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.

Синтетические полимеры

В полиграфии применяются разнообразные синтетические полимерные материалы: пластомеры (синтетические смолы и пластические массы); эластомеры (синтетический каучук и резина); краски и клеи; синтетические волокна и ткани; «свободные» пленки; фотополимеры.

Синтетические полимеры получают методами полимеризации, сополимеризации и поликонденсации. Эти процессы рассматриваются в курсе органической химии. Свойства синтетических полимеров зависят от их строения и молекулярной массы. Полимерные материалы с большей молекулярной массой характеризуются более высокой механической прочностью (на разрыв, изгиб, скручивание и пр.) и худшей растворимостью.

Характерной особенностью синтетических полимеров является полидисперсность - молекулы одного и того же полимера могут иметь разную величину, включая разное число структурных звеньев. Поэтому молекулярная масса полимера обозначает не истинную массу каждой молекулы, а лишь некоторое среднее ее значение.

При нагревании синтетические полимеры плавятся, а при охлаждении обычно приобретают аморфную структуру из­за очень большой вязкости расплава перед его затвердеванием. Однако синтетические полимеры могут приобретать и кристаллическую структуру. В этом состоянии у них более высокая температура плавления и они становятся значительно более прочными.

Синтетические полимеры делятся на термопластические, способные многократно переплавляться без заметного изменения свойств, и термореактивные, необратимо затвердевающие при более или менее продолжительном нагревании в результате протекания термохимических реакций.

Синтетические полимерные материалы по многим свойствам существенно превосходят черные и цветные металлы, древесину, стекло, требуют меньших капитальных затрат на организацию их производства и обходятся значительно дешевле.

Полиэтилен

Полиэтилен - полупрозрачный бесцветный очень прочный термопластичный полимер с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. Высокая прочность полиэтилена обусловлена его кристаллическим строением.

Полиэтилен изготавливается полимеризацией этилена при высоком или низком давлении. В первом случае полимеризация этилена происходит при давлении 2000 атмосфер и температуре 500 °C, во втором - при давлении и температуре, близким к нормальным (за счет применения специального катализатора).

Строение и свойства полиэтиленов высокого и низкого давления различны. Полиэтилен низкого давления имеет линейное строение и более высокую температуру плавления. Он прочнее полиэтилена высокого давления, для которого характерно разветвленное строение молекулы.

Полиэтиленовые пленки применяются как упаковочный материал. Низкомолекулярный полиэтилен представляет собой воскообразное вещество и используется как добавка к краскам. Сополимер этилена с винилацетатом - прекрасный материал для изготовления термопластичных переплетных клеев.

Полипропилен

Полипропилен - пластичный бесцветный прозрачный полимер, нерастворимый при комнатной температуре в органических растворителях, устойчивый к кислотам и щелочам, а также морозостойкий. Температура плавления - 160­170 °C. По прочности и стойкости к истиранию полипропилен превосходит полиэтилен.

Поливинилхлорид (винипласт)

Поливинилхлорид (-СН 2 -СНСl-) n - термопластичный твердый полимер, который начинает размягчаться при температуре 92­94 °С и плавиться при 170 °С. При введении пластификаторов, например 30­35% дибутилфталата, поливинилхлорид становится упругоэластичным и гибким. Такой материал называется пластикатом. Поливинилхлорид выпускается в виде пластин и пленок и применяется для изготовления плоских и ротационных стереотипов, дубликатов клише, книжных переплетов, а также текстовинитовых декельных покрышек.

Текстовинит полиграфический представляет собой хлопчатобумажную ткань с нанесенным на нее упругоэластичным слоем из поливинилхлорида, пигментов, наполнителей и пластификатора - дибутил­фталата. Текстовинит полиграфический вырабатывается толщиной 0,65 мм (при допуске ± 0,05 мм). Покрытие должно быть гладким, ровным, упругоэластичным, нелипким и немарким, устойчивым к действию воды, керосина, бензина, машинного масла и не должно иметь неприятного запаха.

Полистирол

Полистирол - твердый прозрачный бесцветный термопластический полимер, размягчающийся при 80 °С и плавящийся при 170 °С. В виде сополимера с акрилонитрилом применялся для отливки типографских шрифтов и пробельного материала. Сополимер, выпускаемый под маркой СНАК­15, содержит 85% стирола и 15% акрилонитрила, отличается высокой прочностью и устойчивостью к действию органических растворителей.

Полиакриламид

Полиакриламид - бесцветный прозрачный полимер, хорошо растворимый при энергичном перемешивании в воде. Полиакриламид применяется для быстрого осаждения пигментов в процессе их синтеза, улучшая их структуру и облегчая процесс изготовления полиграфических красок методом отбивки воды. Этот полимер также используется при изготовлении переплетных клеев, в производстве бумаги и как добавка в увлажняющие растворы для офсетной печати.

Поливинилацетат

Поливинилацетат - термопластичный, бесцветный, прозрачный и твердый полимер. Так же как и поливинилхлорид, он приобретает упругоэластичные свойства при введении пластификатора, например дибутилфталата. В виде хорошо пластифицированной водной дисперсии (поливинилацетатная эмульсия - ПВА) применяется в качестве переплетного клея. Спиртовой раствор поливинилацетата - высокоэластичный лак для лакирования оттисков - используется при припрессовке прозрачных пленок. Поливинил­ацетат применяется и при получении поливинилового спирта.

Винипроз

Винипроз - прозрачный, слегка желтоватый сополимер винилхлорида и метилметакрилата с добавкой стабилизатора - стеарата алюминия. Выпускается в виде прочных прозрачных пластин, которые могут быть гладкими или зернеными. Винипроз используется в качестве матричного материала при изготовлении гальваностереотипов и как материал для монтажа диапозитивов и негативов.

Поливиниловый спирт

Поливиниловый спирт (-СН 2 -СНОН-) n - полимер, хорошо растворимый в воде и в высших спиртах (в этиловом спирте нерастворим). Получается омылением поливинил­ацетата, поскольку мономер - виниловый спирт (СН 2 = СНОН) не существует в свободном состоянии. Еще в 1885 году М.Г.Кучеров пытался получить виниловый спирт присоединением воды к ацетилену, но вместо него получил уксусный альдегид.

Бесцветные клейкие водные растворы поливинилового спирта, очувствленные бихроматом аммония, применялись в качестве копировальных растворов при фотомеханическом изготовлении форм высокой и офсетной печати.

Поликарбонат

Поликарбонат - термопластичный прозрачный бесцветный полимер кристаллического строения. Синтезируется поликонденсацией дифенилолпропана (бифенола А) и хлорангидрида угольной кислоты (фосгена).

Поликарбонат имеет очень высокую температуру плавления (выше 240 °C), а по механической прочности и устойчивости к истиранию превосходит многие металлы и сплавы. Поэтому этот материал используется как заменитель металлов и сплавов при изготовлении силовых деталей в машиностроении.

Феноло-альдегидные смолы

При взаимодействии фенолов с альдегидами, в зависимости от условий реакции, образуются спирто­ или маслорастворимые смолы. Спирторастворимые феноло­альдегидные смолы могут быть термопластичными или термореактивными - в зависимости от соотношения фенола и альдегида и от выбора катализатора.

Если на одну молекулу фенола приходится по одной молекуле альдегида (при кислом катализаторе), получаются термопластичные смолы линейного строения. При этом сначала образуются фенолоспирты, а затем, при их поликонденсации, - спирторастворимая смола линейного строения. Спирторастворимую феноло­альдегидную термопластичную смолу «Идитол» применяют для изготовления спиртовых лаков. Однако такие лаки не светопрочны и заметно темнеют со временем.

Если на одну молекулу фенола приходится две и более молекул альдегида (при щелочном катализаторе), то получаются спирторастворимые термореактивные смолы. В этом случае при реакции сперва образуются двухатомные фенолоспирты (метилольные группы находятся в орто­ и пара­положениях по отношению к фенольному гидроксилу), а затем - молекулярные цепи смолы пространственного строения. Термореактивные смолы применяются для изготовления термореактивных пластических масс, например прессовочных порошков, текстолита, гетинакса, а также бакелитового лака.

Маслорастворимые феноло­альдегидные смолы используются в производстве печатных красок.

Полиамиды

Полиамиды - это чрезвычайно прочные, упругоэластичные бесцветные прозрачные полимеры, которые по своему химическому строению наиболее близки к белкам, в частности к натуральному шелку. Полиамиды применяются для изготовления синтетических волокон: анида (нейлона) и капрона (перлона), а также для прессования многих деталей в машиностроении. Температура плавления капрона около 300 °C, нейлона - 325 °C, при этом нейлон прочнее капрона.

Капрон получается полимеризацией капролактама. Использование капрона в быту общеизвестно. В полиграфии капроновое волокно применяется для сшивания книг и брошюр. Специальным капроновым полотном из моноволокна затягивают декели ротационных печатных машин для устранения отмарывания краски при двусторонней печати.

Некоторые виды спирто­ и водорастворимых полиамидов отвердевают (задубливаются) под действием ультрафиолетового излучения. Они используются при изготовлении фотополимерных печатных форм.

Спирторастворимый смешанный полиамид синтезируется из гексаметилендиамина, капролактама, себациновой и адипиновой дикарбоновых кислот. Водорастворимый сополиамид синтезируется из пиперазина, этилендигликолевой и адипиновой кислот или из пиперазина, гексаметилендиамина, этиленгликолевой и адипиновой дикарбоновых кислот. Оба эти сополиамида также применяются для изготовления фотополимерных печатных форм.

Полиуретаны

Полиуретаны - полимеры, строение которых напоминает полиамиды. В полиграфии используются при изготовлении красочных валиков.

Алкидные полимеры

Алкидные полимеры, получаемые из многоатомных спиртов и декарбоновых кислот, применяются главным образом как связующие полиграфических красок.

Особым видом алкидных полимеров является полиэтилентерефталат (терилен) - очень прочный, прозрачный, упругоэластичный, термопластичный полимер, получаемый из гликоля и терефталевой кислоты. Этот материал используется при изготовлении синтетического волокна лавсана. Лавсан, как заменитель шерсти, применяется не только для получения высокосортных тканей, но и как волокнистый полуфабрикат в производстве бумаги.

Полиэтилентерефталатные прозрачные пленки толщиной 12­20 мкм служат для изготовления подложек формных и фотоматериалов, а также для ламинирования обложек и переплетных крышек.

Фотополимеры

Фотополимеры - высокомолекулярные органические вещества, например водо­ и спирторастворимые смешанные полиамиды, сложные кислые эфиры целлюлозы (ацето­фталаты или ацетосукцинаты), молекулярные цепи которых при действии ультрафиолетового облучения сшиваются между собой специально подобранными непредельными мономерами в присутствии инициатора полимеризации - бензоина или его производных.

Фотополимерные композиции после их нанесения на подложку и высыхания становятся пригодными для негативного копирования при ультрафиолетовом облучении и последующего получения рельефа путем вымывания спиртами или щелочными водными растворами.

Полиамидные и эфироцеллюлозные фотополимерные формы высокой печати отличаются высокой разрешающей способностью и большой тиражестойкостью, доходящей до миллиона оттисков. Они почти не требуют приправки из­за высоких упругоэластических свойств.

Синтетический каучук

В настоящее время выпускается широкий ассортимент синтетического каучука общего и специального назначения. Из каучуков общего назначения получают резину для обуви, грелок, губок, игрушек и деталей машин, эксплуатируемых в обычных условиях. К таким каучукам относятся бутадиеновый, изопреновый, бутадиен­стирольный и некоторые другие виды каучука. Каучуки специального назначения обладают специальными свойствами, например стойкостью к воздействию нефтяных масел и бензина или кислот и щелочей, морозостойкостью, повышенной механической прочностью и т.п. К специальным видам каучуков относятся: хлоропреновый, нитрильный, силиконовый, фторкаучук и др.

Пластические массы

Пластические массы - материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться и затем устойчиво сохранять (после охлаждения или отвердевания при нагреве) приданную им форму. Изделия из пластических масс получают прессованием или литьем под давлением в стальных пресс­формах.

Для получения пластической массы свойства полимера, как правило, корректируют в нужном направлении. Для повышения прочности и снижения стоимости пластической массы вводится наполнитель (древесная мука, хлопковые очесы, стеклянное волокно, асбестовый порошок, двуокись кремния - аэросил и др.), для устранения хрупкости - пластификаторы, например дибутилфталат, трикрезилфосфат и др., для придания цвета - пигменты, для облегчения заполнения гнезда пресс­формы и извлечения из него изделия - смазки и т.д.

Термопластические пластмассы делают из полимеров линейного строения, не имеющих химически активных функциональных групп. Термореактивные пластические массы обязательно содержат полимеры, имеющие функциональные группы, проявляющие свою химическую активность при более или менее продолжительном нагревании, в результате протекания химической реакции поликонденсации. Изделия из термопластических масс могут многократно переплавляться, а из термореактивных – нет.

Пластические массы имеют ряд ценных свойств:

• низкую плотность (в 5­8 раз легче стали);
• достаточную механическую прочность;
• хорошие диэлектрические свойства;
• высокую химическую стойкость (в том числе антикоррозийность);
• меньшую стоимость, чем аналогичные по свойствам металлы и сплавы.

В полиграфии пластические массы нашли широкое применение для изготовления красочных валиков, книжных переплетов, стереотипов и т.п.

Копировальные слои

Копировальные слои - это светочувствительные полимерные слои, применяемые при копировании негативного или позитивного изображения на формные пластины. Широкое применение нашли поливинилспиртовые и ортохинондиазидные копировальные слои.

Поливинилспиртовые копировальные слои представляют собой 7­процентные водные растворы поливинилового спирта, очувствленные 3% бихромата аммония (рассчитывая на абсолютно сухую массу поливинилового спирта). В процессе негативного копирования под действием интенсивного облучения ксеноновыми лампами молекулярные цепи поливинилового спирта сшиваются между собой (задубливаются) атомами трехвалентного хрома и вследствие этого теряют способность растворяться в воде. После экспозиции незадубленные участки поливинил­спиртового копировального слоя вымываются водой. Получившееся изображение закрепляют путем химической и термической обработки.

Ортохинондиазиды и феноло­альдегидные смолы, растворенные в органическом растворителе, наносятся на поверхность металлических пластин при изготовлении формных материалов для офсетной и высокой печати. Позитивное копирование изображения осуществляется под действием УФ­излучения. Ультрафиолетовые лучи разрушают ортохинондиазиды, а продукты разрушения вымываются щелочным проявителем. Те участки ортохинондиазидного копировального слоя, на которые не действовали ультрафиолетовые лучи, остаются нерастворимыми в щелочном проявителе.

Конечно, перечисленными примерами применение полимерных материалов полиграфии не исчерпывается. Более того, можно утверждать, что в полиграфии в той или иной мере используются практически все существующие в настоящее время полимеры.

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).

Полимеры

Цепочки молекул полипропилена.

Полимеры (греч. πολύ- - много; μέρος - часть) - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых «мономерными звеньями», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер - это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры - вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей - реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (-СН 2 -CHCl-) n , каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли- : поли этилен, поли пропилен, поли винилацетат и т. п.

Особенности

Особые механические свойства:

• эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Классификация

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические , элементоорганические , неорганические .

• Органические полимеры.
• Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель - кремнийорганические соединения.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай - звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей - молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными . Полимеры с неполярными звеньями - неполярными , гидрофобными . Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными . Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами .

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные . Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных - высокомолекулярных (см. Химическая эволюция).

Типы

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок и т. п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трёхмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого появились ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях - путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы - целлулоид - был получен ещё в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу - продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трёхмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата - без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолётостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон - искусственная шерсть из полиакрилонитрила, - замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шёлк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера-Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны - наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны - элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Огнеупорные полимеры

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого, применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры. Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, например, гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоты (ГХЭМТФК), дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты. Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике. Учитывая высокие требования экологической безопасности, особое внимание уделяется галоген-несодержащим компонентам: соединениям фосфора и гидроксидам металлов.

Действие гидроксида алюминия основано на том, что под высокотемпературным воздействием выделяется вода, препятствующая горению. Для достижения эффекта требуется добавлять большие количества гидроксида алюминия: по массе 4 части к одной части ненасыщенных полиэфирных смол.

Пирофосфат аммония действует по другому принципу: он вызывает обугливание, что вместе со стеклообразным слоем пирофосфатов даёт изоляцию пластика от кислорода, ингибируя распространение огня.

Новым перспективным наполнителем являются слоистые алюмосиликаты, производство которых создаётся в России.

Применение

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Полимеризация и поликонденсация

Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твердое. Реакция полимеризации не сопровождается отщеплением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов. При полимеризации полимер и мономер характеризуются одинаковым элементным составом.

Полимеризация соединений с двойными связями, как правило, протекает по цепному механизму. Для начала цепной реакции необходимо, чтобы в исходной инертной массе зародились активные частицы. В цепных реакциях одна частица вовлекает в реакцию тысячи неактивных молекул, образующих длинную цепь. Первичными активными центрами являются свободные радикалы и ионы.

Радикалы - это части молекулы, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон (например, метил CH 3 - , фенил C 6 H 6 -, этиловая группа C 2 H 5 - и т. д.). Образование первоначальных радикалов и ионов может происходить под действием теплоты, света, различных ионизирующих излучений, специально вводимых катализаторов.

Помимо реакции полимеризации полимеры можно получить поликонденсацией - реакцией, при которой происходит перегруппировка атомов полимеров и выделение из сферы реакции воды или других низкомолекулярных веществ.

Характеристики полимеров

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса ММ и молекулярно-массовое распределение ММР, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность (см. Стереорегулярные полимеры) и др. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Количество химических звеньев в макромолекуле определяет ее протяженность и называется степенью полимеризации n. Например, молекула полиэтилена (-СН 2 -СН 2 -)n состоит из n химических звеньев этилена СН 2 =СН 2 . Произведение молекулярной массы М химического звена на степень полимеризации представляет собой молекулярную массу ММ макромолекулы. В зависимости от значений М и n молекулярная масса полимеров может изменяться в весьма широких пределах от 3 . 10 2 до 2 . 10 6 единиц.

В зависимости от величины молекулярной массы макромолекул одного и того полимера условно различают:

Мономер - низкомолекулярный исходный продукт;

Олигомеры - полимеры с ММ < 540, представляют собой низкомолекулярный продукт полимеризации или поликонденсации. Свойства олигомеров существенно зависят от молекулярной массы и, следовательно, от степени полимеризации.

Полимеры имеют молекулярную массу 5 . 10 3 < ММ < 5 . 10 5 . К этой группе принадлежит абсолютное большинство разновидностей полимеров. Свойства полимеров от числа мономерных звеньев в цепи зависят значительно меньше, чем у олигомеров.

Сверхвысокомолекулярные полимеры имеют ММ > 5 . 10 5 .

Молекулярный уровень характеризует химическое строение макромолекул, в целом определяемое химической природой мономерных звеньев и типами межмономерных связей.

В отличие от простых веществ полимер состоит из множества макромолекул, молекулярная масса которых различается. Поэтому полимеры характеризуются средним значением ММ. Т. е. полимер полимолекулярен. В связи с этим при описании физико-химических свойств полимеров значение их молекулярной массы дается в сравнительно широких пределах. Так, например, для полиэтилена низкой плотности приводятся значения (1,9-4,8) . 10 4 . Молекулярно-массовое распределение (ММР) отражает неоднородность полимера по размерам цепей и, следовательно, по молекулярной массе составляющих его макромолекул. Чем ближе ММР к единице, тем однороднее по величине молекулы полимера.

Основные физические параметры полимеров (прочность, теплопроводность, дилатометрические характеристики, характеристические температуры) практически не зависят от молекулярной массы. Молекулярная масса полимеров влияет на реологические показатели их расплавов, на термодеформационные и ряд эксплуатационных свойств. Кроме того, она существенно зависит от способа получения полимеров, то есть от оборудования и технологии их синтеза.

По строению макромолекулы подразделяются на линейные, схематически обозначаемые -А-А-А-А-А-, (например, каучук натуральный); разветвленные, имеющие боковые ответвления (например, амилопектин); и сетчатые или сшитые, если соседние макромолекулы соединены поперечными химическими связями (например, отвержденные эпоксидные смолы). Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к высокоэластическим деформациям.

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям, способность в высокоэластическом состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул.

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза. Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

Физическая организация макромолекул полимеров формирует важнейшие понятия, определяющие доминантные особенности полимеров, а именно термопластичность и термореактивностъ.

Полимеры линейные и разветвленные образуют класс термопластических полимеров или термопластов, а пространственные - класс термореактивных полимеров или реактопластов.

Литература

• Энциклопедии полимеров, т. 1 - 3, гл. ред. В. А. Каргин, М., 1972 - 77;
• Махлис Ф. А., Федюкин Д. Л., Терминологический справочник по резине, М., 1989;
• Кривошей В. Н., Тара из полимерных материалов, М.,1990;
• Шефтель В. О., Вредные вещества в пластмассах, М.,1991;