12.ПОЛИМЕРЫ И ОЛИГОМЕРЫ

12.2.Классификация и номенклатура полимеров

Номенклатура полимеров зависит от их происхождения.

Природные ВМС носят тривиальные названия – целлюлоза, каучук (от индейского названия сока гевеи «као-чо») и т. д.

При превращении природных ВМС в искусственные тривиальные названия или сохраняются, или добавляется слово, выражающее природу превращения, например ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза и др.

Синтетические ВМС, полученные реакцией полимеризации, называют по исходному мономеру с добавлением приставки поли-, например: полиэтилен – полимер, полученный из этилена, поливинилхлорид – из винилхлорида.

Этот принцип не распространяется на полимеризационные каучуки, названия которых обычно отражают природу мономера и, как правило, содержат слово каучук, например, бутилкаучук.

Синтетические ВМС, полученные реакцией поликонденсации, называют по исходным мономерам или природе возникших групп с добавлением слова полимер. Например, полимеры на основе формальдегида и гомологов фенола: фенолофурфурольные полимеры, карбамидформальдегидные полимеры и т. д.

Гетероцепные полимеры называют по названию класса соединений с приставкой поли-, например, полиэфиры, полиуретаны и т. д.

12.3. Применение полимеров и олигомеров

Органические полимеры − это разнообразные материалы, обычно получаемые из доступного и дешевого сырья; на их основе получают пластические массы (пластмассы) – сложные композиции, в которые входят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств, а также синтетические волокна.

К органическим полимерам относятся: полимеризационные смолы (полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиакрилаты, каучук), конденсационные смолы, фенолформальдегидные смолы, полиэфирные смолы (лавсан), полиамидные смолы (капрон, энант, анид).

Элементоорганические полимеры. Перечень элементоорганических полимеров непрерывно увеличивается. Широкую известность приобрели кремнийорганические полимеры: органосилоксаны (часто их называют силиконами), органосилазаны. Эти полимеры включают неорганический скелет, состоящий из силоксановых (SiOSi) и силазановых (SiNSi) группировок, обрамленных органическими группами.

Впервые полиорганосилоксаны были синтезированы К. А. Андриановым. Им были получены производные ортокремниевой кислоты Si(OH)4, в которой одна, две или три гидроксильные группы заменены углеводородными радикалами. При небольшой степени конденсации (если молекулы содержат около десяти атомов кремния, олигомеры) получаются жидкости, применяемые в качестве смазочных масел. К их ценным свойствам относятся не-

12.ПОЛИМЕРЫ И ОЛИГОМЕРЫ

12.3.Применение полимеров и олигомеров

значительное изменение вязкости в широком интервале температур и химическая стойкость.

При более высокой степени конденсации получаются смолообразные вещества, которые весьма стойки к нагреванию; они обладают также хорошими электроизоляционными свойствами и применяются для изоляции электропроводов там, где обычная изоляция ввиду высокой температуры может быстро разрушаться. На основе кремнийорганических смол получают каучукоподобные материалы, сохраняющие свою эластичность при температурах от –60 до +200 °С и не разрушающиеся даже при 300 °С.

Физиологическая инертность полиорганосилоксанов позволяет использовать их в медицине.

Политетрафторэтилен – полимер тетрафторэтилена:

nCF2 = CF2 → (—CF2—CF2—)n.

Политетрафторэтилен выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. Весьма стоек по отношению к щелочам, концентрированным кислотам и другим реагентам. По химической стойкости превосходит золото и платину, негорюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

Неорганических полимеров множество. Отличительным и практически важным свойством многих неорганических полимеров является их термическая и химическая стойкость. Другими отличительными особенностями многих неорганических полимеров являются их твердость и хрупкость. Это обусловлено наличием пространственной кристаллической структуры и часто высокой долей ионной составляющей химической связи. Влияют и другие особенности природы химических связей углерода С–С и С–Н по отношению к химическим связям других элементов.

Простые вещества многих элементов имеют полимерную структуру. К ним относятся металлы и часть неметаллов. К неорганическим полимерам относятся многие представители бинарных соединений: карбиды, нитриды, бориды и др.

Самыми распространёнными сложными соединениями – неорганическими полимерами являются оксиды кремния, алюминия и других металлов. Основу земной коры составляют силикаты и алюмосиликаты, на долю которых приходится в базальтовых породах около 50 и 16 % мас., соответственно.

Для элементов главной подгруппы VI группы (S, Se, Te) характерно образование линейных полимерных цепей: пластическая модификация из цепочек · · · —S—S—S— · · · , свёрнутых в спирали, что согласуется с ковалентностью атомов этих элементов. Для элементов главных подгрупп III–V групп полимеры могут быть линейными, плоской структуры и пространственными, что также согласуется с ковалентностями атомов.

Углеродные полимеры: древесный и каменный уголь, кокс, графит, алмаз. Углеродные стёкла имеют зеркальную поверхность и отличаются химической инертностью, непроницаемостью для газов и жидкостей, повышен-

12.ПОЛИМЕРЫ И ОЛИГОМЕРЫ

12.3.Применение полимеров и олигомеров

ной твёрдостью и устойчивостью к резким скачкам температуры. Широкое распространение получили углеродные волокна.

В полимерных соединениях атомы могут соединяться ковалентными связями с образованием пространственной решётки (координационные структуры), сеток (слоистые структуры) или цепей (волокнистые структуры).

К типичным представителям полимеров с координационной структурой относятся структуры алмаза (С) и сфалерита (цинковой обманки ZnS). Обе структуры отличаются лишь тем, что в одной из них все позиции заняты атомами одного вида, а в другой – атомами двух видов. Для этих структур характерна тетраэдрическая координация всех атомов, что приводит к высокосимметричной и довольно плотной упаковке. По такому структурному типу кристаллизуются также карбид кремния, кремний, германий и серое олово. Трёхмерный каркас имеется также в различных модификациях диоксида кремния SiO2 – кварце, тридимите, кристобалите. Наличие трёхмерного каркаса в структуре соединения с ковалентными связями легко объясняет их важнейшие свойства: высокую твёрдость, очень большие температуры плавления и кипения, нерастворимость, как в неполярных, так и в полярных растворителях.

Другой важнейшей модификацией является типичная слоистая структура. В каждом слое плоские шестиугольники из атомов углерода объединены в плоские сетки, напоминающие соты. Между слоями существует относительно большое расстояние и слабая связь. Поэтому слоистые минералы легко расщепляются на чешуйки. К ним относятся слюда и тальк.

Со слоистой структурой некоторых силикатных минералов связано наличие у них ряда весьма ценных свойств. Так, способность глин к набуханию и их пластичность обусловлены тем, что между двойными слоями кремнекислородных колец могут внедряться молекулы воды. В слюдах отдельные слои связываются через катионы. Способность катионов калия (К+) вытеснять из слюд другие катионы (Na+, Ca2+) приводит к накоплению калия, который может извлекаться растениями и использоваться при их росте, что немаловажно для сельского хозяйства.

Соединения с цепочечной, или волокнистой, структурой построены из длинных цепочек молекул, связанных между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Появление сшивок между цепями придаёт полимерам новые свойства, в результате чего соответствующие минералы относятся к волокнистым. Эти соединения по своим свойствам в значительной степени приближаются к молекулярным веществам. К этой группе соединений относятся изополикислоты цепочечного строения и их анионы. Сходное строение имеют также асбестовидная модификация триоксида серы и шелковистые волокна сульфида кремния (неорганическое волокно).

Высокомолекулярные цепи содержатся в структурах многих органических природных и синтетических веществ, которые часто обладают весьма ценными свойствами (например, в целлюлозе, белках, каучуке, полиэтилене и перлоне).

12. ПОЛИМЕРЫ И ОЛИГОМЕРЫ

Контрольныевопросыизадания

1.Какие вещества называют высокомолекулярными?

2.Что такое макромолекула? Чем она отличается от обычной молекулы?

3.Что представляет собой элементарное звено полимера? Привести примеры.

4.Классифицировать высокомолекулярные соединения по происхождению, составу и строению, а также по структуре.

5.Объяснить строение линейных, разветвленных и пространственных макромолекул.

6.Почему для полимеров принято понятие средней молекулярной массы?

7.Что такое поливинилхлорид? Привести структурную формулу его мономера.

Компетенциистудента

Изучив содержание этой темы, студент должен:

знать основные понятия: полимер, олигомер, макромолекула, структурное звено, степень полимеризации, молекулярная масса; классификацию и номенклатуру полимеров; геометрические формы макромолекул; пространственное строение макромолекул;

уметь распознавать полимеры, олигомеры; определять степень полимеризации, молекулярную массу макромолекул; классифицировать полимеры по различным признакам; называть полимеры по международной номенклатуре; определять пространственное строение макромолекул.