Лекція №22 Будова і фізичний стан полімерів

План лекції

1. Будова молекул ВМС. Класифікація ВМС.

2. Фізичний стан полімерів. Характеристики полімерів у склоподібному, в’язкотекучому і високоеластичному станах.

3. Фракціонування ВМС. Полідисперсність ВМС та методи їх фракціонування.

Рекомендована література: [1] С.551-585, [2] С.115-117, [3] С.149-153.

22.1 Будова молекул вмс

Високомолекулярними сполуками (ВМС) називають речовини, молекули яких складаються з великої кількості атомів (тисячі і десятки тисяч), а молярна маса сягає 10⁴...10⁶ г/моль і більше. ВМС, молекули яких побудовані шляхом багаторазового повторення структурних одиниць, називають полімерами.

За походженням ВМС поділяються на природні і синтетичні. Особливо велику роль у життєдіяльності людини займають природні ВМС. До природних ВМС належать білки, полісахариди, нуклеїнові кислоти, натуральний каучук та інші біополімери. До переваг синтетичних ВМС відносять те, що їх можна одержати із заданими властивостями – міцністю, еластичністю, хімічною і термічною стійкістю. Найбільш поширеними синтетичними ВМС є поліетилен, полівінілхлорид, полістирол, поліаміди. У харчовій промисловості з них виготовляють одноразовий посуд, підноси, лицювальні та конструкційні матеріали.

П олімери у залежності від своєї будови поділяються на лінійні, розгалужені і просторові або сітчасті (рис. 22.1). Лінійні ВМС являють собою окремі ланцюги, що не зв’язані між собою міцними хімічними зв’язками. Довжина полімерного ланцюга при цьому перебільшує його поперечні розміри у тисячі разів. Лінійні ВМС відрізняються високою гнучкістю їх ланцюгів і їх здатністю скручуватися у клубки. Частина ланцюга, в якій відбувається його повний поворот, називається сегментом. У найбільш гнучких полімерах, таких як каучук, у сегментах міститься не більше 20 атомів Карбону.

Рисунок 22.1 – Будова макромолекул полімерів: а – лінійних; б – розгалужених; в – сітчастих

У сітчастих полімерах наявність міцних хімічних зв’язків між ланцюгами призводить до утворення єдиного просторового каркасу. Сітчаста структура може утворюватися безпосередньо під час одержання полімеру або внаслідок спеціальної реакції зшивання ланцюгів ВМС. Розгалужені ВМС за своїми властивостями займають проміжне положення між лінійними та сітчастими.

За формою макромолекул розрізняють глобулярні і фібрилярні ВМС. У глобулярних ВМС макромолекули звернуті у кулясті утворення – глобули. Типові представники таких ВМС – природні білки. Під впливом зовнішніх факторів глобулярні ВМС можуть розгортатися і переходити у фібрилярну форму. Фібрилярні ВМС складаються з випрямлених лінійних або слабо розгалужених макромолекул, що об'єднуються за рахунок міжмолекулярної взаємодії і утворюють пачки молекул – фібрили. Прикладами таких ВМС є целюлоза, поліакрилати.

22.2 Фізичний стан полімерів

ВМС можуть знаходитись у трьох фізичних станах: склоподібному, в’язкотекучому або високоеластичному. З кожним із цих станів пов’язаний певний комплект фізичних властивостей. Як правило, ВМС – це аморфні речовини.

За низьких температур швидкість переміщення макромолекул лінійних або розгалужених ВМС стає мінімальною, їх ланцюги практично не змінюють свого взаємного розташування. Такий стан ВМС називається склоподібний. Прикладом ВМС у склоподібному стані можуть бути штучні волокна. Високоеластичний стан полімеру зумовлюється високою гнучкістю довгих ланцюгових молекул. У полімерах у такому стані змінюється тільки взаємне розташування окремих ланок у макромолекулі, а сама вона практично не рухається відносно інших макромолекул. За підвищених температур можливе взаємне переміщення молекул полімеру відносно одна одної. За цих умов ВМС здатні текти, тому стан називають в’язкотекучим.

Температура є основним фактором, що впливає на процеси переходу полімеру з одного стану в інший. Температура, за якою охолоджуваний полімер переходить з високоеластичного у склоподібний стан називається температурою склування, а його перехід у в’язкотекучий стан характеризується температурою текучості.