С трудом можно представить себе сегодняшнюю жизнь без полимеров – сложных синтетических веществ, которые получили широкое распространение в различных областях человеческой деятельности. Полимеры – это высокомолекулярные соединения природного либо синтетического происхождения, состоящие из мономеров, соединенных химическими связями. Мономером является повторяющееся звено цепи, которое содержит исходную молекулу.

Органические высокомолекулярные соединения

Благодаря своим уникальным свойствам высокомолекулярные соединения успешно заменяют в различных сферах жизнедеятельности такие натуральные материалы, как дерево, металл, камень, завоевывая новые области применения. Для систематизации такой обширной группы веществ принята классификация полимеров по различным признакам. К ним относится состав, способ получения, пространственная конфигурация и так далее.

Классификация полимеров по химическому составу подразделяет их на три группы:

• Органические высокомолекулярные вещества.
• Элементоорганические соединения.
• Неорганические высокомолекулярные соединения.

Самую большую группу представляют органические ВМС – смолы, каучуки, растительные масла, то есть продукты животного, а также растительного происхождения. Макромолекулы этих веществ в главной цепи наряду с атомами углерода имеют атомы кислорода, азота и других элементов.

Их свойства:

• обладают способностями к обратной деформации, то есть эластичностью при невысоких нагрузках;
• при небольшой концентрации могут образовывать вязкие растворы;
• меняют физические и механические характеристики под действием минимального количества реагента;
• при механическом воздействии возможно направленное ориентирование их макромолекул.

Элементоорганические соединения

Элементоорганические ВМС, в состав макромолекул которых входят, кроме атомов неорганических элементов – кремния, титана, алюминия - и органические углеводородные радикалы, созданы искусственным путем, и в природе их нет. Классификация полимеров делит их, в свою очередь, на три группы.

• Первая группа – это вещества, в которых главная цепь составлена из атомов некоторых элементов, окруженных органическими радикалами.
• Во вторую группу входят вещества с основной цепью, содержащей чередующиеся атомы углерода и таких элементов, как сера, азот и другие.
• Третья группа включает вещества с органическими главными цепями, окруженными различными элементоорганическими группами.

Примером могут служить кремнийорганические соединения, в частности силикон, обладающий высокой износоустойчивостью.

Неорганические высокомолекулярные соединения в главной цепочке содержат оксиды кремния и металлов – магния, алюминия или кальция. У них нет боковых органических атомных групп. Связи в главных цепочках ковалентные и ионно-ковалентные, что обусловливает их высокую прочность и термостойкость. К ним относятся асбест, керамика, силикатные стекла, кварц.

Карбоцепные и гетероцепные ВМС

Классификация полимеров по химическому составу основной полимерной цепи предполагает деление этих веществ на две большие группы.

• Карбоцепные, у которых основная цепочка макромолекулы ВМС состоит лишь из атомов углерода.
• Гетероцепные, в которых в главной цепочке находятся вместе с атомами углерода другие атомы, придающие данному веществу дополнительные свойства.

Каждая из этих больших групп состоит из следующих подгрупп, отличающихся строением цепочки, количеством заместителей, их составом, числом боковых ветвей:

• соединения с насыщенными связями в цепях, примером которых могут служить полиэтилен или полипропилен;
• полимеры с ненасыщенными связями в главной цепи, например полибутадиен;
• галогензамещенные высокомолекулярные соединения – тефлон;
• полимерные спирты, примером чего является поливиниловый спирт;
• ВМС, полученные на основе производных спиртов, пример - поливинилацетат;
• соединения, полученные на основе альдегидов и кетонов, такие как полиакролеин;

• полимеры, полученные на основе карбоновых кислот, представителем которых является полиакриловая кислота;
• вещества, полученные из нитрилов (ПАН);
• высокомолекулярные вещества, полученные из ароматических углеводородов, например полистирол.

Деление по природе гетероатома

Классификация полимеров может зависеть и от природы гетероатомов, она включает несколько групп:

• с атомами кислорода в главной цепи – простые и сложные полиэфиры и перекиси;
• соединения с содержанием в основной цепочке атомов азота – полиамины и полиамиды;
• вещества с атомами кислорода и также азота в главной цепи, примером которых стали полиуретаны;
• ВМС с атомами серы в основной цепочке – политиоэфиры и политетрасульфиды;
• соединения, у которых присутствуют в главной цепи атомы фосфора.

Природные полимеры

В настоящее время принята также классификация полимеров по происхождению, по химической природе, которая делит их следующим образом:

• Природные, их называют еще биополимерами.
• Искусственные вещества, являющиеся высокомолекулярными.
• Синтетические соединения.

Природные ВМС составляют основу жизни на Земле. Важнейшими из них являются белки – «кирпичики» живых организмов, мономерами которых выступают аминокислоты. Белки участвуют во всех биохимических реакциях организма, без них невозможна работа иммунной системы, процессы свертывания крови, образование костной и мышечной ткани, работа по преобразованию энергии и многое другое. Без нуклеиновых кислот невозможны хранение и передача наследственной информации.

Полисахариды – это высокомолекулярные углеводороды, которые вместе с белками участвуют в обмене веществ. Классификация полимеров по происхождению позволяет выделить природные высокомолекулярные вещества в особую группу.

Искусственные и синтетические полимеры

Искусственные полимеры получают из природных различными способами химической модификации для придания им необходимых свойств. Примером может служить целлюлоза, из которой получают многие пластмассы. Классификация полимеров по происхождению характеризует их как искусственные вещества. Синтетические ВМС получают химическим путем с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Их свойства, а следовательно и область применения, зависят от длины макромолекулы, то есть от молекулярного веса. Чем он больше, тем прочнее полученный материал. Очень удобна классификация полимеров по происхождению. Примеры подтверждают это.

Линейные макромолекулы

Любая классификация полимеров достаточно условна, и каждая имеет свои недостатки, так как не может отобразить все характеристики данной группы веществ. Тем не менее она помогает каким-то образом их систематизировать. Классификация полимеров по форме макромолекул представляет их в виде следующих трех групп:

• линейные;
• разветвленные;
• пространственные, которые еще называются сетчатыми.

Длинные, изогнутые или спиралеобразные цепочки линейных ВМС придают веществам некоторые уникальные свойства:

• за счет появления межмолекулярных связей образуют прочные волокна;
• они способны к большим и длительным, но в то же время обратимым деформациям;
• важным свойством является их гибкость;
• при растворении эти вещества образуют растворы с высокой вязкостью.

Разветвленные макромолекулы

Разветвленные полимеры тоже имеют линейное строение, но со множеством боковых ветвей, более коротких, чем основная. При этом изменяются и их свойства:

• растворимость у веществ с разветвленной структурой выше, чем у линейных, соответственно, они образуют растворы меньшей вязкости;
• при увеличении длины боковых цепей становятся слабее межмолекулярные силы, что ведет к увеличению мягкости и эластичности материала;
• чем выше степень разветвленности, тем больше физические свойства такого вещества приближаются к свойствам обычных низкомолекулярных соединений.

Трехмерные макромолекулы

Сетчатые высокомолекулярные соединения бывают плоскими (лестничного и паркетного типа) и трехмерными. К плоским можно отнести натуральный каучук и графит. В пространственных полимерах имеются поперечные связи-«мостики» между цепями, образующие одну большую трехмерную макромолекулу, обладающую необычайной твердостью.

Примером может служить алмаз или кератин. Сетчатые высокомолекулярные соединения являются основой резин, некоторых видов пластмасс, а также клеев и лаков.

Термопласты и реактопласты

Классификация полимеров по происхождению и по отношению к нагреванию призвана охарактеризовать поведение этих веществ при изменении температуры. В зависимости от процессов, происходящих при нагревании, получаются разные результаты. Если межмолекулярное взаимодействие ослабевает и увеличивается кинетическая энергия молекул, то вещество размягчается, переходя в вязкое состояние. При снижении температуры оно возвращается в обычное состояние – его химическая природа остается неизменной. Такие вещества называют термопластическими полимерами, например полиэтилен.

Другая группа соединений получила название термореактивных. Механизм происходящих в них при нагревании процессов совершенно другой. При наличии двойных связей или функциональных групп они взаимодействуют между собой, меняя химическую природу вещества. Оно не может восстановить свою первоначальную форму при охлаждении. Примером могут служить различные смолы.

Способ полимеризации

Еще одна классификация полимеров – по способу получения. Существуют такие способы получения ВМС:

• Полимеризация, которая может проходить с использованием ионного механизма реакции и свободнорадикального.
• Поликонденсация.

Полимеризацией называется процесс образования макромолекул путем последовательного соединения мономерных звеньев. Ими обычно являются низкомолекулярные вещества с кратными связями и циклическими группами. Во время реакции следует разрыв двойной связи или связи в циклической группе, и происходит образование новых между этими мономерами. Если в реакции участвуют мономеры одного вида, она называется гомополимеризацией. При использовании разных видов мономеров происходит реакция сополимеризации.

Реакция полимеризации – это цепная реакция, которая может протекать самопроизвольно, однако для ее ускорения применяются активные вещества. При свободнорадикальном механизме процесс протекает в несколько стадий:

• Инициирование. На данной стадии путем светового, теплового, химического или какого-либо другого воздействия образуются в системе активные группы – радикалы.
• Рост длины цепи. Эта стадия характеризуется присоединением следующих мономеров к радикалам с образованием новых радикалов.
• Обрыв цепи получается при взаимодействии активных групп с образованием неактивных макромолекул.

Невозможно контролировать момент обрыва цепи, и поэтому образующиеся макромолекулы отличаются разной молекулярной массой.

Принцип действия ионного механизма реакции полимеризации такой же, как и свободнорадикального. Но здесь в качестве активных центров выступают катионы и анионы, поэтому различают катионную и анионную полимеризацию. В промышленности радикальной полимеризацией получают важнейшие полимеры: полиэтилен, полистирол и многие другие. Ионная полимеризация применяется при производстве синтетических каучуков.

Поликонденсация

Процесс образования высокомолекулярного соединения с отделением в качестве побочного продукта каких-то низкомолекулярных веществ – поликонденсация, которая отличается от полимеризации еще тем, что элементный состав образующейся макромолекулы не соответствует составу начальных веществ, участвующих в реакции. В них могут участвовать только соединения с функциональными группами, которые, взаимодействуя, отщепляют молекулу простого вещества и образуют новую связь. При поликонденсации бифункциональных соединений образуются линейные полимеры. Когда в реакции участвуют полифункциональные соединения, образуются ВМС с разветвленной или даже пространственной структурой. Образующиеся в процессе реакции низкомолекулярные вещества тоже взаимодействуют с промежуточными продуктами, вызывая обрыв цепи. Поэтому их лучше удалять из зоны реакции.

Определенные полимеры нельзя получить известными способами полимеризации или поликонденсации, так как нет требуемых исходных мономеров, способных участвовать в них. В этом случае синтез полимера ведется с участием высокомолекулярных соединений, содержащих функциональные группы, которые способны реагировать друг с другом.

С каждым днем усложняется классификация полимеров, так как появляется все больше новых видов этих удивительных веществ с заранее заданными свойствами, и человек уже не мыслит своей жизни без них. Однако возникает другая проблема, не менее важная – возможность их легкой и дешевой утилизации. Решение этой проблемы очень важно для существования планеты.

Полимеры – это органические и неорганические вещества, которые подразделяются на различный типы и виды. Что представляют из себя полимеры, и какова их классификация?

Общая характеристика полимеров

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся структурных звеньев, связанных с друг другом химической связью. Полимеры могут быть органическими и неорганическими, аморфными или кристаллическими веществами. В полимерах всегда находится большое количество мономерных звеньев, если это количество слишком мало, то это уже не полимер, а олигомер. Количество звеньев считается достаточным, если при добавлении нового мономерного звена свойства не изменяются.

Рис. 1. Полимер структура.

Вещества, из которых получают полимеры, называются мономерами.

Молекулы полимеров могут иметь линейную, разветвленную или трехмерную структуру. Молекулярный вес обычных полимеров колеблется от 10000 до 1000000.

Реакция полимеризации характерна для многих органических веществ, в которых имеются двойные или тройные связи.

Например: реакция образования полиэтилена:

nCH 2 =CH 2 —> [-CH 2 -CH 2 -]n

где n – число молекул мономера, взаимно соединенных в процессе полимеризации, или степень полимеризации.

Полиэтилен получают при высокой температуре и высоком давлении. Полиэтилен химически устойчив, механически прочен и поэтому широко применяется при изготовлении оборудования в различных отраслях промышленности. Он обладает высокими электроизоляционными свойствами, а также используется в качестве упаковки продуктов.

Рис. 2. Вещество полиэтилен.

Структурные звенья – многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов.

Виды полимеров

По своему происхождению полимеры можно разделить на три типа:

• природные . Природные или натуральные полимеры можно встретить в природе в естественных условиях. К этой группе относятся, например, янтарь, шелк, каучук, крахмал.

Рис. 3. Каучук.

• синтетические . Синтетические полимеры получают в лабораторных условиях, синтезирует их человек. К таким полимерам относятся ПВХ, полиэтилен, полипропилен, полиуретан. эти вещества не имеют ни какого отношения к природе.
• искусственные . Искусственные полимеры отличаются от синтетических тем, что они синтезированы хоть и в лабораторных условиях, но на основе природных полимеров. К искусственным полимерам относится целлулоид, ацетатцеллюлоза, нитроцеллюлоза.

С точки зрения химической природы полимеры делятся на органические, неорганические и элементоорганические. Большая часть всех известных полимеров являются органическими. К ним относятся все синтетические полимеры. Основу веществ неорганической природы составляют такие элементы, как S, O, P, H и другие. Такие полимеры не бывают эластичными и не образуют макроцепей. Сюда относятся полисиланы, поликремниевые кислоты, полигерманы. К полимерам с элемнтоорганической природой относится смесь как органических, так и неорганических полимеров. Главная цепь – всегда неорганическая, боковые – органические. Примерами полимеров могут служить полисилоксаны, поликарбоксилаты, полиорганоциклофосфазены.

Все полимеры могут находится в разных агрегатных состояниях. Они могут быть жидкостями (смазки, лаки, клеи, краски), эластичными материалами (резина, силикон, поролон), а также твердыми пластмассами (полиэтилен, полипропилен).

Как вы смогли убедиться на примере рассмотрения органических соединений живой природы, многие из них имеют полимерную природу.

Полимерные вещества и материалы на их основе прочно вошли в повседневную жизнь человека. Разнообразие областей их применения требует придания этим веществам свойств, которыми не обладают природные полимеры.

Химики нашли способы химической модификации природных полимеров. При этом основная цепь макромолекул не претерпевает изменений, но в составе вещества появляются новые группы атомов, придающие ему новые физические и химические свойства.

Схематично получение искусственных полимеров можно изобразить следующим образом:

Искусственные полимеры используют для изготовления пластмасс, волокон и других материалов.

Полимер и пластмасса - это не одно и то же. Любая пластмасса содержит полимер, но кроме него в ее состав могут входить и другие компоненты: красители (придают материалу цвет), наполнители (обеспечивают жесткость пластмассы), пластификаторы (делают материал более эластичным, гибким) и др.

Пожалуй, самым удобным природным полимером для химической реконструкции его молекул является целлюлоза.

Первая пластмасса была получена в конце XIX в. в Америке. При обработке целлюлозы концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты две гидроксильные группы в структурном звене замещаются на нитрогруппы. Полученное вещество называют динитратом целлюлозы:

целлюлоза + HNO 3 → динитрат целлюлозы + вода.

При добавлении к динитрату целлюлозы камфоры (в качестве пластификатора) получают пластмассу молочно-белого цвета, похожую на слоновую кость. Эта пластмасса получила название целлулоид.

Первыми изделиями, которые были изготовлены из целлулоида, стали бильярдные шары, затем мелкие бытовые предметы: расчески, игрушки, линейки. Из нитратов целлюлозы изготавливали кино- и фотопленку.

Большим недостатком целлулоида является его горючесть. Ввиду повышенной пожароопасности область применения целлулоида теперь ограничена. В настоящее время из этого материала изготавливают теннисные шарики и красивую, блестящую облицовку музыкальных инструментов. На основе нитратов целлюлозы изготавливают клей и лаки.

Люди научились многие недостатки веществ обращать в достоинства. Сделать динитрат целлюлозы еще более горючим можно, превратив его в тринитрат. Тринитрат целлюлозы используют в качестве пороха и называют пироксилином.

На основе искусственных полимеров получают не только пластмассы, но и волокна.

Сама целлюлоза - это волокнистый материал. В этом легко убедиться, рассмотрев кусочек медицинской ваты. Из целлюлозных волокон состоят хлопчатобумажные и льняные ткани. Наряду с неоспоримыми преимуществами изделия из хлопка и льна обладают существенными недостатками. Они недостаточно прочны (особенно при намокании), легко мнутся, не имеют блеска, повреждаются грибком.

Этих недостатков лишены изделия из самого распространенного искусственного волокна - ацетатного шелка.

Процесс получения полимера для изготовления ацетатных нитей очень напоминает получение динитрата целлюлозы. Только в этом случае целлюлозу обрабатывают не азотной, а уксусной кислотой. Все три гидроксильные группы структурного звена целлюлозы вступают в реакцию этерификации. В результате образуется полимер с тремя сложноэфирными группами - триацетат целлюлозы:

целлюлоза + СН 3 СООН → триацетат целлюлозы + вода.

Триацетат целлюлозы, в отличие от исходного природного полимера, волокнистой структурой не обладает. Как же изготовить из него нити? Для этого был придуман специальный технологический процесс.

Триацетат целлюлозы растворяют в органическом растворителе до образования вязкого раствора и под большим давлением продавливают его через колпачки со множеством мельчайших отверстий - так называемые фильеры. Струйки раствора обдуваются теплым воздухом, растворитель испаряется, полимер затвердевает в тончайшие нити (рис. 83).

Рнс. 83.
Схема формирования волокон:
1 - фильера; 2 - пучок волокон

Ткани из ацетатного волокна (ацетатного шелка) очень красивы, легко окрашиваются и многофункциональны: из них с одинаковым успехом изготавливают и подкладочный материал, и нарядные бальные платья.

Помимо ацетатного шелка, к искусственным волокнам относятся также вискоза, медно-аммиачное волокно.

Вискозу также получают на основе целлюлозы путем последовательной обработки раствором щелочи, сероуглеродом CS 2 , раствором кислоты. Вискозное волокно по красоте почти не уступает натуральному, оно также гигиенично (пропускает наружу влагу) и, что немаловажно, намного дешевле натурального.

Можно ли совсем отказаться от природного полимерного сырья при производстве пластмасс и волокон? Для современной химии нет ничего невозможного! О синтетических полимерах пойдет речь в следующем параграфе.

Новые слова и понятия

1. Искусственные полимеры.
2. Пластмассы.
3. Целлулоид.
4. Волокна.
5. Ацетатное волокно, вискоза, медно-аммиачное волокно.

Вопросы и задания

1. Какие полимеры называют искусственными? В чем их отличие от природных?
2. Пластмассы иногда называют композиционными материалами. Объясните происхождение этого термина.
3. Какую пластмассу называют целлулоидом? Как и из чего ее получают? Укажите недостаток этого полимера. Перечислите области применения целлулоида.
4. На упаковках с нитроцеллюлозным клеем имеется предупреждение о соблюдении при работе с ним мер пожарной безопасности. С чем это связано?
5. Что такое волокна? Какие натуральные волокна (животного и растительного происхождения) и искусственные волокна вы знаете?
6. К какому типу реакций относят получение триацетата целлюлозы? К какому классу органических соединений относят продукт этой реакции?
7. Как из триацетата целлюлозы формуют волокно? Для чего используют ткани из ацетатного шелка?

Искусственные полимеры - это материалы и вещества, полученные путем глубокого синтеза из одного или нескольких веществ. Чаще всего за основу берется один компонент, к нему добавляются различные добавки и на выходе имеют совершенно новый продукт, обладающий уникальными свойствами. Случается это из-за того, что изменения происходят на молекулярном уровне, создается новая макромолекула.

Искусственные полимеры делятся на биополимеры и Основой того и другого вида является углерод. Это его молекулу видоизменяют, придавая ей новые качества. Биополимеры получают путем модификации, то есть придавая исходному веществу недостающие свойства. В основном это делается для того, чтобы придать материалу пластичность или прочность. Примером может служить получения полимера под названием "целлулоид", который производят из природного сырья - целлюлозы (она сама является далее он идет для создания тканей. Синтетические виды получают двумя технологическими путями. Это методы полимеризации и поликонденсации. Они позволяют получить новые вещества из азота, углекислоты и водорода. Таким путем производят полипропилен - это полимер, который используется практически во всех областях жизнедеятельности человека.

Искусственные полимеры получили широкое распространение в промышленности и в быту. Эти материалы прочны, долговечны, эластичны, сравнительно дешевы по сравнению с натуральными материалами. Слово «натуральное» постепенно становится
определенным символом, который значительно повышает стоимость готового продукта. Многие считают, что натуральные материалы гарантируют качество и экологичность. При этом мало кто задумывается о том, как в действительности получают искусственные полимеры. Примеры таких материалов показывают, что основная их часть производится из природного сырья с использованием синтетических добавок. Натурального сырья для всего человечества не хватает.

Искусственные полимеры под названиями "силикон" и "латекс" активно используют в медицине и косметологии. Из них изготавливаются имплантанты, их применяют в производстве медицинского оборудования, предметов ухода и прочего.

Искусственные полимеры в применяются в автомобильной промышленности, для производства бытовой и электронной техники и многого другого. Многие предметы в наших домах сделаны из пластмассы: отделочные материалы, предметы быта, игрушки. Все эти вещи могут быть как экологически безопасными, так и представлять определенную опасность для жизни. Зависит это от качества материала. Дело в том, что сама основа для создания полимера инертна с точки зрения экологии. А вот технологические добавки: различные антиоксиданты, стабилизаторы, красители и так далее - могут быть вредными для здоровья. Они могут вызывать аллергические реакции или отравление. Поэтому пластмассовую вещь выбирают по запаху. Качественный полимер запаха не имеет.

Природные и синтетические высокомолекулярные соединения (полимеры)

Высокомолекулярными соединениями, или полимерами, называют сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч и миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев, образующихся в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул - мономеров.

Следующие два процесса приводят к образованию высокомолекулярных соединений: а) реакция полимеризации - процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономера) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя новое вещество (полимер), молекулярная масса которого в целое число раз больше, чем у мономера; полимеризация характерна, главным образом, для соединений с кратными (двойными или тройными) связями; б) реакция поликонденсации - процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп таких веществ, как вода, аммиак, галогеноводород и т.п.; состав элементарного звена полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера.

Примерами природных высокомолекулярных соединений могут служить крахмал и целлюлоза, построенные из элементарных звеньев, являющихся остатками моносахарида (глюкозы), а также белки, элементарные звенья которых представляют собой остатки аминокислот; сюда же относятся природные каучуки (см. ниже).

Все большее значение приобретают синтетические высокомолекулярные соединения или, как их иначе называют, синтетические полимеры. Это разнообразные материалы, обычно синтезируемые из доступного и дешевого сырья; на их основе получают пластические массы (пластмассы) - сложные композиции, в которые вводят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств, а также синтетические волокна (см. § 177).

Полимеры являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи, клеев и т.п.). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные - шелковые, шерстяные, хлопчатобумажные. При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств. Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.

Полимеризационные смолы. К полимеризационным смолам относятся полимеры, получаемые реакцией полимеризации преимущественно этиленовых углеводородов или их производных.

Полиэтилен - представляет собой полимер, образующийся при полимеризации этилена, например при сжатии его до 150-250 МПа при 150-250 °С (полиэтилен высокого давления)

или сокращенно:

Реакция полимеризации представляет собой результат раскрытия двойных связей во множестве молекул непредельного соединения (в данном случае этилена) и последующего соединения этих молекул друг с другом в одну гигантскую макромолекулу. Величина п выражает степень полимеризации - указывает число мономерных звеньев, образующих макромолекулу. Начало полимеризации этилена вызывается введением небольшого количества (0,05-0,1%) кислорода.

Найдены катализаторы, благодаря которым этилен полимеризует- ся при низких давлениях. Например, в присутствии триэтил-алюми- ния (C 2 H 5) 3 Al с добавкой хлорида титана (IV) TiCl 4 (катализатор Циглера) полимеризация протекает при атмосферном давлении (получается полиэтилен низкого давления)", на оксидах хрома (катализатор Филипса) полимер образуется при давлении до 10 МПа (полиэтилен среднего давления).

Полиэтилен - предельный углеводород с молекулярной массой от 10 000 до 400 000. Он представляет собой бесцветный полупрозрачный в тонких и белый в толстых слоях, воскообразный, но твердый материал с температурой плавления 110-125 0 C. Обладает высокой химической стойкостью и водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью. Его применяют в качестве электроизоляционного материала, а также для изготовления пленок, используемых в качестве упаковочного материала, для изготовления легкой небьющейся посуды, шлангов и трубопроводов для химической промышленности. Свойства полиэтилена зависят от способа его получения; например, полиэтилен высокого давления обладает меньшей плотностью и меньшей молекулярной массой (10 000-45 000), чем полиэтилен низкого давления (молекулярная масса 70 000-400 000), что сказывается на технических свойствах. Для контакта с пищевыми продуктами допускается только полиэтилен высокого давления, так как полиэтилен низкого давления может содержать остатки катализаторов - вредные для здоровья человека соединения тяжелых металлов.

Полипропилен - образуется из пропилена, следующего за этиленом гомолога непредельных этиленовых углеводородов:

Полимеризация протекает в присутствии катализаторов. В зависимости от условий полимеризации получают полипропилен, различающийся по структуре макромолекул, а следовательно, и по свойствам. По внешнему виду это каучукоподобная масса, более или менее твердая и упругая. Отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления. Например, полипропилен с молекулярной массой выше 80 000 плавится при 174-175 0 C.

Используют полипропилен для электроизоляции, изготовления защитных пленок, труб, шлангов, шестерен, деталей приборов, а также высокопрочного и химически стойкого волокна. Последнее применяют в производстве канатов, рыболовных сетей и др. Пленки из полипропилена значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых, пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать стерилизации, варке и разогреванию.

Полистирол - образуется при полимеризации стирола:

Он может быть получен в виде прозрачной стеклообразной массы. Применяется как органическое стекло, для изготовления промышленных товаров (пуговиц, гребней и т.п.), в качестве электроизолятора.

Поливинилхлорид (полихлорвинил) - получается полимеризацией винилхлорида:

Это - эластичная масса, очень стойкая к действию кислот и щелочей. Широко используется для футеровки труб и сосудов в химической промышленности. Применяется для изоляции электрических проводов, изготовления искусственной кожи, линолеума, непромокаемых плащей. Хлорированием поливинилхлорида получают перхлор- виниловую смолу.

Политетрафторэтилен - полимер тетрафторэтилена:

Политетрафторэтилен выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. Весьма стоек по отношению к щелочам, концентрированным кислотам и другим реагентам. По химической стойкости превосходит золото и платину. Негорюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

Полиакрилаты и полиакрилонитрил. Важное значение имеют полимеры непредельных акриловой CH 2 =CH-COOH и метакриловой CH 2 =C(CH 3)-COOH кислот, особенно их метиловых эфиров - метилакрилата и метилметакрилата, а также нитрила акриловой кислоты (или акрилонитрила ) CH 2 =CH-C=N, - производного этой кислоты, в котором карбоксильная группа -COOH заменена группой -C=N. Строение важнейших из этих полимеров выражается формулами:

Полиметилакрилат и полиметилметакрилат - твердые, бесцветные, прозрачные, стойкие к нагреванию и действию света, пропускающие ультрафиолетовые лучи полимеры. Из них изготовляют листы прочного и легкого органического стекла, широко применяемого для различных изделий. Из полиакрилонитрила получают нитрон (или орлон) - синтетическое волокно, идущее на производство трикотажа, тканей (костюмных и технических).

Каучуки - эластичные материалы, из которых путем специальной обработки получают резину. В технике из каучуков изготовляют шины для автотранспорта, самолетов, велосипедов; каучуки применяют для электроизоляции, а также для производства промышленных товаров и медицинских приборов.

Натуральный (природный) каучук (HK) представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое число двойных связей; состав его может быть выражен формулой (C 5 H 8) w (где значение п составляет от 1000 до 3000); он является полимером изопрена:

Как видно из этой схемы, при полимеризации изопрена раскрываются обе его двойные связи, а в элементарном звене полимера двойная связь возникает на новом месте - между атомами углерода 2 и 3.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом, тропических (например, бразильского дерева гевея). Другой природный продукт - гуттаперча - также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Сырой каучук липок, непрочен, а при небольшом, понижении температуры становится хрупким. Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации - вводят в него серу и затем нагревают. Вулканизованный каучук называется резиной.

При вулканизации сера присоединяется к двойным связям макромолекул каучука и «сшивает» их, образуя дисульфидные «мостики».

В результате вулканизации каучук теряет пластичность, становится упругим.

По способу, предложенному С.В. Лебедевым (1874-1934), исходным материалом для производства синтетического каучука (CK) служит непредельный углеводород бутадиен, или дивинил, который по- лимеризуется подобно изопрену:

По Лебедеву, исходный бутадиен получают из этилового спирта. Теперь разработано получение его из бутана попутного нефтяного газа.

В настоящее время химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный каучук. Кроме полибутадиенового каучука (СКВ), широко применяются сополимерные каучуки - продукты совместной полимеризации (сополимеризации ) бутадиена с другими непредельными соединениями, например со стиролом (CKC) или с акрилонитрилом (СКН):

В молекулах этих каучуков звенья бутадиена чередуются со звеньями соответственно стирола и акрилонитрила.

Конденсационные смолы - к ним относят полимеры, получаемые реакцией поликонденсации.

Фенолоформальдегидные смолы. Эти высокомолекулярные соединения образуются в результате взаимодействия фенола (C 6 H 5 OH) с формальдегидом (CH 2 =O) в присутствии кислот (НС1 и др.) или щелочей (NaOH, NH 4 OH) в качестве катализаторов. Образование фенолоформальдегидных смол происходит согласно схеме:

Процесс сопровождается выделением воды. Фенолоформальдегид- ные смолы обладают замечательным свойством: при нагревании они вначале размягчаются, а при дальнейшем нагревании (особенно в присутствии соответствующих катализаторов) затвердевают. Из этих смол готовят ценные пластические массы - фенопласты: смолы смешивают с различными наполнителями (древесной мукой, измельченной бумагой, асбестом, графитом и т.п.), с пластификаторами, красителями, и из полученной массы изготовляют методом горячего прессования различные изделия. В последние годы фенолоформаль- дегидные смолы нашли новые области применения, например производство строительных деталей из отходов древесины, изготовление оболочковых форм в литейном деле.

Полиэфирные смолы. Примером таких смол может служить продукт поликонденсации двухосновной ароматической терефталевой кислоты с двухатомным спиртом этиленгликолем:

Полиэтилентерефталат - полимер, в молекулах которого многократно повторяется группировка сложного эфира. В России эту смолу выпускают под названием лавсан (за рубежом - терилен , дакрон). Из нее готовят волокно, напоминающее шерсть, но значительно более прочное, дающее несминаемые ткани. Лавсан обладает высокой термо-, влаго- и светостойкостью, устойчив к действию щелочей, кислот и окислителей.

Полиамидные смолы. Полимеры этого типа являются синтетическими аналогами белков. В их цепях имеются такие же, как в белках, многократно повторяющиеся амидные -СО-NH- группы. В цепях молекул белков они разделены звеном из одного С-атома, в синтетических полиамидах - цепочкой из четырех и более С-атомов. Волокна, полученные из синтетических смол, - капрон, энант и анид - по некоторым свойствам значительно превосходят натуральный шелк. В текстильной промышленности из них вырабатывают красивые прочные ткани и трикотаж. В технике используют изготовленные из капрона или анида веревки, канаты, отличающиеся высокой прочностью; эти полимеры применяют также в качестве основы автомобильных шин, для изготовления сетей, различных технических тканей.

Капрон является продуктом поликонденсации аминокапроновой кислоты:

Энант - поликонденсат аминоэнантовой кислоты, содержащей цепь из семи атомов углерода.

Анид (найлон или перлон ) получается поликонденсацией двухосновной адипиновой кислоты HOOC-(CH 2) 4 -COOH и гексамети- лендиамина NH 2 -(CH 2) 6 -NH 2 . Строение цепи анида можно выразить формулой:

Натуральные и химические волокна. Все текстильные волокна, применяемые для производства различных видов пряжи, подразделяют на натуральные и химические.

Натуральными - называют волокна, образующиеся в растениях (хлопковое, льняное и другие волокна, состоящие из целлюлозы) или из выделений живых организмов (шерсть, шелковые нити, выделяемые тутовым шелкопрядом, состоящие из белков),

Химическими - называют все волокна, которые производятся искусственным путем. Их, в свою очередь, подразделяют на искусственные , получаемые при химической переработке природных веществ (главным образом, целлюлозы), и синтетические , изготовляемые из специально синтезируемых химических материалов (главным образом, синтетических высокополимеров).

К искусственным относятся волокна вискозного, ацетатного и медноаммиачного шелка, получаемого переработкой целлюлозы. Примерами синтетических волокон служат рассмотренные выше волокна из полимеров, полученных полимеризацией (нитрон) или поликонденсацией (лавсан, капрон, энант, анид) смол.