Полимеры: строение, свойства и применение¶

Полимер — высокомолекулярное соединение, молекула которого состоит из множества повторяющихся структурных звеньев, соединённых химическими связями в единую макромолекулу. Число таких звеньев (степень полимеризации) может достигать десятков тысяч, что определяет особые физико-механические свойства веществ этого класса. Полимеры составляют основу пластмасс, каучуков, волокон, смол и биополимеров, включая белки, нуклеиновые кислоты и целлюлозу.

¶Общие сведения

Термин происходит от греческих слов «поли» — много и «мерос» — часть. Ключевое отличие полимеров от низкомолекулярных соединений — большая молекулярная масса (от нескольких тысяч до миллионов атомных единиц) и цепное строение макромолекулы. Именно длина цепи и её конформация обеспечивают такие свойства, как эластичность, высокая прочность, способность образовывать плёнки и волокна.

Молекулярная масса полимера не является строго постоянной величиной: вещество представляет собой смесь макромолекул разной длины, поэтому говорят о среднечисловой и среднемассовой молекулярной массе и о полидисперсности.

¶Строение макромолекул

По форме макромолекулы выделяют несколько типов:

• Линейные — цепь без ответвлений (полиэтилен, поливинилхлорид).
• Разветвлённые — с боковыми ответвлениями от главной цепи.
• Сетчатые (пространственные) — цепи соединены поперечными связями в единую трёхмерную сетку (резина, отверждённые смолы).

Сетчатые полимеры, в отличие от линейных, не плавятся и не растворяются, а лишь набухают в растворителях.

¶Классификация

Полимеры классифицируют по нескольким признакам.

Термопласты при нагревании размягчаются и могут многократно перерабатываться. Реактопласты при нагревании необратимо отверждаются, образуя сетчатую структуру.

¶Способы получения

Основные методы синтеза:

• Полимеризация — соединение мономеров без выделения побочных продуктов; бывает радикальной, ионной и координационной.
• Поликонденсация — процесс с выделением низкомолекулярных побочных веществ (воды, спирта и других).

Синтез проводят в массе, растворе, эмульсии или суспензии. Катализаторы (например, металлоценовые комплексы) позволяют управлять строением цепи.

¶Свойства

Для полимеров характерны:

• эластичность и способность к большим обратимым деформациям;
• высокая механическая прочность при малой плотности;
• низкая тепло- и электропроводность;
• химическая стойкость;
• способность к стеклованию и переходу в высокоэластичное состояние.

Температура стеклования и температура текучести — важнейшие технологические характеристики, определяющие области переработки.

¶Применение

Полимеры применяются практически во всех отраслях:

• упаковка (плёнки, тара, бутыли);
• строительство (трубы, изоляция, клеи, герметики);
• машиностроение и авиация (композиты, детали);
• текстиль (волокна — капрон, лавсан, нитрон);
• медицина (протезы, шовный материал, имплантаты);
• электроника (изоляция, корпуса, гибкие платы).

В России крупные производства полимеров сосредоточены в нефтегазохимическом комплексе (полиэтилен, полипропилен, ПВХ, полистирол).

¶Биополимеры

К природным полимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (целлюлоза, крахмал), каучук, лигнин. Они выполняют структурные, запасающие и информационные функции в живых организмах. Изучение биополимеров лежит в основе молекулярной биологии и биотехнологии.

¶Экологические аспекты

Широкое распространение синтетических полимеров создаёт проблему накопления отходов, поскольку большинство из них не разлагается в естественных условиях. Развиваются направления по созданию биоразлагаемых полимеров (на основе полимолочной кислоты, крахмала) и по механической и химической переработке (рециклингу) пластиковых отходов.

¶Значение

Полимеры стали одним из базовых материалов современной промышленности. Их доля в общем объёме потребления конструкционных материалов постоянно растёт, а развитие полимерной химии остаётся одним из приоритетных направлений науки и технологии.

Источники: учебники по высокомолекулярным соединениям, справочники по полимерным материалам, обзорные публикации по нефтегазохимии.