Строение и свойства полимеров

Полимеры — химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями.

Макромолекулы полимеров могут иметь различную геометрическую форму в зависимости от строения основной цепи.

1) Линейная (волокна, полиэтилен, сера пластическая).

2) Разветвленная (крахмал, полиэтилен высокого давления).

3) Пространственная (резина, фенолформальдегидные смолы, кварц).

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из них: способность образовывать высокопрочные анизотропные волокна и пленки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавкие и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Линейные полимеры могут иметь как кристаллическую, так и аморфную структуру. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфные строение характеризуется отсутствием упорядоченности. Разветвленные и пространственные полимеры, как правило, являются аморфными.

Аморфные полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязко текучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой — пластиками. В висимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеров могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °C — эластичный материал, который при температуре -60°С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °C — твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °C. Целлюлоза — полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол — кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °C, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при температуре около 80 °C.

Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры с помощью света, радиации или «сшивания» под действием химических реагентов.

Некоторые свойства полимеров, например, растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1−2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров — химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.