Строение полимеров

Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов-звеньев, соединенных химическими связями. Например, в макромолекуле поли-

винилхлорида

 

 

Полимеры получают из мономеров – веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев, на основе реакций полимеризации или поликонденсации.

При реакции полимеризации образование полимера из молекул мономера происходит без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этом реакции в полимере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав. Наиболее распространенной разновидностью реакции полимеризации является цепная полимеризация.

При реакции поликонденсации образование полимера из мономера происходит с выделением низкомолекулярных веществ (воды, спирта, аммиака и другие). Элементный состав полимерной молекулы при этом отличается от элементного состава мономерной молекулы. На основе реакции поликонденсации получают широко распространенные полимеры, например феноло-формальдегидные смолы, полиэфиры и другие. Термин смола используется часто наряду с названием полимер.

В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться при нагревании и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств. Термореактивные при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения. В термопластичных полимерах из макромолекул с линейной структурой, между молекулами действуют сравнительно слабые молекулярные силы Ван-дер-Ваальса. При нагреве связи между молекулами ослабляются, материал становиться мягким и податливым. У термореактивных полимеров кроме сил Ван-дер-Ваальса имеются поперечные ковалентные связи между молекулами. Поэтому термореактивный материал остается твердым при нагреве.

На свойства полимера оказывает влияние и упорядоченность их структуры. В полимерах с регулярной структурой макромолекул, т.е. с определенным порядком чередования элементарных звеньев, возможно наличие кристаллических областей, характеризуемых строго определенным пространственным расположением цепей и одновременно элементарных звеньев макромолекул. Такие полимеры называют кристаллическими.

В аморфных полимерах отсутствует дальний порядок в расположении макромолекул, у них на сравнительно больших участках главные цепи соседних молекул располагаются параллельно.

Кристаллические полимеры обычно содержат кристаллическую и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от степени кристалличности – соотношения аморфной и кристаллической фаз.

В зависимости от температуры полимеры могут находиться в одном из следующих физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем. Температуры переходов называются температурами стеклования T_ст и текучести T_тек соответственно.

Различия между физическими состояниями полимеров проявляются при деформировании (рисунок 18)

В стеклообразном состоянии полимеры обладают хрупкостью. При температуре выше T_ст материалы обладают большой упругой деформацией и находятся в высокоэластичном состоянии. Полимеры, находящиеся в ВЭС в широком интервале температур, называются эластомерами или каучуками. Если нагреть полимер выше температуры T_тек, то материал переходит в вязкотекучее состояние. В этом состоянии материал обладает необратимыми пластическими деформациями.

Полимеры делят на полярные и неполярные (подробнее о них и их свойствах в теме №10 Диэлектрики).

К линейным неполярным полимерам, получаемым полимеризацией, относятся полиэтилен, полистирол, полипропилен, политетрафторэтилен (фторопласт-4) и другие.

К линейным полярным полимерам, также получаемым полимеризацией, относятся поливинилхлорид, политрифторхлорэтилен (фторопласт-3), полиметилметакрилат (органическое стекло) и другие. Свойства, применение названных полимеров, их параметры см. в литературе [1,3].

На основе реакций поликонденсации получают различные полимеры (смолы): феноло-формальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиэфирные, кремнийорганические, полиамидные, полиимидные и другие.

В зависимости от условий проведения реакции поликонденсации можно получить термопластичные смолы, называемые новолачными, или термореактивные, называемые резольными, или бакелитом. Смолы используют в качестве связующего при производстве пластмасс, лаков, компаундов, композиционных материалов.

Один из термопластичных полимеров, получаемых на основе реакции поликонденсации, называется полиэтилентерефталат (лавсан), широко применяется в качестве изоляционного материала. Кремнийорганические смолы (силиконы) обладают высокой термо-тепло-водо-атмосферостойкостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Полиимиды относятся к группе наиболее нагревостойких органических полимеров, в отличии от полиамидов. Подробнее о их свойствах и применении в литературе [1,3,9].

ПЛАСТМАССЫ представляют собой органические материалы на основе полимеров, способные при нагреве размягчаться и под давлением принимать приданную устойчивую форму. Простые пластмассы состоят из одних химических полимеров (смол). Сложные пластмассы кроме смол (связующего) содержат добавки: наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, катализаторы и другие, которые придают пластмассам те или иные свойства.