Полимеры — природные и синтетические высокомолекулярные соединения¶
Полимеры (от греч. πολύς — «много» и μέρος — «часть») — высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных звеньев, связанных химическими связями. Молярная масса полимеров обычно составляет от 10⁴ до 10⁶ и более г/моль. Полимерами являются как природные вещества (белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, каучук), так и большинство синтетических материалов — пластмасс, резин, волокон, плёнок и клеёв.
¶Классификация
Полимеры классифицируют по нескольким признакам.
По происхождению:
- Природные — целлюлоза, крахмал, хитин, белки, натуральный каучук, ДНК и РНК.
- Синтетические — полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, нейлон, полиэстер.
- Искусственные — полученные из природного сырья химическим путём (вискоза, ацетатный шёлк).
По строению главной цепи:
- Гомоцепные — цепь состоит из атомов одного элемента (полиэтилен, полипропилен).
- Гетероцепные — цепь содержит атомы разных элементов (полисилоксаны с чередованием Si и O, некоторые полиэфиры).
По характеру звеньев:
- Карбоцепные — цепь построена из атомов углерода.
- Элементоорганические — содержат атомы кремния, фосфора, алюминия и других элементов.
По способу полимеризации:
- Полимеры приращения (аддитивные) — образуются при присоединении мономеров без выделения побочных продуктов (полиэтилен, полипропилен).
- Поликонденсационные — образуются с выделением низкомолекулярных продуктов, обычно воды (нейлон, полиэфирные смолы).
- Полимеры сополимеризации — полученные из двух и более различных мономеров.
По физическому состоянию аморфных полимеров:
- Термопласты — многократно размягчаются при нагревании и твердеют при охлаждении (полиэтилен, полипропилен, полистирол).
- Термореактопласты (термореактивные полимеры) — при нагревании сначала размягчаются, затем необратимо отверждаются (фенолформальдегидные смолы, эпоксидные смолы).
- Эластомеры — способны к обратимым большим деформациям (каучуки, силиконовые каучуки).
¶Строение и молекулярная масса
Молекула полимера состоит из повторяющихся структурных звеньев — остатков мономера, например звено полиэтилена —CH₂—CH₂—. Число звеньев в макромолекуле (степень полимеризации) может достигать десятков тысяч. Реальные полимерные препараты полидисперсны: они представляют смесь макромолекул с разной длиной цепи, поэтому характеризуются средней числовой, средней массовой и средневзвешенной молярной массой.
Форма макромолекул различна: линейные (полиэтилен), разветвлённые (полиизобутилен), сетчатые (природные и сшитые полимеры). Линейные и слаборазветвлённые полимеры способны к повторяющейся укладке в упорядоченные области — кристаллитам, поэтому называются кристаллизующимися. Полимеры с сильно разветвлённой или сетчатой структурой остаются аморфными.
¶Свойства
Полимеры обладают рядом характерных свойств, обусловленных большой длиной макромолекул:
- Высокая вязкость растворов — даже при низких концентрациях растворы полимеров значительно более вязкие, чем растворы низкомолекулярных веществ.
- Эффект каучуковой упругости — способность к большим обратимым деформациям при малых напряжениях.
- Стеклование — переход аморфного полимера из высокоэластического состояния в стеклообразное при понижении температуры ниже температуры стеклования (Tg).
- Кристаллизация — упорядочивание цепей при охлаждении расплава или вытяжке.
- Старение — необратимые изменения свойств под действием кислорода, света, тепла, ионизирующих излучений.
¶Основные синтетические полимеры
| Полимер | Мономер | Область применения |
|---|---|---|
| Полиэтилен (ПЭ) | Этилен CH₂=CH₂ | Упаковка, трубы, изоляция |
| Полипропилен (ПП) | Пропен CH₂=CH—CH₃ | Тара, ткани, автокомпоненты |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | Хлористый винил | Трубы, оконные профили, плёнки |
| Полистирол (ПС) | Стирол | Одноразовая посуда, утеплители |
| Полиэтилентерефталат (ПЭТ) | Этиленгликоль + терефталевая кислота | Бутылки, волокна |
| Полиметилметакрилат (ПММА) | Метилметакрилат | Органическое стекло |
| Полиуретан | Диизоцианат + полиол | Пены, эластики, покрытия |
¶Производство
Основной способ получения синтетических полимеров — полимеризация, в том числе радикальная, ионная, координационная (на катализаторах Циглера — Натта). В России крупнейшими производителями полиолефинов являются «Сибур», «Нижнекамскнефтехим», «Казаньоргсинтез»; мощности по выпуску ПЭТ сосредоточены на предприятиях «Альянс» и «Полипласт». Объём мирового производства полимеров превышает 400 млн тонн в год.
¶Применение
Полимеры применяются практически во всех отраслях: упаковка и пищевые плёнки, строительные материалы, электрическая и тепловая изоляция, медицинские изделия (хирургические нити, протезы, одноразовые инструменты), текстиль, авиация и автомобилестроение, производство тары и труб. Биоразлагаемые полимеры (полилактат, полигидроксибутират) находят применение в сельском хозяйстве и медицине.
¶Экология
Проблема утилизации полимерных отходов — одна из актуальных экологических задач. Большинство синтетических полимеров не разлагаются в природе десятилетиями, образуя микропластик. В России действуют программы развития переработки: по данным Минприроды, уровень сбора полимерных отходов в крупных городах достигает 30–40 %. Разрабатываются методы химической переработки (пиролиз, газификация) и биодеградируемые альтернативы.
¶История
Первые синтетические полимеры были получены во второй половине XIX века: бакелит (1907, Лео Бекеланд), целлулоид (1869, Джон и Изайя Хайатты). Научные основы полимерной химии заложены в 1920-е годы работами Германа Стодингера, предложившего макромолекулярную теорию. В СССР крупный вклад внесли С. В. Лебедев (синтетический каучук), Н. Д. Зелинский, А. А. Вангенгейм. В 1953 году К. Циглер и Дж. Натта разработали катализаторы, позволившие получать стереорегулярные полимеры.
Источники:
- Ребinder П. А. «Введение в физику и химию полимеров»
- Каргин В. А., Слонимский Г. Л. «Краткий курс физической химии полимеров»
- «Большая российская энциклопедия», статья «Полимеры»
- «Химическая энциклопедия», т. 3
- Берлин А. А. «Основы полимерных материалов»