14.2. Синтетические полимеры

Полимеры – химические соединения, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся атомных группировок (элементарных звеньев), соединенных химическими связями в длинные цепи.

Полимеры, синтезированые в лаборатории, имеют молекулярную массу 5 000-200 000 у.е.

Полимеры весьма разнообразны по своему составу, методам получения и свойствам. Это обстоятельство и предопределило быстрое внедрение их в различные области техники, в том числе в автомобилестроение.

Высокая молекулярная масса и гибкость макромолекул определяют специфические физико-химические свойства полимеров, а именно:

• полимеры могут пребывать в характерном только для них высокоэластичном состоянии;

• растворы полимеров имею высокую вязкость, растворению часто предшествует набухание;

• полимеры нелетучи;

• полимеры могут образовывать волокна, пленки, отличающиеся высокой, анизотропией (не зависимость механических, оптических, электрических и др. свойств веществ от направления).

Полимеры, цепи которых состоят из звеньев различного состава, называются сополимерами. Если в макромолекулах сополимеров чередуются длинные цепочки (блоки) одного химического состава с блоками другого состава, то такие сополимеры называют блоксополимерами.

14.2.1. Получение синтетических полимеров

Полимеры получают в реакциях полимеризации и поликонденсации.

Полимеризацией называется реакция соединения большого числа молекул низкомолекулярных веществ (мономеров), протекающая за счет раскрытия кратных связей или циклов с образованием высокомолекулярного соединения без выделения побочных продуктов.

Схему реакции полимеризации в общем виде можно представить уравнением:

nM → [M]_n,

где М – молекула мономера, [M]_n – полимерная цепь.

Полимеризация молекул мономера с кратными связями:

nCH₂=CH–CH=CH₂ → (–CH₂–CH=CH–CH₂–)_n.

Полимеризация циклических молекул:

.

Процесс полимеризации состоит из трех стадий: инициирования (образование активного центра), роста цепи и обрыва цепи. Эти стадии могут осуществляться разными способами, но во всех случаях наблюдается следующая схема процесса:

1. Образование активного центра:

М → М^*;

2. Рост цепи:

М^* + M₁ → М₂^*...

		M2* + M1 → M3*
		Mn* + M1 → M*n+1

3. Обрыв цепи:

M^*_n+1 → Pn,

где M₁ – молекула мономера; M^* – активный центр; M₂^*, M₃^* … M^*_n+1 – растущая макромолекула; Pn – молекула полимера.

Поликонденсация – синтез полимеров из мономеров с двумя или несколькими функциональными группами, сопровождающийся образованием низкомолекулярных продуктов. В качестве низкомолекулярных продуктов могут образовываться вода, аммиак, хлороводород, формальдегид и др. Поликонденсация бифункциональных соединений называется линейной. Например, полимеризация аминокапроновой кислоты:

2NH₂–(CH₂)₅–COOH → NH₂–(CH₂)₅–CO–NH–(CH₂)₅–COOH + H₂O.

Конечным продуктом этого процесса является поли-ε-капроамид:

(–CO–NH–(CH₂)₅–)_n.

Поликонденсация соединений с тремя и более функциональными группами называется трехмерной.

Поликонденсация отличается от полимеризации тем, что элементарный состав полимера и мономеров не совпадает, т.к. в процессе поликонденсации выделяются низкомолекулярные вещества. Эти вещества могут вступать в реакцию с промежуточными продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление, поэтому их следует постоянно удалять из реакционной среды.