Полимерные материалы

и быту. С природными высокомолекулярными соединениями — белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами — вы уже познакомились ранее. Здесь мы рассмотрим преимущественно синтетиче-
ские полимеры. Материалы на их основе разделяют на пластмассы (пластики), эластомеры (например, каучуки) и волокна.

Полимеры- это соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят
из повторяющихся фрагментов (структурных звеньев).

Число структурных звеньев, входящих в состав макромолекулы, называют степенью полимеризации.

плавления (при нагревании они постепенно размягчаются), так как содержат макромолекулы различной массы. В состав одного и того же образца полимера входят макромолекулы различной длины, поэтому молекулярная масса полимера представляет собой среднюю массу всех макромолекул. Многие полимеры обладают низкой растворимостью, а сетчатые полимеры вообще нерастворимы, а лишь набухают и поглощают растворитель.

В зависимости от строения макромолекул  различают линейные (полиэтилен), разветвлённые (амилопектин) и сетчатые (резина) полимеры.

Линейные (а), разветвлённые (б) и сетчатые (в) полимеры

Особенности строения полимеров

Физические свойства полимеров

образуется полиэтилен, из стирола — полистирол. Полимеры, образованные из одного мономера (бутадиеновый каучук — из бута диена, полистирол — из стирола), называют гомополимерами, а из двух и более мономеров (бутадиен-стирольный каучук — из бутадиена и стирола) — сополимерами.

Получение полимеров

Существует два способа образования макромолекул —полимеризация и поликонденсация. Полимеризацией называют реакцию соединения молекул одного или  нескольких мономеров в макромолекулы. Например, при полимеризации этилена образуется полиэтилен.

Схема полимеризации в общем виде

(воды, аммиака, хлороводорода), называют поликонденсацией.

В основе реакции поликонденсации большинства синтетических полимеров лежат реакции образования амидов или сложных эфиров. Для синтеза полиамидов используют аминокислоты, молекулы которых содержат две функциональные группы — аминогруппу и карбоксильную. Так, из 6-ами-
нокапроновой кислоты получают полимер, называемый капроном.

Методом поликонденсации получают различные смолы.

заданную форму и сохранять её при эксплуатации. Помимо полимера в  состав пластмасс вводятся наполнители, улучшающие их  механические свойства (прочность), стабилизаторы, препятствующие их медленному окислению, пластификаторы, уменьшающие их хрупкость, красители. Наиболее часто используют твёрдые наполнители в виде порошков мела или графита. Для увеличения жёсткости пластики армируют — вводят в них волокна, ткани или плёнки. Такие материалы, состоящие из нескольких компонентов, каждый из которых сохраняет собственную индивидуальность и свойства, называют композиционными или композитами.

Пластмассы

Углепластики и изделия из них

стекло), полиэтилентерефталат. Заметим, что внешне материалы, выполненные из этих полимеров, могут выглядеть очень похоже и для их распознавания требуются специальные знания.
Название полимера часто помещают на изделии в специальном знаке, используя латинскую аббревиатуру .

Знаки, наносимые на упаковочные
материалы:
а — полиэтилентерефталат;
б — полиэтилен низкой плотности;
в — полипропилен;
г — полистирол;
д — полиметилметакрилат;
е — бумага

пластика (б)

а)

б)

Такое свойство пластмасс называют термопластичностью. Термопластичные пластики можно получать отливкой и формовкой, они могут быть использованы вторично для производства дру
гих изделий.

Термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, при нагревании разлагаются. При этом происходит необратимое изменение их структуры, а в некоторых случаях и разрушение. К числу термопластов относят смолы, получаемые
конденсацией.

Корпус телефонного аппарата,
выполненный из бакелита

В начале XX в. был разработан синтез фенолоформальдегидной смолы (баке-
лита) из фенола и формальдегида. Бакелит — твёрдый, трудногорючий, жёсткий и прочныйматериал с прекрасными изоляционными свойствами. Ранее
в смеси с наполнителем он широко использовался для создания корпусов телефонных аппаратов, деталей машин, розеток, выключателей

заданную форму и сохранять её при эксплуатации.
Состав пластмасс:
• полимеры;
• наполнители, улучшающие механические свойства (прочность);
• стабилизаторы, препятствующие медленному окислению;
• пластификаторы, уменьшающие хрупкость;
• красители.

состоит из переплетённых нитей, расположенных продольными и попе-
речными рядами. Более рыхлое вязаное полотно, образованное одной системой нитей, закрученных в петли, называют трикотажем. Нанесением на ткань полимерного покрытия, сделанного из полиуретана или полипропилена,
получают материал, называемый искусственной кожей.

Волокна

Нить под микроскопом (а); ткань (б); трикотаж (в)

под микроскопом

лён. Оба эти волокна представляют собой целлюлозу. Другим примером природного волокна служит шёлк — белок, производимый гусеницей тутового шелкопряда. Шёлковую нить (как и шерсть) легко отличить от хлопчатобумажного волокна по неприятному запаху палёной кожи, появляющемуся при её поджигании.
Химические волокна получают продавливанием раствора или расплава полимера через фильеры, имеющие вид колпачков с многочисленными узкими отверстиями.
Волокна, получаемые при химической переработке природных полимеров, называют искусственными, а производимые из синтетических полимеров — синтетическими.

из целлюлозы. Для получения вискозы целлюлозу, обычно выделяемую из древесины, растворяют в щелочном растворе серо углерода, а затем выделяют её при подкислении из концентрированного (от лат. viscous — вязкий) раствора. В образовавшейся вискозе, которая по составу и свойствам аналогична исходному природному полимеру, молекулы целлюлозы укладываются друг относительно друга более плотно, чем в природном волокне. Нити и ткани из вискозного волокна по блеску напоминают шёлковые, поэтому их иногда называют искусственным шёлком. Это же название в быту часто относят и к ацетатному волокну, представляющему собой полимер сложных эфиров целлюлозы и уксусной кислоты. Тонкие нити ацетатного волокна получают в результате испарения тонких струек раствора ацетата целлюлозы в ацетоне. Такой способ формования называют «сухим», в отличие от «мокрого», применяемого в производстве вискозы.

полиэфиров. Полиамидное волокно капрон (найлон-6) можно получить конденсацией 6-аминокапроновой кислоты, а найлон-6,6 — взаимодействием адипиновой кислоты с гексаметилендиамином.

пуленепробиваемый шлем из пластика на основе кевлара

углеводороды, содержащие две двойные связи. Молекулы диеновых углеводородов с двумя двойными связями, разделёнными одинарной, при полимеризации образуют вещества,
в которых двойная связь переходит на место одинарной.

Каучуки

Образующийся полимер, в отличие от продуктов полимеризации алкенов, по-прежнему содержит двойные связи, т. е. является непредельным.
Природный каучук (от инд. кау — дерево и учу — плакать, течь), содержащийся в млечном соке некоторых тропических растений, например гевеи и фикуса, представляет собой полимер углеводорода изопрена (2-метилбутадиена-1,3). Сам мономер — это бесцветная легколетучая жидкость, малорастворимая
в воде, хорошо — в органических растворителях. Коллоидный рас-
твор натурального каучука называется латексом.

бензол, толуол) и их хлорпроизводных
(хлороформ). В макромолекулах природного каучука все метильные группы расположены строго по одну сторону от двойных связей, что придаёт веществу особые свойства. В обычном состоянии все макромолекулы закручены в клубки, а при растяжении раскручиваются.
При снятии нагрузки они возвращаются в прежнее состояние, что и обеспечивает материалу эластичность.
При температурах 15—40  0С каучук размягчается, поэтому в чистом виде он используется лишь в производстве рези-
нового клея. При хранении на воздухе каучук стареет — постепенно теряет эластичность вследствие окисления по крат-
ным связям.

Латекс —коллоидный раствор натурального каучука

Структурная формула
натурального каучука