11.4 Полимеры и изделия на их основе

11.4.1 Общие сведения о полимерах

Понятие «полимеры» возникло в первой половине Х1Х века. Шведский химик Якоб Берцелиус, занимаясь исследованиями в области химии, пришел к выводу, что существуют вещества одного и того же химического состава, но образованные из частиц разной величины и обладающие разными свойствами. Такие вещества он назвал полимерами. Слово «полимер» - греческого происхождения: polys – многий, meros – часть, доля.

В современном представлении полимеры – это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти элементарные звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи различного строения (линейные, разветвленные) или же образуют жесткие и пластичные пространственные решетки. Молекулы полимерных соединений, состоящие из очень большого числа элементарных звеньев, называют макромолекулами.

К высокомолекулярным соединениям принято относить вещества, молекулярная масса которых превышает 5000, к низкомолекулярным – вещества с молекулярной массой менее 500. Соединения с промежуточными значениями молекулярной массы, имеющие линейное строение молекул и способные к дальнейшему укрупнению, называют олигомерами. Чаще всего это вязкие жидкости, например, эпоксидные или полиэфирные смолы до их отверждения.

В настоящее время большинство полимеров получают путем синтеза из простых низкомолекулярных веществ, причем в образовании полимера может принимать участие не один, а несколько типов элементарных звеньев. В зависимости от состава звеньев и вида химических связей в молекулах различают органические, элементоорганические и неорганические полимеры.

Органическими полимерами называют соединения, содержащие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов.

К элементоорганическим полимерам относят соединения, цепи которых построены из атомов углерода и элементов, не входящих в состав природных органических соединений (атомы кремния, алюминия, титана и др.), например, кремнийорганические полимеры.

Неорганическими полимерами называют высокомолекулярные соединения, не содержащие атомов углерода.

Простые низкомолекулярные соединения, из которых построены цепи полимеров, а также исходные вещества, образующие полимеры при различных реакциях, называют мономерами.

Высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, т.е. которые получают совместной полимеризацией нескольких мономеров, называют сополимерами. Если же соединения построены из одинаковых мономеров, то такие полимеры еще называют гомополимерами.

По структуре полимеры и сополимеры имеют обычно аморфное строение. Однако существуют полимеры и с кристаллической или аморфно-кристаллической структурой, т.е. могут состоять как из ориентированных (кристаллических) участков, так и неориентированных (аморфных).

Различают также природные, искусственные и синтетические полимеры.

Природные полимеры – это в основном биополимеры: белковые вещества, природные смолы, целлюлоза и др. Однако в строительстве используются в основном искусственные и синтетические полимеры.

Искусственные (полусинтетические) полимеры получают из разных видов природного сырья. К ним относят резину, эбонит, олифы, нитроцеллюлозу и др.

Синтетические полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.) получают синтезом из низкомолекулярных сравнительно простых по химическому составу веществ. Первые синтетические полимеры – бакелит (по имени американского химика Бакеланда), фенолоформальдегидная смола и пластмассы на их основе – появились в начале ХХ столетия.

В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям полимеры делят на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты).

Термопластичными называют полимеры, которые при нагревании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают. Причем такие переходы могут повторяться много раз. Большинство термопластов способно растворяться в соответствующих растворителях. К ним относят битумы, полиэтилен, поливинилхлорид и др.

К термореактивным относят полимеры, у которых переход из жидкого состояния в твердое происходит необратимо. Примером могут служить фенолоальдегидные, карбамидные, эпоксидные и другие полимеры.

Основным сырьем для производства полимеров являются углеводороды, получаемые из нефти, природный газ, продукты углепереработки, целлюлоза и другие вещества. Для получения высокомолекулярных соединений (полимеров) исходные вещества (мономеры) подвергают различным воздействиям, в результате которых образуются гигантские молекулы. Процесс образования таких молекул и в целом полимера вызывается воздействием на исходное вещество потока световых лучей, действием электрического разряда токов высокой частоты, нагреванием, давлением и т.п. В настоящее время синтез полимеров становится все более совершенным. Незначительные изменения в строении молекул могут вызвать существенные изменения в свойствах материала.