полимерах относятся к природным веществам. Ещё в древности люди использовали натуральный каучук, шёлк, шерсть, целлюлозу (в виде древесины, хлопка, льна), крахмал и белки. Однако научное понимание природы полимеров пришло лишь в XIX—XX веках.

Ранние исследования

В 1839 году Чарльз Гудьир (США) открыл процесс вулканизации каучука, что позволило получать резину — эластичный материал, не теряющий свойств при изменении температуры. В 1862 году Александр Паркс (Великобритания) получил первый искусственный полимер — паркезин (нитроцеллюлоза, пластифицированная камфорой). В 1909 году Лео Бакеланд (Бельгия, США) синтезировал бакелит — первую полностью синтетическую смолу, ставшую основой для промышленности пластмасс.

Теоретическое обоснование

Долгое время считалось, что полимеры — это коллоидные агрегаты малых молекул. В 1920-х годах немецкий химик Герман Штаудингер предложил макромолекулярную теорию, согласно которой полимеры состоят из длинных цепных молекул, соединённых ковалентными связями. За эту работу он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1953 году. В 1930-х годах Уоллес Карозерс (США) разработал теорию поликонденсации и синтезировал нейлон — первое синтетическое волокно.

Развитие промышленности

В середине XX века началось бурное развитие промышленности полимеров. Были разработаны технологии получения полиэтилена (1933, Великобритания), полистирола (1930-е, Германия), поливинилхлорида (ПВХ), полипропилена (1954, Джулио Натта, Италия). В СССР значительный вклад в науку о полимерах внесли В. А. Каргин, П. П. Кобеко, С. С. Медведев. К концу XX века объём мирового производства синтетических полимеров превысил 300 миллионов тонн в год.

Классификация

Полимеры классифицируют по нескольким основным признакам.

По происхождению

• Природные (биополимеры): белки (коллаген, кератин, фиброин), полисахариды (целлюлоза, крахмал, хитин), нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), натуральный каучук.
• Искусственные: получают химической модификацией природных полимеров (например, ацетатное волокно из целлюлозы, вискоза, целлофан).
• Синтетические: получают синтезом из низкомолекулярных веществ (мономеров). Примеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, силиконы.

По химическому составу основной цепи

• Гомоцепные (карбоцепные): основная цепь состоит только из атомов углерода. Примеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, политетрафторэтилен (тефлон).
• Гетероцепные: в основной цепи, помимо углерода, содержатся атомы кислорода, азота, серы, кремния и других элементов. Примеры: полиэфиры (полиэтилентерефталат — ПЭТФ), полиамиды (нейлон, капрон), полиуретаны, полисилоксаны (силиконы).

По пространственной структуре

• Линейные: макромолекулы представляют собой длинные цепи, не связанные между собой химически. Такие полимеры обычно термопластичны (способны плавиться и растворяться). Пример: полиэтилен высокого давления.
• Разветвлённые: от основной цепи отходят боковые ответвления. Свойства близки к линейным, но отличаются меньшей кристалличностью и вязкостью расплава. Пример: полиэтилен низкого давления.
• Сетчатые (сшитые, трёхмерные): макромолекулы соединены между собой поперечными химическими связями, образуя единую пространственную сетку. Такие полимеры не плавятся и не растворяются, а только набухают. Примеры: вулканизированный каучук (резина), фенолформальдегидные смолы (бакелит), эпоксидные смолы.

По отношению к нагреванию

• Термопласты: при нагревании обратимо размягчаются и плавятся, при охлаждении затвердевают. Пригодны для многократной переработки. Большинство линейных и разветвлённых полимеров являются термопластами.
• Реактопласты (термореактивные): при нагревании сначала размягчаются, а затем необратимо отверждаются, образуя сетчатую структуру. Повторная переплавка невозможна. Примеры: фенолформальдегидные, мочевиноформальдегидные, эпоксидные смолы.

По способу синтеза

• Полимеризационные: получают реакцией полимеризации (цепной процесс) из мономеров, содержащих кратные связи (например, этилен, стирол, винилхлорид).
• Поликонденсационные: получают реакцией поликонденсации (ступенчатый процесс), при которой мономеры взаимодействуют с выделением низкомолекулярных побочных продуктов (вода, аммиак, хлороводород). Примеры: полиамиды, полиэфиры, полиуретаны.

Свойства

Свойства полимеров определяются их химическим составом, молекулярной массой, структурой макромолекул и надмолекулярной организацией.

• Механические: высокая эластичность (каучуки), прочность (волокна, конструкционные пластики), твёрдость, износостойкость, ударная вязкость. Многие полимеры способны к значительным обратимым деформациям (высокоэластическое состояние).
• Термические: температура плавления (для кристаллических полимеров), температура стеклования (переход из стеклообразного в высокоэластичное состояние), термостойкость (способность сохранять свойства при нагреве). Большинство полимеров — диэлектрики.
• Химические: стойкость к действию воды, кислот, щелочей, органических растворителей. Многие полимеры химически инертны, что обусловливает их применение в агрессивных средах. Некоторые полимеры (например, полиэтилен) устойчивы к биологическому разложению.
• Оптические: прозрачность (полиметилметакрилат — оргстекло), способность к окрашиванию, блеск.
• Технологические: способность к формованию (литьё под давлением, экструзия, прессование), сварке, склеиванию, механической обработке.

Применение

Полимеры проникли во все сферы человеческой деятельности.

• Пластмассы: конструкционные и декоративные материалы для машиностроения, автомобилестроения, авиастроения, электроники, строительства (трубы, панели, изоляция), производства товаров народного потребления (посуда, игрушки, упаковка).
• Волокна: синтетические ткани (полиэстер, нейлон, акрил), технические ткани (корд для шин, канаты, фильтры), нетканые материалы (спанбонд, геотекстиль).
• Эластомеры (каучуки и резины): шины, уплотнители, прокладки, амортизаторы, обувь, медицинские изделия (перчатки, катетеры).
• Плёнки и упаковка: пищевая упаковка (полиэтилен, полипропилен, ПЭТФ), строительные плёнки (гидроизоляция, паробарьеры), термоусадочные плёнки.
• Лакокрасочные материалы: связующие вещества для красок, лаков, эмалей, клеев.
• Медицина: имплантаты (полиэтилен высокой плотности, политетрафторэтилен), шовные материалы, системы доставки лекарств, контактные линзы, протезы.
• Электроника: диэлектрики для изоляции проводов и кабелей, подложки для печатных плат, корпуса приборов, материалы для 3D-печати.
• Строительство: теплоизоляция (пенополистирол, пенополиуретан), звукоизоляция, гидроизоляция, отделочные материалы, клеи, герметики.

Экологические аспекты

Широкое использование синтетических полимеров, особенно в упаковке и одноразовых изделиях, привело к серьёзной экологической проблеме — загрязнению окружающей среды пластиковыми отходами. Большинство традиционных полимеров (полиэтилен, полипропилен, полистирол, ПВХ) не разлагаются в природных условиях в течение сотен лет. Они накапливаются в почве, водоёмах и океане, образуя, в частности, так называемые «пластиковые острова» и микрочастицы (микропластик), которые попадают в пищевые цепи.

Для решения этой проблемы разрабатываются и внедряются:

• Биоразлагаемые полимеры: полимеры, способные разлагаться под действием микроорганизмов и факторов окружающей среды (например, полилактид — PLA, полигидроксиалканоаты — PHA, крахмальные композиции).
• Системы сбора и переработки отходов: механическая и химическая переработка (рециклинг) полимеров для получения вторичного сырья. В России действует система раздельного сбора отходов и переработки пластика (ПЭТ-бутылки, полиэтиленовая плёнка).
• Снижение потребления: отказ от избыточной упаковки, использование многоразовых альтернатив.
• Законодательные меры: в ряде стран и регионов (включая Россию) вводятся ограничения на производство и оборот одноразовой пластиковой посуды и пакетов, а также требования к маркировке и утилизации.

Интересные факты

• Первый синтетический полимер — бакелит — был назван в честь своего изобретателя Лео Бакеланда. Он использовался для изготовления корпусов радиоприёмников, телефонов, бильярдных шаров и даже ювелирных украшений.
• Политетрафторэтилен (тефлон) был случайно открыт в 1938 году химиком Роем Планкеттом (США) при попытке получить новый хладагент. Он оказался одним из самых химически стойких и скользких материалов.
• Нейлон — первое синтетическое волокно, которое было запущено в массовое производство в 1939 году. Первоначально из него делали зубные щётки, а затем — женские чулки, которые стали символом послевоенной моды.
• Полимеры используются не только в твёрдом виде. Жидкие полимеры (например, полиакрилаты) входят в состав клеев, красок, косметики и медицинских гелей.
• В России крупнейшими производителями полимеров являются компании «Сибур Холдинг», «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтез», «Полипласт».

Источники

• Энциклопедия полимеров. В 3 т. / Под ред. В. А. Каргина. — М.: Советская энциклопедия, 1972—1977.
• Тагер А. А. Физико-химия полимеров. — М.: Научный мир, 2007.
• Тугов И. И., Кострыкина Г. И. Химия и физика полимеров. — М.: Химия, 1989.
• Куренков В. Ф. Химия полимеров. — Казань: КГТУ, 2005.
• Пластикс: информационно-аналитический журнал о полимерах (архив номеров).
• Российский союз химиков (данные о производстве полимеров в РФ).