1.3. Классификация полимеров

1.3.1. Принципы классификации полимеров

Существуют различные подходы к классификациям полимеров. Наиболее развита классификация, основанная на химическом строении полимера¹. В ней определяется последовательность деления полимеров на классы, подклассы, группы, подгруппы и виды, основанная на следующих классификационных признаках, соответствующих этим пяти ступеням детализации:

I Класс наличие одинаковых или разных атомов в основной цепи

II Подкласс природа элементов основной цепи

III Группа тип связей и структур основной цепи

IV Подгруппа природа заместителей в основной цепи

V Вид строение повторяющегося звена

В соответствии с этой классификацией полимеры «разделяют» на два больших класса - гомоцепные и гетероцепные полимеры. Первый из них де­лится на несколько подклассов - карбоцепные, кремнийцепные (полисиланы), полимеры серы, олова и некоторые другие. Во всех случаях основная цепь построена из одинаковых молекул. Класс гетероцепных полимеров разделяется на значительно большее число подклассов - оксикарбоцепные, азоткарбоцепные, оксиалюминийцепные, оксикарбоазотцепные и др. В со­ответствии с природой связей и структур основной цепи подклассы делятся на группы, содержащие в основной цепи одинарные (полианы), двойные (полиены) и тройные (полиины) связи, ароматические (поликарбарилены) и гетероциклы и т.д. По природе заместителя группы делятся на подгруппы, например, полиолефины, галоидсодержащие полианы и т.п. Строение по­вторяющегося звена подгруппы является пятой конечной ступенью данной классификации, которая приводит к конкретному полимеру. Ниже приведе­ны все ступени классификации карбоцепных полимеров вплоть до конкрет­ных полимеров - полиолефинов:

Данная система позволяет систематизировать накопленную информацию по полимерам и проводить их автоматизированный поиск.

Помимо рассмотренной классификации существуют и другие - менее детализированные. Так, по происхождению полимеры делятся на синтетиче­ские и природные, последние, в свою очередь, делятся на неорганические и ор­ганические, называемые также биополимерами. В соответствии с химической природой полимеры делятся на органические, неорганические и элементорганические.

Органические полимеры содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода, галогенов. Примером карбоцепных органических полимеров являются полиолефины и полимеры виниловых мономеров общей формулы [-СН₂-СНХ(Н)-]_n, где X - арил, галоген, эфирная, нитрильная или другая функцио­нальная группа.

Неорганические полимеры не содержат связей С-Н. К гомоцепным неорганическим полимерам относятся линейные модификации серы и селена, к гетероцепным - полифосфонитрилхлорид [-PCl₂=N-]_n.

Элементорганические полимеры содержат как органические, так и неорганические группы. Примером гетероцепного элементорганического полиме­ра является полидиметилсилоксан [-Si(СН₃)₂О-]_n. К элементорганическим полимерам можно также отнести полиорганофосфазены [-PR₂=N-]_n, кото­рые получаются при замене атомов хлора в полифосфонитрилхлориде на органические группы.

Карозерс в 1929 г. разделил полимеры на конденсационные и полимеризационные (аддиционные), основываясь на различии в составе полимера и мономера (или мономеров), из которого синтезирован данный полимер. Конденсационными были названы полимеры, которые образуются из полифункциональных моно­меров различными реакциями конденсации, известными в орга­нической химии и протекающими с выделением низкомолекуляр­ных продуктов, например воды. Типичным примером такого кон­денсационного полимера являются полиамиды, получаемые из диаминов и дикарбоновых кислот с выделением воды по схеме:

,

где R и R'  алифатические или ароматические группы.

Состав элементарного звена отли­чается от состава суммы двух мономеров на молекулу воды. Полиамид на основе гексаметилендиамина R = (СН₂)₆ и адипиновой кислоты R' = (CH₂)₄ в настоящее время широко используется в производстве волокна и пластмасс и хорошо известен под назва­нием «найлон-6,6» или «полигексаметиленадипамид». В качестве других примеров конденсационных полимеров можно привести сложные полиэфиры, получаемые из дикарбоновых кислот и диолов с выделением воды:

,

и поликарбонаты, образующиеся при взаимодействии аромати­ческих бисфенолов и фосгена с выделением хлористого водорода:

В табл. 1.4 приведены наиболее широко известные конденсацион­ные полимеры и реакции их образования. Как видно из данных этой таблицы, многие конденсационные полимеры можно полу­чать из различных исходных веществ. Так, полиамиды можно синтезировать либо взаимодействием диаминов с дикарбоновыми кислотами или их хлорангидридами, либо самоконденсацией аминокислот. Сложные полиэфиры получают из диолов этерификацией кислотами или реакцией эфирного обмена с диэфирами.

По классификации Карозерса полимеризационными полиме­рами называют полимеры, которые образуются из мономеров без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. В отличие от конденсационных полимеров элементарный состав такого полимера и его мономера одинаков. Главные представители аддиционных полимеров  полимеры винильных мономеров. При взаимодействии таких мономеров друг с другом образуются полимеры, а двойная связь их переходит в насыщенную по схеме:

,

где Y  водород, алкил, арил, нитрил, сложный эфир, карбоксиль­ная группа, кетон, простая эфирная группа, галоген и др.

Другим типом мономеров, образующих аддиционные полимеры, являются альдегиды. В табл. 1.5 приведены наиболее распространенные типы полимеризационных полимеров и мономеры для их синтеза.

По мере развития полимерной науки, разработки новых мето­дов синтеза полимеров и получения новых полимеров стало оче­видным, что классификация, предложенная Карозерсом, несовершенна и нуждается в существенной доработке. Рассмотрим, напри­мер, полиуретаны, получающиеся

Таблица 1.4