Физическое и фазовое состояния, в которых находятся материалы при эксплуатации, имеют важнейшее значение для их характеристик.
Физические состояния полимеров
Физическое состояние вещества определяется плотностью упаковки атомов и молекул, от которой зависит характер их теплового движения.
Состояния вещества различаются его способностью иметь и сохранять при постоянной температуре заданные форму и объем. Известны твердое, жидкое и газообразное состояния низкомолекулярных веществ. Переходы веществ из одного состояния в другое сопровождаются изменением многих физических свойств, что объясняется изменением характера и уровня теплового движения и взаимодействия их молекул.
В твердом состоянии вещество способно иметь неизменный объем и сохранять приданную ему форму; в жидком состоянии вещество также имеет постоянный объем, а сохранить свою форму не в состоянии, так как теряет ее даже под воздействием силы земного притяжения. Наконец, в газообразном состоянии вещество не способно иметь ни постоянный объем, ни постоянную форму.
Полимеры могут находиться только в конденсированных состояниях: твердом и жидком.
Вид физического состояния полимера зависит от соотношения величин энергий межмолекулярного взаимодействия и теплового движения. В тех случаях, когда энергия межмолекулярного взаимодействия много больше энергии теплового движения макромолекул, полимер находится в твердом состоянии. Жидкое состояние реализуется, когда обе энергии сравнимы по своей величине. В этом случае тепловое движение макромолекул способно преодолеть межмолекулярное взаимодействие, а полимер - проявить свойства жидкости.
Невозможность существования полимеров в газообразном состоянии объясняется тем, что суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия из-за большой длины макромолекул всегда выше энергии самой прочной химической связи в них. Из этого следует, что прежде чем межмолекулярное взаимодействие ослабнет настолько, что полимер перейдет в газообразное состояние, произойдет разрыв химических связей внутри макромолекулы, и он деструктирует.
Еще одним принципиальным отличием полимеров от других веществ является их возможность существовать в двух твердых состояниях: стеклообразном и высокоэластическом. Высокоэластическое состояние имеется только у полимеров, для других материалов оно неизвестно.
Таким образом, полимеры могут существовать в трех физических состояниях: стеклообразном , высокоэластическом и вязкотекучем. Переходы из одного состояния в другое происходят в некотором интервале температур (рис. 2.1). Для удобства пользуются фиксированной температурой, которую рассчитывают по экспериментальным данным.
Рис. 2.1. Типичная термомеханическая кривая линейного аморфного полимера: Т с - температура стеклования; Т т - температура текучести; I, Ни III - температурные области трех физических состояний (соответственно стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего)
Изображенная на рис. 2.1 кривая называется термомеханической. На ней имеются три области, в которых состояние и поведение полимера различны: область / соответствует стеклообразному состоянию, II - высокоэластическому и III - вязкотекучему состоянию полимера. В каждом из этих состояний полимер обладает характерными для него свойствами. Переход из стеклообразного в высокоэластическое состояние происходит при температуре стеклования Т с, а переход из высокоэластического состояния в вязкотекучее - при температуре текучести Т т. Температуры стеклования и текучести являются важнейшими характеристиками полимеров, при этих температурах происходят кардинальные изменения большинства их физических свойств. Зная эти температуры, легко установить температурные режимы переработки и эксплуатации полимерных материалов. Направленно изменяя их, можно снизить температуру переработки или расширить температурный диапазон, в котором допускается эксплуатация изделий из данного полимера.
Изменение механических, электрических, теплофизических и других свойств полимеров при температурах перехода из одного состояния в другое происходят плавно, что объясняется постепенным изменением взаимодействия участков макромолекул: звеньев, сегментов, блоков.
Из рис. 2.1 видно, что выше температуры текучести деформация полимера очень велика, т. е. он течет, как жидкость. Как правило, полимеры перерабатываются именно в вязкотекучем состоянии или близком к нему.
Течение полимеров, так же как и другие процессы, имеет свои характерные признаки, отличающие эти материалы от других веществ. В отличие от низкомолекулярных высоковязких жидкостей, вязкость которых не изменяется при течении, вязкость полимеров в процессе течения повышается, что связано с происходящим при этом некоторым выпрямлением цепных макромолекул.
Это явление широко используется при переработке полимеров. Так, процессы волокнообразования и получения пленок из полимеров в изотермических условиях основаны на увеличении вязкости полимера в процессе истечения через фильеру.
Вязкотекучее состояние является следствием интенсификации теплового движения макромолекул при увеличении температуры. В результате этого при определенной температуре становится возможным их перемещение относительно друг друга.
При снижении температуры полимера ниже температуры текучести он переходит из вязкотекучего в высокоэластическое состояние. Процесс деформации полимеров в высокоэластическом состоянии носит обратимый характер, а величина деформации не зависит от температуры. Это свойство полимерных материалов широко используется. Наиболее характерный пример использования обратимости деформации полимеров и независимости ее величины от температуры - это широкое применение каучуков и резин. Их способность к большим обратимым деформациям хорошо известна.
Возможность нахождения полимеров в высокоэластическом состоянии отличает их от всех других материалов, которые в этом состоянии не могут находиться ни при каких условиях.
Не секрет, что к большим деформациям способны и другие материалы, например, пластилин. Однако все они деформируются необратимо. Можно вытянуть из куска пластилина стержень, и он сохранит приданную ему форму.
Полимерный материал в высокоэластическом состоянии тоже можно растянуть, но после снятия нагрузки он вернется в исходное состояние, т. е. полимер в высокоэластическом состоянии деформируется обратимо. При этом длинные цепные макромолекулы совершают переход из одного конформационного состояния в другое вследствие перемещения отдельных своих участков.
Высокоэластическая деформация является следствием гибкости макромолекул и подвижности отдельных их частей. Возвращение полимера в исходное состояние после снятия нагрузки происходит в заметном промежутке времени, т. е. его можно наблюдать и таким образом изучать релаксационные характеристики полимера.
В высокоэластическом состоянии у полимеров есть еще одна особенность, которая отличает их от всех других твердых материалов. В этом состоянии при повышении температуры модуль упругости полимеров увеличивается, тогда как у других материалов он уменьшается. Дело в том, что вследствие теплового движения макромолекул и их звеньев в высокоэластическом состоянии происходит их скручивание, которое препятствует деформации полимера. Такое сопротивление тем больше, чем выше температура, поскольку с ростом температуры тепловое движение макромолекул становится интенсивнее.
Характер деформации полимеров в высокоэластическом состоянии зависит от скорости деформирования, т. е. скорости приложения нагрузки. Поскольку для проявления высокоэластичности необходимо время, чтобы преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия, то при большой скорости деформирования высокоэластичность не успевает проявиться, и материал ведет себя подобно стеклообразному телу. Это необходимо учитывать при использовании полимеров для изготовления изделий, которые должны сохранять эластичность в условиях эксплуатации при динамических нагрузках и низких температурах.
При снижении температуры полимера ниже температуры стеклования механическое воздействие на него не вызывает, как это видно из рис. 2.1, изменения деформации. При такой температуре макромолекулы не способны к конформационным изменениям, и полимер теряет способность не только к вязкому течению, но и к высокоэластической деформации. Это означает, что полимер находится в стеклообразном состоянии.
Следует отметить разницу между процессами стеклования полимеров и низкомолекулярных веществ. Стеклование низкомолекулярной жидкости происходит, когда вся молекула теряет подвижность. Для перехода полимера в стеклообразное состояние достаточно потери подвижности даже сегментами макромолекулы. У низкомолекулярных жидкостей температуры стеклования и хрупкости практически совпадают, а у полимеров они различны, что объясняется сохранением частями макромолекул своей подвижности в стеклообразном состоянии.
Нередки случаи, когда полимер, находящийся в стеклообразном состоянии, способен к значительным деформациям (иногда до нескольких сотен процентов). Это так называемая вынужденная высокоэластическая деформация, она связана с изменением формы гибких макромолекул, а не с их перемещением относительно друг друга. Такая деформация, будучи вынужденной, исчезает при нагревании полимера, когда при температуре выше температуры стеклования возрастает подвижность макромолекул, и они возвращаются в исходное конформационное состояние.
Следует провести сравнение между вынужденной эластичностью полимерных материалов и хладотекучестью металлов. Оба процесса протекают, когда материалы находятся в твердом состоянии. Однако образец полимера, проявивший вынужденную высокоэластичность, при нагревании восстанавливает свою форму и размеры. На этом построены принципы создания «интеллектуальных» полимеров с памятью формы. В отличие от полимеров нагревание металлов, подвергнутых вытяжке в холодном состоянии, т. е. проявивших хладотеку- честь, не позволяет восстановить их форму и размеры.
Следует отметить, что у некоторых полимеров нельзя обнаружить температуру текучести, а иногда и температуру стеклования, так как при нагревании термодеструкция таких полимеров наступает раньше, чем они успевают перейти в вязкотекучее или высокоэластическое состояние. Такие полимеры могут существовать только в стеклообразном состоянии. Примером может служить природный полимер целлюлоза, а также ряд эфиров на ее основе (в частности, такой технически важный, как нитроцеллюлоза, являющаяся основой баллиститных порохов).
Современная наука позволяет управлять температурами стеклования и текучести полимеров. Так, пластификация нитроцеллюлозы с помощью нитроглицерина снижает температуры стеклования и текучести и создает условия для переработки этого полимера в изделия заданной формы и размеров.
Вязкотекучее состояние используют в первую очередь для переработки полимеров методами экструзии, литья, пневмоформования и т.д. С молекулярно-кинетических позиций (см. подпараграф 4.2.2) в вязкотекучем состоянии в полимерах развивается необратимая деформация течения, обусловленная взаимными перемещениями макромолекулярных клубков. На практике кроме деформации течения в полимерных жидкостях или расплавах имеют место высокоэластические и упругие деформации, протекание которых в процессе переработки полимера приводит к понижению формоустойчивости конечных изделий и их потребительских свойств.
Для аморфных полимеров переход в вязкотекучее состояние наблюдается при температуре текучести Т т (см. подпараграф 4.2.3), величина которой зависит от молекулярной массы полимера (см. рис. 4.7). Для ряда полимеров при увеличении молекулярной массы температура текучести начинает превышать температуру термической деструкции материала, что делает невозможным его переработку. Типичным примером является полиметилметакрилат, для которого процессы деполимеризации проявляются уже при температурах около 200°С. В связи с этим методы экструзии и литья применимы только для полиметилметакрилата с достаточно низкой (не более 200 000) молекулярной массой, для которого Т т 200°С.
Физико-механическое поведение полимеров в вязкотекучем состоянии удовлетворительно описывает закон Ньютона (см. выражение (4.2)), в котором коэффициент пропорциональности г) (вязкость) характеризует сопротивление полимера внешнему силовому воздействию. В общем случае жидкие среды, подчиняющиеся закону Ньютона, называют ньютоновскими. Однако поведение расплавов реальных полимеров имеет более сложный характер.
Для полимера в вязкотекучем состоянии зависимость вязкости от напряжения приведена на рис. 4.23. В областях I (область наибольшей ныото-
Рис. 4.23
новской вязкости) и III (область наименьшей ньютоновской вязкости) течение полимера подчиняется закону Ньютона (см. уравнение (4.2)). В области II (область аномалии вязкости) вязкость в значительной степени зависит от напряжения, т.е. для описания вязкого течения в этом интервале напряжений закон Ньютона неприменим.
Наблюдаемая аномалия вязкости связана с комплексом структурных перестроек, вызванных приложенным напряжением. К подобным изменениям структуры относят в первую очередь разрушение флуктуационной сетки (см. подпараграф 4.21), стабилизированной межмолекулярными и межсегментальными физическими взаимодействиями. Иными словами, область наибольшей ньютоновской вязкости соответствует течению «структурированной» полимерной жидкости, а область наименьшей ньютоновской вязкости - течению полимерной жидкости с разрушенной флуктуационной структурой.
Зависимость вязкости от температуры описывается экспоненциальной зависимостью с учетом энергии активации вязкого течения Е а. По мере возрастания молекулярной массы М энергия активации вязкого течения возрастает. Однако при превышении критической величины молекулярной массы, сопоставимой с величиной сегмента, энергия активации достигает предельного значения и перестает зависеть от молекулярной массы. Это поведение свидетельствует о том, что в процессе течения взаимное перемещение макромолекулярных клубков или относительное смещение их центров масс осуществляется путем скоррелированных перемещений сегментов полимерных цепей.
Естественно, что активационные параметры элементарного акта течения, связанного с поступательным перемещением сегментов, не зависят от молекулярной массы макромолекулы. Однако от нее заметно зависит абсолютное значение вязкости. Для необратимого смещения центра масс мак- ромолекулярного клубка необходимо согласованное перемещение ряда сегментов. Чем больше длина цепи, тем большее число таких перемещений для этого требуется.
Теоретические расчеты и экспериментальные данные показывают, что общая зависимость вязкости от молекулярной массы разделяется на два участка. При низких величинах молекулярной массы r ~ М. По достижении некоторого критического значения молекулярная масса оказывает более сильное влияние на вязкость, иг|- М 3,5 . Одной из причин наблюдаемого поведения является то, что при увеличении длины макромолекул формируется сетка зацеплений (см. подпараграф 4.2.1) с образованием обобщенного клубка.
Неметаллические материалы
Строение и структура полимеров
Полимерами называются соединения, в которых более или менее регулярно чередуются большое число одинаковых или неодинаковых атомных группировок, соединенных химическими связями в линейные или разветвленные цепи, а также в пространственные сетки.
Многократно повторяющиеся группировки называются мономерными звеньями, а большая молекула, составленная из звеньев - макромолекулой или полимерной цепью. Число звеньев в цепи - степень полимеризации и обозначается буквой “n”. Название полимера складывается из названия мономера и приставки “поли”.
Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называются гомополимерами..
По сравнению с низкомолекулярными соединениями полимеры обладают рядом особенностей: они могут находиться только в конденсированном твердом или жидком состоянии; растворы полимеров имеют высокую вязкость; при удалении растворителя полимеры выделяются не в виде кристаллов, как низкомолекулярные соединения, а в виде пленок; полимеры можно переводить в ориентированное состояние; для многих полимеров характерны большие обратимые деформации и т.п.
Специфические свойства полимеров обусловлены особенностями их структуры, знание основных параметров которой необходимо для создания научно обоснованных методов их регулирования.
Типы макромолекул
Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, разветвленные, лестнич- ные и сетчатые.
Линейные макромолекулы представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки.
Разветвленные макромолекулы отличаются наличием боковых ответвлений.
Лестничные макромолекулы состоят из двух цепей, соединенных химическими связями.
Пространственные полимеры образуются при сшивке макромолекул между собой в поперечном направлении химическими связями.
Отличительной особенностью полимерных молекул является гибкость. Гибкость цепи - это способность ее изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Она характеризует способность полимеров кристаллизоваться, определяет температурный интервал плавления, упругие, эластические и другие свойства.
По структуре и отношению к температуре полимеры делятся на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные - полимеры, у которых при нагревании не образуется поперечных химических связей и которые при определенной температуре размягчаются и переходят из твердого в пластичное состояние.
Термореактивные - полимеры, которые на первой стадии образования имеют линейную структуру, а затем вследствие протекания химических процессов образуют пространственные сетки, затвердевают и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние.
Синтетические полимеры получают из низкомолекулярных веществ (мономеров) по реакциям полимеризации, поликонденсации, сополимеризации, а также путем химических превращений других природных и синтетических полимеров.
Полимеризация - процесс соединения нескольких мономеров, не сопровождающийся выделением побочных продуктов и протекающий без изменения элементарного состава. Полимеризацией получается такие полимеры как полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.
Поликонденсация - процесс соединения нескольких мономеров, сопровождающийся выделением простейших низкомолекулярных веществ (H 2 O, Hcl и т.д.). Поликонденсацией получаются фенолформальдегидные смолы.
Сополимеризация - полимеризация двух или большего числа мономеров различного строения. Сополимеризацией получаются сополимеры этилена с пропиленом.
Фазовые состояния полимеров
Полимеры могут находиться в двух фазовых состояниях: кристаллическом и аморфном (жидком).
В газообразном фазовом состоянии полимеры находится не могут, так как температура кипения значительно больше температуры разложения.
Кристаллическое фазовое состояние характеризуется наличием трехмерного дальнего порядка в расположении атомов и молекул. Дальний порядок - порядок, соблюдающийся на расстояниях, превышающих размеры молекул в сотни и тысячи раз.
Жидкое (аморфное) фазовое состояние характеризуется отсутствием кристаллической структуры. В аморфном состоянии наблюдается ближний порядок - порядок, который соблюдается на расстояниях, соизмеримых с размерами молекул. Вблизи данной молекулы ее соседи могут быть расположены в определенном порядке, а на небольшом расстоянии этот порядок отсутствует.
КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЛИМЕРОВ, фазовое состояние, характеризующееся существованием дальнего трёхмерного порядка в расположении атомов, звеньев и цепей макромолекул. Возможность перехода в кристаллическое состояние присуща стереорегулярно построенным макромолекулярным цепям со степенью гибкости, достаточной для конформационной перестройки цепи, приводящей к упорядоченному расположению. Необходимым условием перехода является также отсутствие в макромолекуле громоздких боковых заместителей или боковых ответвлений. Наличие полярных групп обычно способствует переходу в кристаллическое состояние за счёт усиления межмолекулярного притяжения. Кристаллическое состояние существует у таких промышленно важных полимеров, как полиэтилен, полипропилен, полиамиды, полиэтилентерефталат, политетрафторэтилен и др. Некоторые полимеры могут переходить в жидкокристаллическое состояние (смотри Жидкокристаллические полимеры).
Переход полимеров в кристаллическое состояние - кристаллизация - происходит при охлаждении расплавов полимеров или в процессе осаждения их из растворов, а также при одноосном растяжении эластомеров. Кристаллизация - фазовый переход первого рода с присущими каждому полимеру значениями температуры и теплоты перехода; эти характеристики определяют калориметрическими методами. Кристаллизация из расплавов осуществляется в широком диапазоне температур - от температуры стеклования до равновесной температуры плавления; зависимость скорости кристаллизации из расплава от температуры выражается кривой с максимумом.
При кристаллизации полимеров всегда сохраняются области с неупорядоченной (аморфной) структурой, поэтому для характеристики полимеров используют понятие степени кристалличности. Степень кристалличности показывает объёмное отношение неразделяемых аморфной и кристаллической фаз, зависит от природы полимера и строения его цепи, условий кристаллизации и внешних воздействий. Например, степень кристалличности возрастает при отжиге полимера или при одноосном растяжении. Степень кристалличности полимеров обычно 20-80% (менее 10% для поливинилхлорида, около 80% для полиэтилена). О степени кристалличности обычно судят по плотности полимера.
Простейшим элементом структуры полимера в кристаллическом состоянии является кристаллическая ячейка (размер до 5 нм). Методы рентгеноструктурного анализа позволяют определить параметры ячеек и конформации макромолекул, входящих в кристалл, для всех известных полимеров. Для кристаллического состояния полимеров характерна возможность полиморфизма, т. е. в зависимости от условий кристаллизации образуются элементарные ячейки различных типов.
Кристаллическое состояние полимеров отличается большой степенью дефектности кристаллов. Одна и та же макромолекулярная цепь может входить и в кристаллиты - высокоупорядоченные кристаллические области протяжённостью до 50 нм, и в аморфные области. В большинстве случаев полимерные цепи входят в кристаллиты в форме спирали, период идентичности может включать несколько витков.
В кристаллическом состоянии полимеров образуются различные надмолекулярные структуры. Наиболее распространены ламелярные и фибриллярные структуры. Ламели (пластины) характеризуются складчатой конформацией макромолекул, цепи полимера расположены перпендикулярно поверхности ламели, толщина ламелей достигает 25-100 мкм. Ламелярные кристаллы получаются обычно при медленной кристаллизации. Фибрилла - надмолекулярное образование с чередующимися кристаллическими и аморфными областями в виде нити или ленты длиной до 10 мкм и поперечным сечением примерно таким же, как размер кристаллитов. Макромолекулярные цепи ориентированы параллельно оси фибриллы. Фибриллярная форма кристаллов присуща ориентированному состоянию полимеров, характерна для вторичной структуры некоторых биополимеров.
Из ламелей и фибрилл построены более сложные надмолекулярные структуры полимеров, например монокристаллы и сферолиты. Монокристаллы образуются при осаждении из разбавленных растворов полимеров. Монокристаллы обычно построены из ламелей толщиной 10-20 нм. Самые крупные структурные образования полимеров в кристаллическом состоянии (размером до нескольких мм) - сферолиты - сферически симметричные образования, представляют собой типичные поликристаллы, обычно построенные из фибрилл. Вследствие радиальной симметрии сферолиты обладают анизотропией оптических свойств. Сферолиты обычно образуются при кристаллизации из высоковязких расплавов.
Некоторые биополимеры могут формировать глобулярные кристаллы, в которых узлы кристаллической решётки образованы отдельными макромолекулами в свёрнутых (глобулярных) конформациях.
Уровни упорядочения полимеров в кристаллическом состоянии изучают с использованием электронной микроскопии или методами структурного анализа, в частности мало и широкоуглового рассеяния (волн различной длины - от рентгеновского до оптического диапазона), позволяющими оценивать размеры структурных элементов различных типов. Для определения пространственного строения макромолекул в кристаллическом состоянии полимеров применяют методы ЯМР, механической и диэлектрической спектроскопии.
Степень кристалличности влияет на физические свойства полимеров (плотность, твёрдость, проницаемость и др.). Свойства полимера, находящегося в кристаллическом состоянии, определяются сочетанием свойств, присущих его кристаллической и аморфной фазам. Вследствие этого кристаллические полимерные материалы обладают высокой прочностью наряду со способностью к большим деформациям.
Лит.: Вундерлих Б. Физика макромолекул. М., 1976. Т. 1; Бартенев Г. М., Френкель С. Я. Физика полимеров. Л., 1990.
По физическому состоянию полимеры разделяют на аморфные и кристаллические. Аморфное состояние характеризуется отсутствием упорядоченности в расположении макромолекул. Разветвленные и сетчатые полимеры, как правило, являются аморфными.
Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение отдельных участков макромолекул. Способностью кристаллизоваться обладают только стереорегулярные линейные полимеры. Свойства кристаллических и аморфных полимеров существенно различаются. Например, кристаллические полимеры, в отличие от аморфных, имеют определенную температуру плавления. Аморфные же полимеры характеризуются областью температур размягчения, т. е. областью постепенного перехода от твердого состояния в жидкое. Так, аморфные линейные полимеры при нагревании сначала размягчаются, образуя вязкотекучую жидкость. Дальнейшее повышение температуры приводит к деструкции, разрушению полимера. Для аморфных полимеров в зависимости от температуры (и величины механического напряжения) возможны три физических (деформационных) состояния: стеклообразное, вязкотекучее и высокоэластическое .Практическое применение полимеров определяется тем, в каком из этих состояний находится данный полимер при температуре его использования. Для стеклообразных полимеров характерны относительно небольшие упругие (обратимые) деформации (1–10 %). Полимеры в стеклообразном состоянии применяются в производстве пластмасс. Вязкотекучее состояние реализуется обычно при повышенных температурах и используется для переработки полимеров в изделия. В высокоэластическом состоянии в условиях эксплуатации находятся все каучуки. Это состояние характерно лишь для полимеров, способных обратимо деформироваться на сотни процентов.
Сетчатые полимеры по свойствам резко отличаются от линейных и разветвленных. Они не кристаллизуются, не растворяются в растворителях, не плавятся без разложения, обладают большой механической прочностью. Это объясняется тем, что их макромолекулы соединены большим количеством химических связей, на разрыв которых требуется много энергии.
Влияние температуры
По отношению к нагреванию полимеры делят на две группы - термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры способны размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении, сохраняя все свои физические и химические свойства. К таким полимерам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Термореактивные полимеры не могут быть переведены в пластическое состояние, т.к. при нагревании они либо полностью разрушаются, либо они вторично заполимеризуются с образованием новых еще более прочных и жестких структур.
Примерами термореактивных полимеров являются фенолоформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.
При эксплуатации полимеров и материалов на их основе важны их механические свойства. Механическая прочность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и сетчатым структурам. Стереорегулярные полимеры характеризуются более высокой прочностью, чем нерегулярные. Увеличение прочности происходит при переходе полимера в кристаллическое состояние. Повышают механическую прочность полимера путем введения наполнителей (например, мела, сажи, графита, металла и т.п.) и получают при этом различные пластмассы.
Способы получения полимеров
Полимеры получают реакциями полимеризации, поликонденсации, а также используя химические превращения макромолекул.
Полимеризация – это реакция образования полимеров путем последовательного соединения молекул мономера к растущей цепи при помощи перестройки ковалентных связей .
Полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями или циклических соединений. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов в молекулах мономеров с последующим возникновением химических связей между этими молекулами с образованием полимеров. По числу участвующих мономеров различают гомополимеризацию (полимеризацию одного вида мономера) и сополимеризацию (совместную полимеризацию двух или более различных мономеров). Примером реакции гомополимеризации является получение тефлона (фторопласта):
nCF 2 =CF 2 (–CF 2 –CF 2 –) n
тетрафторэтилен политетрафторэтилен
В сополимерах сочетаются свойства полимеров, полученных из каждого в отдельности взятого мономера. Поэтому сополимеризация – эффективный способ синтеза полимеров с заданными свойствами.
Бутадиенстирольный каучукполучают реакцией сополимеризации:
| 2 |
бутадиен-1,3
стиролбутадиенстирольный каучук
Поликонденсация – это реакция образования полимеров из мономеров, имеющих две или несколько функциональных групп, сопровождающаяся выделением за счѐт этих групп низкомолекулярных продуктов (H 2 O, NH 3 , HCl и др.).
Поликонденсация является основным способом образования природных полимеров в естественных условиях. При поликонденсации цепь растет постепенно: сначала взаимодействуют между собой исходные мономеры, затем образовавшееся соединение реагирует с молекулами того же мономера, образуя в итоге полимер, при этом из n молекул мономера выделяется (n-1) молекул низкомолекулярных продуктов.
Сополиконденсацией гексаметилендиамина H 2 N–(CH 2) 6 –NH 2 и двухосновной адипиновой кислоты HOOC–(CH 2) 4 –COOH получают анид или нейлон: nH 2 N–(CH 2) 6 –NH 2 + nHOOC–(CH 2) 4 –COOH →
→ [–NH–(CH 2) 6 –NH–CO–(CH 2) 4 –CO–] n + (n-1)H 2 O
Анид (нейлон или перлон)
Поликонденсация отличается от полимеризации тем, что в еѐ основе лежит реакция замещения, а в процессе поликонденсации наряду с высокомолекулярными соединениями образуются низкомолекулярные продукты. В результате элементные составы исходного мономера и образовавшегося полимера отличаются на группу атомов, выделившихся в виде низкомолекулярного продукта (в данном примере H 2 O).
Типы полимеров
По происхождению высокомолекулярные вещества делят наприродные, или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) и синтетические (полиэтилен, фенолоальдегидные смолы).
По типу входящих в составное звено элементов различают органические, неорганические и элементоорганические полимеры.
Органические полимеры. Органические полимеры, по происхождению подразделяются на три группы:
– природные , встречаются в природе (натуральный каучук, крахмал, целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты);
– искусственные , которые получают путем химической модификации природных полимеров (тринитроцеллюлоза, ацетатное и вискозное волокно, хлорированный натуральный каучук, резина);
– синтетические , получаемые методом синтеза (полиэтилен, полипропилен, капрон, полистирол, фенолоформальдегидная смола).
По химическому составу основной макромолекулярной цепи органические полимеры делятся на гомоцепные , цепи которых построены из одинаковых атомов, и гетероцепные , содержащие в основной цепи углеродные атомы и атомы других элементов, например поликарбонат [−O−R−O−CO−] n , целлюлоза (C 6 H 10 O 5) n , капрон [−NH−(CH 2) 5 −CO−] n . Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные , цепи макромолекулы которых содержат только атомы углерода, например, полиэтилен [−CH 2 −CH 2 −] n , полистирол [−CH 2 −CH(C 6 H 5)−] n , политетрафторэтилен [−CF 2 −CF 2 −] n .
Неорганические полимеры. Многие неорганические вещества представляют собой полимеры. Полимерную структуру имеют все металлы, некоторые неметаллы (пластическая сера, черный и красный фосфор, углерод в виде алмаза, графита, древесного и каменного угля), кремниевые кислоты, силикаты, алюмосиликаты, диоксид кремния, полисилан и др. Важным отличительным свойством многих неорганических полимеров является их термическая и химическая стойкость. Они могут иметь линейную структуру, (пластическая модификация из цепочек серы ….− S−S −S −…., свернутых в спирали), слоистую (слюда, тальк), разветвлѐнную или трѐхмерную структуру (силикаты). Ещѐ более сложные образования, цеолиты – сополимеры силикатов и алюминатов металлов, образуют полиэдры, содержащие внутри полости и каналы, в которых размещаются ионы, способные обмениваться на другие (при очистке воды, например).
Элементоорганические полимеры. Это такие полимеры, которые в основной цепи содержат не атомы не углерода, а других элементов (кремния, алюминия, кислорода, фосфора). Боковые цепи в таких полимерах представлены органическими радикалами.
Биополимеры
Биополимеры – это природные высокомолекулярные соединения. К ним относят полисахариды, полиизопрены, полипептиды, белки, нуклеиновые кислоты.
Полисахариды – это биополимеры, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов. Важнейшими представителями полисахаридов являются целлюлоза, крахмал, инулин, гликоген. Имея общую формулу (С 6 Н 10 О 5) n , полисахариды отличаются структурой макромолекулы. Крахмал и гликоген состоит из остатков α-глюкозы, целлюлоза – из остатков βглюкозы, инулин – из остатков фруктофуранозы. Полисахариды под каталитическим влиянием кислот подвергаются гидролизу. Конечным продуктом гидролиза крахмала, гликогена и целлюлозы является глюкоза, инулина – фруктоза. Целлюлоза относится к наиболее жесткоцепным полимерам, в которых практически не проявляется гибкость макромолекул.
Белки – это биополимеры, состоящие из остатков α-аминокислот, соединенных пептидными (амидными) связями. В молекулах белков многократно повторяется так называемая пептидная группа атомов −CO−NH−. Соединения, состоящие из множества соединенных между собой пептидных звеньев, называются полипептидами. Соответственно белки относят к полипептидам. Число остатков аминокислот, входящих в пептидную цепь, бывает очень большим, поэтому молекулярные массы белков могут достигать нескольких миллионов. К распространенным белкам относятся гемоглобин (в крови человека), казеин (в коровьем молоке), альбумин (в курином яйце).
Белки являются важнейшими биологическими веществами: они необходимы для жизнедеятельности организмов. Синтез белков в организме осуществляется посредством реакций поликонденсации:
nH 2 N−СНR−COOH ↔ [−NH−СНR−CO−] n + (n-1)H 2 O. При взаимодействии двух молекул α-аминокислот происходит реакция между аминогруппой одной молекулы и карбоксильной группы – другой, что приводит к образованию воды.
По составу белки делят на простые (протеины) и сложные (протеиды). При гидролизе простых белков образуются только α-аминокислоты, при гидролизе сложных – α-аминокислоты и небелковые вещества.
В белках выделяют четыре уровня структур:
– первичнаяструктура белков – это структура пептидной цепи, т.е. набор аминокислотных остатков и последовательность их соединения друг с другом в белковой молекуле.
– вторичная структура определяется особенностями скручивания полипептидных цепей белковых молекул в спираль за счет возникновения водородных связей между группами −СО− и NH−.
– третичная структура определяется пространственным расположением белковых спиралей за счет возникновения водородных, амидных и дисульфидных связей.
– Четвертичная структура определяется пространственным расположением макромолекул,в состав которых входит несколько полипептидных цепей.
Нуклеиновые кислоты – природные биополимеры, построенные из мономеров: нуклеотидов, повторяющихся фрагментов нуклеиновых кислот . В состав нуклеотидов входят три составные части: гетероциклические основания, моносахариды и остатки фосфорной кислоты, которыми мононуклеотиды связаны между собой в полимерной молекуле. Различают два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). В состав всех живых организмов обязательно входят оба типа нуклеиновых кислот.
Применение полимеров
Одна из важных областей применения полимеров - изготовление волокон и тканей. Классификация волокон приведена на схеме:
Волокна, для производства которых используют химические методы, составляют группу химических волокон. Они делятся на искусственные и синтетические. Искусственные волокна получают химической модификацией природных материалов (хлопка, шерсти), тогда как для производства синтетических волокон используются только синтетические материалы - полимеры. К важнейшим синтетическим волокнам относятся лавсан и найлон .
Лавсан получают поликонденсацией этиленгликоля и терефталевой (бензол-1,4-дикарбоновой) кислоты:
Образующийся линейный полимер представляет собой полиэфир, элементарное звено которого выглядит следующим образом:
Волокно, изготовленное из лавсана (другие названия этого полиэфира - терилен, дакрон), обладает хорошей прочностью, термостойкостью, устойчиво к действию разбавленных кислот и щелочей.
Найлон – полиамидное волокно, которое получают поли-
конденсацией гексаметилендиамина H 2 N(CH 2) 6 NH 2 и адипиновой кислоты НООС(СН 2) 4 СООН:
Элементарное звено найлона имеет вид:
Найлон и другие полиамидные волокна характеризуются высокой прочностью и устойчивостью к истиранию. Недостатками их являются высокая электризуемость и неустойчивость при нагревании. Поэтому одежду из найлона нельзя гладить горячим утюгом.
Каучуки
Натуральный каучук. Натуральный каучук получают из латекса – сока некоторых тропических растений. Его строение можно установить по химическим свойствам: каучук присоединяет бром, бромоводород и водрод, а при нагревании без доступа воздуха распадается с образованием изопрена (2-метилбутадиена). Это означает, что каучук представляет собой непредельный полимер - полиизопрен.
Молекулярная масса каучука изменяется от 100 тыс. до 3 млн. Каждое элементарное звено в полиизопрене может существовать в цис- и транс-формах. В натуральном каучуке почти все звенья имеют цисконфигурацию:
Это означает, что натуральный каучук имеет стереорегулярное строение, которое обусловливает его ценные свойства.
Важнейшее физическое свойство каучука - эластичность, т. е. способность обратимо растягиваться под действием даже небольшой силы. Другое важное свойство - непроницаемость для воды и газов. Основной недостаток каучука - чувствительность к высоким и низким температурам. При нагревании каучук размягчается и теряет эластичность, а при охлаждении становится хрупким и также теряет эластичность.
Для уменьшения пластичности и повышения прочности, износоустойчивости, стойкости к агрессивным средам каучук подвергают вулканизации путем нагревания в присутствии серы с различными наполнителями (сажа, мел, оксид цинка и др.). В процессе вулканизации линейные макромолекулы каучука сшиваются между собой дисульфидными мостиками (–S–S–) и образуется пространственный полимер – резина.
Резина имеет разветвленную пространственную структуру и поэтому менее эластична, чем натуральный каучук, однако обладает значительно большей прочностью. В основе получения резины лежат процессы полимеризации и вулканизации.
Синтетические каучуки
Первый синтетический каучук был получен в России в 1931 г. профессором С.В.Лебедевым полимеризацией бутадиена, полученного из этилового спирта, по радикальному механизму в присутствии металлического натрия:
Бутадиеновый каучук обладает хорошей водо- и газонепроницаемостью, однако менее эластичен, чем натуральный каучук, поскольку имеет нерегулярное строение. В его цепи цис- и транс-звенья распределены хаотично. Кроме того, полимеризация протекает не только как 1,4-, но и как 1,2присоединение, при этом образуется полимер с разветвленной структурой типа
Разработаны технологии производства синтетических изопренового и бутадиенового каучука с линейной стереорегулярной структурой (последний называют дивиниловым ). Некоторые синтетические каучуки получают, используя процесс сополимеризации. Например, бутадиенстирольный каучук синтезируют по реакции
Преимущество метода сополимеризации состоит в том, что, варьируя соотношение между компонентами, можно управлять свойствами каучука.
Пластмассы
Пластмассами называют материалы на основе полимеров, способные изменять свою форму при нагревании и сохранять новую форму после охлаждения. Благодаря этому свойству пластмассы легко поддаются механической обработке и используются для производства изделий с заданной формой. Кроме полимеров в состав пластмасс входят пластификаторы, красители и наполнители, улучшающие физико-механические свойства полимеров. Пластмассы бывают двух основных типов: термопластичные и термореактивные.
Термопластичные пластмассы могут многократно изменять свою форму при нагревании и последующем охлаждении. К ним относятся полимеры с линейными цепями. Способность таких полимеров размягчаться при нагревании связана с отсутствием прочных связей между различными цепями. Это материалы на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, поливинилхлорида, полиамидов, полистирола и других полимеров.
Термореактивные пластмассы при нагревании также изменяют свою форму, но при этом теряют пластичность, становятся твердыми и последующей обработке уже не поддаются. Это связано с тем, что в результате образования поперечных связей необратимо образуется сетчатая пространственная структура, которую невозможно превратить в линейную. Термореактивные полимеры используют как основу клеев, лаков, ионитов, пластмасс. Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол получили название фенопластов, на основе мочевино-формальдегидных смол – аминопластов. Наполнителями в них служат бумага, картон, ткань (текстолит), кварцевая и слюдяная мука и др. Фенопласты стойки к действию воды, растворов кислот, солей и оснований, органических растворителей, трудногорючи, атмосферостойки, являются хорошими диэлектриками. Аминопласты, кроме перечисленных свойств, устойчивы к действию света и УФ, могут быть окрашены в разные цвета. Поэтому пластмассы широко применяются в электротехнике. электронике, машиностроении, автомобилестроении, строительстве и масштабы и области их применения постоянно возрастают.
Примеры решения задач
Пример 15.1. Какая группа атомов является структурным звеном макромолекулы полиэтилена? Напишите реакцию получения полимера. Рассчитайте молекулярную массу полимера, если известно, что N молекул полимера имеют молекулярную массу 28000, а 3N молекул - 140000.
Найдите среднечисловую степень полимеризации.
Решение. Полиэтилен получают реакцией гомополимеризации этилена:
n CH 2 = CH 2 → (−CH 2 −CH 2 −) n
этилен полиэтилен
В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей в молекулах мономера – этилена, при этом образуются химические связи между молекулами, что приводит к образованию макромолекул.
Структурное звено макромолекулы полиэтилена: −CH 2 −CH 2 −.
Находим среднее (числовое) значение молекулярной массы полимера:
Находим относительную молекулярную массу структурного звена: М(С 2 Н 4)=28.
Среднечисловая степень полимеризации n ср в этом случае равна.