Курс лекций по теме

«ХИМИЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛИМЕРОВ»

автор профессор, д.т.н. Осипчик В.С.

ОСНОВЫ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРОВ

(Лекция 1)

Полимеризация

ВМС – соединения большой молекулярной массы (от 5000 до многих млн), т.е. вещества, молекулы которых состоят из многих сотен и тысяч атомов. Молекулы ВМС называют макромолекулами, а химию ВМС – химией макромолекул или макромолекулярной химией.

Органические ВМС являются основой живой природы: полисахариды, лигнин, белки, целлюлоза, крахмал, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук и вся живая природа неразрывно связана с образованием и изменением ВМС.

Неорганические ВМС – такая же роль и также распространены как и органические ВМС. (SiO₂)_n и (Al₂O₃)_n – макромолекулы. Кремниевый ангидрид, сложные силикаты (г.о. силикаты алюминия), кварц, корунд, драгоценные камни, слюда и асбест, алмаз, графит и др. имеют макромолекулярные строения. Успехи органической и неорганической химии в области ВМС привели к синтезу элементоорганических макромолекулярных соединений.

Макромолекула построена из сотен и тысяч атомов, связанных между собой силами главных валентностей и большинство из них построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп атомов – элементарных звеньев, например:  - А-А-А-А-А-А- (ИЮПАК – составное звено).

Такие соединения называются высокополимерными или просто полимерами в отличие от мономеров, используемых для синтеза ВМС.

-CH₂-CHX-CH₂-CHX-CH₂-CHX-…(-CH₂-CHX)_n

где n – число элементарных звеньев, характеризующее степень полимеризации (n). n ВМС связана с молекулярной массой полимера М уравнением , где m – молекулярная масса элементарного звена.

Молекула некоторых ВМС построена из нескольких элементарных звеньев, различающихся по химическому составу, например: -А-А-В-А-В-В-В-В-А-В- или -А-А-В-С-А-С-В-, где А, В и С – элементарные звенья, различные по химическому составу. Такие соединения называют сополимерами. В некоторых соединениях элементарные звенья чередуются не беспорядочно, а входят в состав макромолекулы в виде блоков, например:

-А-А-А-А-В-В-В-В-А-А-А-А-

Такие сополимеры называются блок-сополимерами.

Для синтеза блок-сополимеров используют олигомеры – вещества, которые по молекулярной массе и свойствам занимают промежуточное положение между полимерами и мономерами (от 500 до 5000).

Наряду с определением химического строения составных звеньев, порядка их чередования и пространственного расположения большое значение имеет геометрическая форма макромолекул. По геометрической форме макромолекулы разделяются на линейные, разветвленные и сетчатые. Сетчатые, в свою очередь, подразделяются на лестничные, паркетные или пластинчатые и трехмерные.

линейные гребнеобразные лестничные разветвленные линейные циклоцепные

паркетные звездообразные трехмерные сетчатые трехмерные

Линейные – представляют собой длинные цепи с очень высокой степенью асимметрии (их поверхностный размер в вытянутом состоянии соответствует поперечному размеру молекулы мономера, а дли в сотни тысяч раз больше).

Разветвленные – представляют собой цепи с боковыми ответвлениями, число которых, а также отношение длины основной цепи к длине боковых цепей могут быть различными.

Сетчатые – лестничные и паркетные – построены из конденсированных циклов

и т.д.

Трехмерные сетчатые – построены из макромолекулярных цепей, соединенных друг с другом поперечными химическими связями их называют также пространственными. Связывающие цепи обычно во много раз короче основных и являются «мостиками» и также полимеры часто называют пространственно-структурированными. М_с – среднее значение молекулярной массы между узлами сшивки.

Для оценки характера соединения составных звеньев в цепь иногда условно выделяют головную часть («голова») и хвостовую («хвост») часть.

Составное звено – CH₂ – CHX -, то возможны варианты

– CH₂ – CHX – CH₂ – CHX – («голова» к «хвосту»);

– CH₂ – CHX – CHX – CH₂– («хвост» к «хвосту»);

– CHX – CH₂ – CH₂ – CHX – («голова» к «голове»);

– CHX – CH₂ – CHX – CH₂ – («хвост» к «голове»).

Макромолекулы линейных и разветвленных полимеров могут быть жесткими и гибкими и могут быть переведены в молекулярно-дисперсное состояние (например, при достаточно большом разбавлении растворов).

Это возможно при условии существования в полимере не менее двух типов связи, энергетически резко различных. Линейные и разветвленные полимеры построены из макромолекул, связанных межмолекулярными связями, энергия которых в 10-50 раз меньше энергии химических связей, поэтому они могут быть переведены в раствор или расплавлены при нагревании.