7.3. Высокомолекулярные соединения (полимеры)

Название высокомолекулярные соединения или полимеры свидетельствует о том, что соединения имеют большую молекулярную массу порядка 10⁴ – 10⁶ г/моль. Отличает высокомолекулярные соединения сочетание большой массы с цепным строением молекул. Длина макромолекул полимера обычно превосходит их поперечное сечение примерно в 1000 раз.

Цепное строение макромолекул приводит к анизотропии (зависимости свойств тела, в данном случае механических, оптических, электрических и других свойств полимерного вещества, от направления внутри тела). Анизотропия полимеров ярко выражена при получении волокон и пленок, имеющих потребительский спрос.

Уникальные свойства проявляют такие полимерные материалы, как каучук и резина. Они эластичны и проявляют высокую обратимую деформацию при сжатии или растяжении.

Низкомолекулярное вещество, из которого синтезируют полимер, называют мономером.

Полимеры могут иметь линейную структуру или содержать поперечные связи между линейными цепями.

Линейные полимеры при нагревании размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Это термопластичные полимеры, легко поддающиеся формованию, что позволяет получать из них изделия различных форм. Они инертны в агрессивных химических средах, не подвержены коррозии, и многие из них обладают прекрасными электроизоляционными свойствами.

Высокомолекулярные соединения являются основой пластических масс (пластмасс). Пластмассами называют полимерные материалы, формуемые в изделия в пластическом состоянии обычно при повышенной температуре и под давлением. Пластмассы могут содержать твердые или газообразные наполнители – вещества, изменяющие структуру и механические свойства пластмассы. Например, формование полимера со стекловолокном позволяет получить довольно прочный материал  стеклопластик. Использование в качестве наполнителя пузырьков газа позволяет получить легкие пластмассовые изделия – пенопласты.

Основное достоинство пластмасс  возможность изготовления изделий разнообразной, самой сложной формы без каких-либо отходов (литье под давлением или штамповка). К недостаткам следует отнести горючесть, растрескивание под напряжением (нагрузкой) и довольно низкую температуру эксплуатации, часто не выше 100 ^оС.

Полиэтилен –[СН₂=СН₂]_n– получают в результате радикальной полимеризации этилена при высоком давлении (1000 – 2000 атм) и температуре (200 – 300 ^оС). В качестве инициаторов полимеризации используют пероксиды. Реакция полимеризации длится обычно 1 – 2 мин и завершается превращением примерно 25% мономера в полимер, который отделяют затем от мономера. Так получают полиэтилен высокого давления:

nСН₂=СН₂  –[СН₂=СН₂]_n–.

Молекулярная масса этилена (мономер) СН₂=СН₂ равна 28 г/моль. В полиэтилене число повторяющихся структурных звеньев цени (n) колеблется от 3500 до 10 000

[СН₂СН₂]_{n =3500 – 10000}

и молекулярная масса соответственно лежит в пределах от 100 000 до 300 000 г/моль.

Для получения полиэтилена низкого давления (р = 15 – 30 атм и Т = 70 – 95 ^оС) используют катализатор Циглера – Натта, на основе триэтилалюминия (C₂H₅)₃Al и тетрахлорида титана TiCl₄, благодаря которому осуществляют ионную полимеризацию этилена.

Полиэтилен широко используют в качестве упаковочного материала. Из него делают пленки для парников, обладающие рядом преимуществ перед силикатным стеклом. Полиэтилен используют для изготовления труб, не поддающихся коррозии, из него делают удобную посуду, в которой хранят агрессивные вещества, его используют в качестве электроизоляционных покрытий, разнообразных пенопластов. Температура эксплуатации изделий обычно не выше 100 ^оС.

Полипропилен –[СН₂=СН−СН₃]_n– получают полимеризацией пропилена:

nСН₂=СН−СН₃



…−СН₂−СН−СН₂−СН−СН₂−СН−…

│ │ │

CН₃ CН₃ CН₃

Полипропилен

Возможно образование макромолекул, в которых элементарные звенья цепи могут выстраиваться в строгом порядке. В этом случае группы СН₃ приобретают регулярную пространственную направленность, располагаясь строго по одну сторону от углерод-углеродных связей. Стереорегулярный полипропилен имеет довольно высокую температуру размягчения (около 170 ^оС), повышенную жесткость и твердость. Благодаря этим свойствам его применяют при изготовлении трубопроводов, химической аппаратуры, высокопрочной изоляции и различных предметов домашнего обихода.

Политетрафторэтилен (тефлон) [CF₂CF₂]_n получают радикальной полимеризацией тетрафторэтилена СF₂=CF₂:

nCF₂=CF₂  [CF₂CF₂]_n.

Тефлон обладает уникальными свойствами. Он устойчив к действию любых растворителей, имеет необычайно высокую температуру размягчения, равную 327 ^оС, разложение тефлона идет при 425 ^оС. Тефлон не горит, на него не действуют концентрированные кислоты и щелочи.

Из тефлона изготавливают листы, пленки, волокна, трубы, шланги, изоляцию для проводов, радио- и электротехнические детали, протезы органов человека, покрытия для химической и металлической посуды. Температура эксплуатации возможна до 260-300 ^оС.

Поливинилхлорид −[СН₂=СНCl]_n− получают радикальной полимеризацией винилхлорида СН₂=СНCl. Можно получить регулярный полимер («голова – хвост»), образованию которого способствует высокая полярность молекулы винилхлорида:

nСН₂=СНCl



…−СН₂−СН−СН₂−СН−СН₂−СН−…

│ │ │

Cl Cl Cl

поливинилхлорид

Поливинилхлорид перерабатывают в винипласт – пластмассу, содержащую красители, воски, наполнители (например, оксид титана TiO₂). Винипласт легко подвергается механической обработке. Из него выпускают листы, трубы, плиты. Винипласт легко сваривается, поэтому как конструкционный материал он идет на изготовление химической аппаратуры, покрытие полов, облицовку стен, в качестве тепло- и звукоизоляционного материала, например пенополивинилхлорид. Из прозрачного винипласта изготавливают тару для пищевых продуктов, бутылки.

В виде другого материала – пластиката, в котором используют добавки, снижающие хрупкость поливинилхлорида, он используется для изготовления электропроводов, шлангов, линолеума, плиток для полов, материалов для облицовки стен и обивки мебели, изготовления искусственной кожи. Температура эксплуатации поливинилхлорида не выше 100 ^оС.

Полистирол −[СН₂−СН−С₆Н₅]_n− также, как и предыдущие полимеры получают радикальной полимеризацией мономера – винилбензола, или стирола СН₂=СН−С₆Н₅.

Радикальная полимеризация стирола приводит к образованию нерегулярного полистирола.

nСН₂=СН−С₆Н₅



полистирол

В таком полимере нерегулярные макромолекулы, содержащие объемные заместители, не могут образовывать кристаллы. Когда соединение структурных звеньев полистирола идет хаотично, он находится в аморфном состоянии, легко плавится и растворяется в органических растворителях.

Полистирол получил широкое распространение, благодаря дешевизне и легкости переработки. Он применяется в качестве конструкционного, изоляционного и отделочного материала для изготовления корпусов и панелей радиотехнических приборов, посуды, авторучек, коробок для кассет и лазерных дисков, игрушек, осветительной арматуры. Главный недостаток полистирола – хрупкость, в чем легко убедиться, наступив на корпус шариковой ручки. Температура эксплуатации не выше 60 ^оС.

Ударопрочный полистирол получают введением в расплав полистирола (дисперсионная среда) дисперсной фазы однородно распределенного в полистироле бутадиенового каучука. Такой полистирол используют для изготовления корпусов промышленных и бытовых холодильников, бутылей, посуды разового пользования, мебели, конторского оборудования, чемоданов. Полистирол – один из самых дешевых и доступных пластиков.

Полиметилметакрилат получают радикальной полимеризацией метилового эфира метакриловой кислоты в присутствии пероксидного инициатора при температуре 40 – 60 ^оС:

метилметакрилат (ММА) полиметилметакрилат (ПММА)

Полиметилметакрилат (ПММА) – твердое, бесцветное, ударопрочное, прозрачное вещество. Производят в виде листов (органическое стекло) или гранул. Органическое стекло, в отличие от обычного силикатного стекла, легко поддается механической обработке и склеиванию. Применяют для остекления самолетов, изготовления светильников, рекламных щитов, дорожных знаков. В автомобилях из ПММА обычно изготавливают корпуса осветительных приборов.

Полиакрилонитрил. Исходный акрилонитрил получают присоединением к ацетилену циановодорода (HCN):

НССН + НСNН₂С=СНCN.

При радикальной полимеризации акрилонитрила получается полиакрилонитрил.

Волокно из полиакрилонитрила (нитрон) обладает устойчивостью к свету и сырости, к температурам до 200 ^оС, к кислотам и щелочам.

nН₂С=СНCN



CN



[CH₂CH]_n

полиакрилонитрил

Полиакрилонитриловое волокно широко используют при изготовлении тентов, парусов, флагов, из него делают материал для костюмных тканей.