IV. Высокомолекулярные соединения (стр. 1 )

IV. ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

IV.1. Понятие о высокомолекулярных соединениях

Существуют соединения, которые отличаются от других особыми физическими свойствами. Они состоят из гигантских молекул, называемых макромолекулами, и получили название высокомолекулярных соединений (ВМС). Важнейшей особенностью ВМС является цепное строение их макромолекул, т. е. значительное превышение (на несколько порядков) длины молекулы над ее поперечным сечением.

Соединения считают высокомолекулярными, если молекулярная масса превышает 5×103–104. Верхний предел массы макромолекулы указать затруднительно, но известны макромолекулы с массой 6×106. К низкомолекулярным соединениям относятся вещества с молекулярной массой меньше 500. Соединения с промежуточными значениями молекулярной массы (500–5000) называются олигомерами. Они обладают свойствами ВМС и отличаются от низкомолекулярных соединений. Высокомолекулярные соединения часто называют полимерами.

Несмотря на многие сотни атомов, входящих в состав одной макромолекулы, химическое строение ее не так уж сложно. Макромолекулы большинства полимеров построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп атомов – элементарных звеньев, называемых мономерами, которые связаны между собой. Например, макромолекулы полиэтилена и поливинилхлорида.

— СН2 — СН2 — СН2 — СН2 — — СН2 — СН — СН2 — СН —

| |

Cl Cl

полиэтилен поливинилхлорид

Эти молекулы построены из мономеров.

— СН2 — СН2 — — СН2 — СН —

|

Cl

Это позволяет для изображения многих полимеров использовать суммарные формулы.

(— СН2 — СН2 —)n (— СН2 — СН —)n

|

Cl

полиэтилен поливинилхлорид

Хотя ВМС часто имеют тот же процентный состав, что и низкомолекулярные соединения, увеличение молекулярной массы, связанное с образованием длинных цепей, обуславливает их особые свойства:

- невозможность перегонки и перекристаллизации;

- значительная вязкость;

- набухание в растворителях, предшествующее растворению;

- образование пленок и волокон при удалении растворителя, а не кристаллов;

- пластическая деформация;

- обратимая деформация;

- создание изделий из расплава;

- большое разнообразие свойств, обусловленных строением или введением даже незначительных количеств реагентов.

Высокомолекулярные соединения могут быть природными, искусственными и синтетическими. К природным относятся белки, целлюлоза, крахмал, лигнин, каучук, смолы. Для изменения и улучшения свойств природные материалы подвергаются химической обработке. При этом получаются новые искусственные вещества. Примерами таких являются эбонит – продукт вулканизации каучука; целлулоид – пластическая масса, полученная из нитрата целлюлозы (коллоксилина) с добавкой пластификаторов и красителей; галалит – продукт дубления (обработка раствором формальдегида) казеина; искусственные шелка – продукты переработки целлюлозы; ацетатное волокно – триацетат целлюлозы.

Первоначальные попытки синтезировать заменители природных ВМС привели к возникновению принципиально новых соединений, мало похожих на природные, с широким диапазоном применения. В настоящее время в строительной индустрии используются, в основном, синтетические высокомолекулярные соединения.

IV.2. Роль полимерных материалов в строительной технике,

достоинства и недостатки полимеров

Все более широкое применение полимеров в строительстве обусловлено комплексом их ценных свойств, большой спектр которых дает возможность создать материалы для самих разнообразных целей. Большие достижения науки позволяют синтезировать полимеры с любыми желаемыми, специально заданными свойствами.

На основе полимеров созданы конструкционные материалы и важные группы строительных материалов: лаки, каучуки, пластмассы, плёнки, волокна, тепло - и гидроизоляционные материалы, герметики, армированные материалы, полимербетоны, стеклопластики.

Росту производства полимерных материалов способствует громадная и дешевая сырьевая база. Сырьем служат природные и нефтяные газы, отходы коксохимической промышленности, а также водород, аммиак, вода.

К достоинствам полимерных материалов относятся малая объемная масса при удовлетворительной прочности и износостойкости, устойчивость к агрессивным средам, тепло - и звукозащитные свойства, прекрасная декоративность, высокая светопроницаемость для некоторых полимеров. Они образуют многочисленные композиционные материалы с интересными свойствами, служат надёжными антикоррозионными покрытиями.

Полимеры легко подвергаются обработке, хорошо свариваются, склеиваются как друг с другом, так и с другими строительными материалами. Детали и изделия из полимеров легко получаются с помощью автоматизированных процессов: литья, прессования, экструзии (выдавливания). Строительство становится все более крупным потребителем полимерных материалов или изделий на их основе, использование полимеров позволяет резко расширить ассортимент и улучшить качество строительных материалов.

Быстрое массовое внедрение высокомолекулярных соединений сдерживается недостатками различного характера. Недостатком, на который обычно обращают внимание, является специфичность их свойств.

Большинство полимеров легко горит. Поскольку горение сопровождается выделением тепла, то происходит его ускорение. При горении выделяются значительные количества ядовитых легколетучих органических веществ.

Полимеры обладают низкой теплостойкостью, т. е. легко размягчаются при невысоких температурах (80–100 °С).

Под действием постоянных нагрузок в полимерах протекает пластическая деформация.

С течением времени полимеры под влиянием света, тепла, кислорода воздуха «стареют».

Незнание специфических свойств ВМС ведет к неприятным последствиям и тормозит их использование. Известны и применяются способы, успешно устраняющие эти недостатки.

К экономическим недостаткам полимеров относятся высокая стоимость и дефицитность, однако, они устраняются при создании крупнотоннажных производств.

IV.3. Классификация полимеров

Ввиду большого разнообразия полимеров имеется несколько классификаций.

I. По химическому составу основной цепи макромолекулы полимеры делятся на:

- карбоцепные, которые состоят только из атомов углерода;

- гетероцепные, которые содержат кроме атомов углерода атомы кислорода (в полиэфирах и целлюлозе), азота (в полиуретанах и полиамидах), фосфора (в фосфорсодержащих полимерах), серы (в полисульфидных каучуках);

- элементорганические, в цепях которых имеются элементы, не типичные для органических соединений: бор, кремний, алюминий, титан, никель и другие.

II. Полимеры классифицируются по структуре макромолекулы. Макромолекулы могут иметь линейную структуру: зигзагообразные или спиралевидные цепи.

При большой молекулярной массе макромолекулы могут иметь шарообразную форму.

Если основные цепи имеют боковые цепи меньшей длины, то структура называется разветвлённой.

Если боковые цепи имеют большую длину и одинаковый химический состав, то полимеры называются привитыми. Когда боковая цепь большой длины отличается по составу и строению от основной цепи, полимеры называются привитыми сополимерами.

При возникновении между цепями небольшого числа поперечных «мостиков», образованных атомами или группами атомов, получаются сетчатки-полимеры. Они не растворяются в органических растворителях, а только набухают. Их пластичность меньше, чем у линейных. При большом количестве «мостиков» образуются трёхмерные полимеры.

Полимеры, построенные из регулярно чередующихся звеньев, одинаковых или разных, называются стереорегулярными. Условно считая, что зигзагообразная цепь находится в одной плоскости, различают три основных типа стереорегулярных полимеров.

Изотактические полимеры имеют у асимметричного атома одинаковые группы по одну сторону от плоскости цепи.

А А А А

 

С С С С

СН2 СН2 СН2

Синдиотактические полимеры характеризуются регулярным расположением одинаковых заместителей по разные стороны от плоскости цепи.

А А

 

С С С С

СН2 А СН2 СН2 А

Атактические полимеры обладают произвольным размещением заместителей по отношению к плоскости цепи.

А А

 

С С С С

А СН2 СН2 СН2 А

Регулярное строение обуславливает кристаллическое состояние полимеров. Синдиотактические полипропилен и полибутадиен-1,2  – кристаллические вещества с температурами плавления, равными соответственно 181 и 154 °С. Температуры плавления кристаллов изотактических полимеров пропилена и бутадиена соответственно равны 176 и 120 оС.

Вследствие нерегулярности пространственной структуры, атактические полимеры являются аморфными телами. Атактический полипропилен и нерегулярный полибутадиен-1,2 имеют температуру стеклования от -30 до -50 °С. Атактический полистирол имеет температуру стеклования около 80 °С, а изотактический плавится при температуре 230–240 °С.

Изотактические полимеры отличаются химическими свойствами от соответствующих синдио - или атактических полимеров. Например, эфирные группы полиметилакрилата в изоположениях гидролизуются значительно быстрее групп, расположенных в синдиоположениях.

Большая длина цепи полимера позволяет создать блокполимеры, в которых регулярно чередуются изотактические и атактические участки.

III. По методам получения полимеры делятся на полимеризационные и поликонденсационные.

IV. По отношению к нагреванию различают полимеры термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры имеют линейную структуру. Их пластичность изменяется при многократном нагревании и охлаждении. Они могут растворяться или набухать в растворителях. К термопластичным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол.