Общие сведения о полимерах и их номенклатура

Основную массу полимеров составляют органические вещества, однако известно немало неорганических и элементоорганических полимеров. Характерной чертой полимера является то, что при образовании его молекулы соединяется большое чис­ло одинаковых или разных молекул низкомолекулярных веществ — мономеров. Это приводит к тому, что возникает длинная цепная молекула, которую называют макромолекулой. В макромолекуле составляющие ее низкомолекулярные повторяющиеся структурные единицы, или элементарные (мономерные) звенья, соединены прочными химическими связями. Сами же макромолекулы связаны между собой слабыми физическими межмолекулярными силами.

Цепное строение макромолекул и различная природа связей вдоль и между цепями определяют комплекс особых физико-химических свойств полимерного материала, таких, как, например, одновременное сочетание в нем прочности, легкости и эластичности, способности образовывать пленки и волокна. Цепное строение макромолекул ответственно также за то, что полимеры способны значительно набухать в жидкостях, образовывая при этом ряд систем, промежуточных между твердым те­лом и жидкостью. Растворы полимеров отличаются повышенной вязкостью.

Соединение мономеров в макромолекулы происходит в результате химических реакций, которые протекают по законам цепных или ступенчатых процессов. Число повторяющихся звеньев в макромолекуле определяет молекулярную массу полимера, которая может составлять десятки, сотни тысяч и миллионы углеродных единиц. Какой бы реакцией ни был получен полимер, он всегда состоит из набора различных по размеру макромолекул. Поэтому молекулярная масса полимера является некоторой средней величиной.

При переработке, которая проводится при повышенных температурах, в полимеры обычно вводят различные необходимые добавки. Два эти фактора в отдельности и совместно воздействуют на полимеры таким образом, что в них возникает определенная надмолекулярная или новая химическая (пространственная, например) структура. Вид этой структуры определяет физико-механические свойства получившегося материала.

Существование связи между структурой и свойствами полимеров позволяет, с одной стороны, направленно осуществлять синтез и выбирать оптимальный режим их переработки для получения комплекса желаемых механических свойств, а с другой — судить о структуре материала, если известны его физико-химические показатели.

Полимеры принято классифицировать по химическому составу и строению их основной цепи. Если основная цепь макромолекулы состоит из атомов углерода, а боковые группы представляют собой атомы водорода или органические радикалы, то полимер называют органическим. Если основная цепь составлена атомами кремния, фосфора и др., к которым присоединены органические радикалы, то такие полимеры называют элементоорганическими. Если в основной цепи и в боковых группах атомы углерода отсутствуют, то полимер является неорганическим. Полимеры, основные цепи которых состоят из одинаковых атомов, называют гомоцепнъши; из разных атомов — гетероцепными.

Наиболее широко распространены и более полно изучены органические полимеры, и в первую очередь карбоцепные, то есть те, основные цепи которых содержат только атомы углерода. В составе боковых групп карбоцепных полимеров могут нахо­диться атомы водорода, кислорода, азота, серы. Если основная цепь полимера состоит из атомов углерода и кислорода, углерода и азота, углерода и серы, то такие полимеры относятся к гетероцепным.

Названия карбо- и гетероцепных полимеров образуются на основе химических классов и названий мономеров, из которых образованы эти полимеры, с добавлением приставки «поли». Например, полимеры, получаемые из непредельных углеводородов — олефинов (этилена, пропилена, бутена-1 и т. д.), в общем называются полиолефинами (конкретно — полиэтилен, полипропилен, полибутен-1 и т. д.), полимеры на основе эфиров непредельной метакриловой кислоты (мелилметакрилата, этилметакрилата и т. д.) известны как полиметакрилаты, конкретно — полиметилметакрилат, полиэтилметакрилат и т. д. Названия гетероцепнтых полимеров после приставки «поли» включают название повторяющегося звена; например, полиэфир этиленгли- коля и терефталевой кислоты называют полиэтилентерефталатом; полиамид, получаемый из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты, — полигексаметиленадипамидом и т. д.

Если основная цепь полимера построена из звеньев одного мономера, то их называют гомополимерами. Так, полиэтилен [-СН₂-СН₂-]n является карбоцепным гомополимером этилена. Индекс п носит название степени полимеризации и показывает число звеньев мономера (элементарных звеньев) в макромолекуле. Если известно значение п, то, зная молекулярную массу элементарного звена М_зв, можно определить молекулярную массу гомополимера:

является органическим карбоцепным сополимером этилена и винилацетата. Индексы n и m показывают количество звеньев этилена и винилацетата в сополимере.

Характер расположения звеньев мономеров в цепи сополимера определяет три типа его структуры: статистический, блок- или привитой сополимер. Если звенья двух мономеров А и В соединены в макромолекуле так, что чередование их по цепи макромолекулы случайно, то такой сополимер называют статистическим. Макромолекулу статистического сополимера можно представить следующим образом:

~А-В-В-А-А-А-А-В-А~

Если в цепи макромолекулы наблюдается правильное чередование звеньев мономеров в виде участков большой протяженности (блоков), состоящих из звеньев одного мономера, то такой сополимер называют блоксополимером. Схематически макромолекулу блоксополимера можно представить так:

-А-А-А-А-А-В-В-В-В-В-В-В-А-А-А- блок А блок В блок А

Сополимер, основная цепь которого составлена из звеньев одного мономера, а к ней присоединены блоки из звеньев другого мономера в виде больших боковых ответвлений, называется привитым. Строение макромолекулы привитого сополимера приведено ниже:

Свойства различных видов сополимеров зависят от природы, соотношения и характера чередования мономерных звеньев в макромолекуле, от длины и числа разветвлений и т. д. Большие размеры макромолекул гомополимеров обусловливают существование у них большого числа изомеров. Если у пентана известны три изомера

то у карбоцепных полимеров на основе олефинов с большим числом атомов углерода их очень много. Огромная макромолекула полимера может быть линейной и разветвленной, то есть иметь боковые ответвления («ветви») от основной цепи. Ветви могут быть короткими и соизмеримыми с длиной основной цепи, присоединяться к ней по одной в нескольких узлах ветвления (гребнеобразные полимеры) или исходить из одного узла, придавая макромолекуле форму звезды. Схематически форма макромолекул представлена на рис. 1.1. При одинаковом химическом составе и молекулярной массе полимера названные выше структуры являются изомерами, которые определяют существенные различия в физических и механических свойствах поли­меров.

Рис.1.1. Схематическое изображение различных видов макромолекул: а — линейный полимер; б — гребнеобразный длинноветвленный полимер; в — гребнеобразный коротко- ветвленный полимер; г — звездообразный полимер; д — сетчатый полимер

Рис. 1.2. Схема соединения элементарных звеньев в макромолекуле: а — атактический полимер Г-Х; б — изотактический полимер Г-Х; в — синдиотактический полимер Г-Х

В макромолекуле боковые группы основной цепи могут иметь регулярное или нерегулярное пространственное расположение. Регулярное пространственное расположение боковых групп определяет стереорегулярность цепей полимеров. По стереорегулярности полимеры делят на изотактические и синдиотактические (см. рис. 1.2). Если в регулярной структуре Г-Х макромолекулы полимера однотипные заместители расположена в плоскости основной цепи по одну сторону, то образуется изотактическая конфигурация цепей.

Регулярно чередующееся расположение однотипных боковых групп по одну и по другую сторону плоскости основной цепи определяет синдиотактическую конфигурацию. При нерегулярном пространственном расположении боковых заместителей создается атактическая структура линейной молекулы полимера.

У стереорегулярных полимеров, содержащих в основной цепи двойные связи, возможна конфигурационная цис-транс -изомерия. В цис-изомерах одинаковые боковые группы располагаются относительно плоскости каждой двойной связи по одну и ту же сторону, в транс-изомерах — по разные стороны.

Полимеры с линейной и разветвленной структурой макромолекул называют тер­мопластичными (термопластами). Это размягчающиеся и плавящиеся под влиянием повышенных температур вещества, способные растворяться в подходящих органических растворителях.

Кроме линейных (рис. 1.1, а) и разветвленных (рис. 1.1, б, в, г), полимеры могут быть сетчатыми (пространственными, сшитыми) (рис. 1.1,5). Сетчатые полимеры обычно состоят из макромолекул, соединенных между собой поперечными ковалентными связями. Существование поперечных связей между макромолекулами превращает весь полимерный образец как бы в одну гигантскую молекулу, молекулярная масса которой совпадает с массой самого образца.

Сетчатые полимеры по свойствам принципиально отличаются и от линейных, и от разветвленных полимеров. Наличие прочных химических поперечных связей пре­вращает сетчатые полимеры в неплавкие и нерастворимые вещества. Такие полимеры называют термореактивными (реактопластами).