89

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ВОСТОЧНОУКРАИНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени ВЛАДИМИРА ДАЛЯ

Северодонецкий технологический институт

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

Химия и физика полимеров

(для студентов специальности «Технология переработки полимеров»)

УТВЕРЖДЕНО

на заседании кафедры технологии полимеров

Протокол № от 2004 г.

Северодонецк 2004

УДК 541.6:[54+53](075.8)

Курс лекций по дисциплине «Химия и физика полимеров» (для студентов специальности «Технология переработки полимеров») /Сост. В.Т. Мякухина. – Северодонецк, изд-во СТИ, 2004. – 89 с.

Приведено краткое содержание важной дисциплины, на которой основывается весь дальнейший материал подготовки специалистов по специальности "технология переработки полимеров", приведены современные представления о строении полимеров, особенности их свойств (химических, физических, физико-химических), исследовательские приемы определения структуры, связь между строением полимера и его свойствами. Рассмотрены способы синтеза полимеров. Показана роль физико-химических процессов за переработки, эксплуатации и разрушение полимерных изделий.

Составитель В.Т. Мякухина

Отв. за випуск Ю.П. Кудюков

Рецензент Ю.П. Кудюков

Химия и физика полимеров высокомолекулярные соединения и полимеры, их значение

Высокомолекулярные соединения и полимеры являются особым классом веществ, обладающих очень ценными и своеобразными свойствами. Эти свойства обусловлены наличием в них молекул-гигантов цепного строения. Вещество, молекулы которого составлены из большого количества структурных различных звеньев, называют высокомолекулярным соединением (ВМС). Если высокомолекулярное соединение состоит из повторяющихся структурных единиц одного, двух типов, то его называют полимером. Часто термин полимеры применяют для обозначения всех ВМС. Высокомолекулярные соединения и полимеры широко распространены в природе - это животные и растительные белки, углеводы (целлюлоза и крахмал), натуральный каучук, смолы и многие другие вещества. В настоящее время многие природные ВМС заменяются синтетическими, получаемыми человеком путем синтеза из низкомолекулярных веществ. Число таких синтетических ВМС и полимеров растет с каждым годом, расширяются области их применения. Сегодня химия в состоянии не только воспроизводить многие природные полимеры, как, например, натуральный каучук, некоторые белки, но и создавать массу новых синтетических полимерных веществ, которых в природе не существует.

Такой натуральный полимер, как шелк, заменен вискозой, ацетатом и триацетатом целлюлозы, нейлоном, капроном, другими полиамидами и т.п. Вместо шерсти с успехом используются лавсан, полиакрилонитрил, полиакрилаты и другие полимеры. Используется не разрушающееся кислотами и щелочами полипропиленовое волокно, которое может заменить джут. Широко применяются полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полипропилен, акрилонитрилбутадиенстирольные пластики, карбамидо- и фенолоформальдегидные олигомеры и материалы на их основе, огромное множество синтетических каучуков и резины на их основе с заранее заданными свойствами и т.п.

ВМС делятся на органические и неорганические.

Органические ВМС существуют благодаря особому свойству атома углерода, делающему его уникальным среди других химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Это свойство заключается в способности атома углерода создавать огромное число ковалентных связей. Последовательное соединение атомов углерода позволяет получать ВМС с молекулярной массой в несколько миллионов.

Органические ВМС являются основой живой природы. Важнейшие соединения, входящие в состав растений, - полисахариды, лигнин, белки, пектиновые вещества, - являются ВМС. Ценные механические свойства природных древесины, хлопка, льна обусловлены значительным содержанием в них высокомолекулярного полисахарида - целлюлозы. Главной составной частью картофеля, пшеницы, ржи, овса, риса, кукурузы, ячменя является другой высокомолекулярный полисахарид - крахмал. Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и лигнина, и также относятся к ВМС. Мир растений - исполинское производство ВМС, в котором осуществляется биохимический синтез высших полисахаридов и лигнина. В растениях световая энергия трансформируется в трудно рассеиваемую химическую энергию, которая накапливается в растительной массе, т.е. в образующихся ВМС. Химическая энергия - основная форма энергии, воспринимаемая живыми организмами; без ее восприятия невозможна жизнь.

Главная роль растительного мира заключается в накоплении этой энергии и поддержании баланса углерода в природе. Сами растения - сложный комплекс органических соединений, основой которого являются высокомолекулярные углеводы.

ВМС лежат также в основе животного мира. Это белки, являющиеся главной составной частью почти всех веществ животного происхождения. Мышцы, соединительные ткани, мозг, кровь, кожа, волосы, шерсть, рог - состоят в основном из высокомолекулярных веществ. ВМС являются также ферменты - катализаторы, с помощью которых в живом организме осуществляются все сложные химические превращения. Разнообразные материалы животного происхождения – пищевые продукты (мясо, рыба, молоко), шерсть, натуральный шелк и кожа - состоят из белков, т.е. являются ВМС. К ВМС относятся нуклеиновые кислоты, являющиеся полиэфирами фосфорной кислоты и N-рибозидов. Они принимают участие в биохимическом синтезе белков. Такие ВМС, как дезоксирибонуклеиновые кислоты в комплексе с белками являются материальными носителями наследственности. Таким образом, само существование растительного и животного мира есть процесс образования, превращения и распада высокомолекулярных соединений - углеводов и белков. Следовательно, вся живая природа неразрывно связана с процессами образования и изменения ВМС.

В природе, кроме описанных полимеров, синтезируется путем биосинтеза такой важный продукт, как натуральный каучук. Его молекулярная масса достигает полутора миллионов. Его роль ограничивается только техническим применением. Однако в настоящее время нет ни одной машины, ни одного механизма, которые работали бы без резины. Резина же многие годы получалась только из натурального каучука (НК), лишь 60-70 лет назад человеком были получены заменители НК - синтетические каучуки (СК).

Неорганические ВМС являются основой неживой природы - минерального мира. ВМС - кремниевый ангидрид составляет более 50% всей массы земного шара. Горный хрусталь и аметист - почти чистый полимерный кремниевый ангидрид. Минерал корунд и драгоценные минералы - рубин и сапфир – представляют собой полимерный оксид алюминия. Природные глины - высокомолекулярные алюмосиликаты. Высокомолекулярные алюмосиликаты сложного состава представляют собой слюда и асбест. Алмаз, графит, аморфный углерод являются высокомолекулярными соединениями углерода.