Какую структуру имеют полимеры

Существует четыре основных полимерных структуры, которые показаны на рисунке ниже. На практике некоторые полимеры могут содержать смесь различных основных структур. Четыре основные полимерные структуры являются линейными, разветвленными, сшитыми и сетевыми. Попробуем разобраться с anonssmi.ru

Структура и свойства полимеров

Структура полимеров: диаграммы линейных, разветвленных, сшитых и сетевых полимерных структур

Линейные полимеры

Линейные полимеры напоминают спагетти с длинными цепями. Длинные цепи обычно удерживаются вместе более слабой ван-дер-ваальсовой или водородной связью. Поскольку эти типы связей относительно легко разрушаются при нагревании, линейные полимеры обычно являются термопластичными. Тепло разрывает связи между длинными цепями, позволяя цепям проходить мимо друг друга, позволяя материалу быть повторно соединенным. При охлаждении связи между длинными цепями реформируются — полимер затвердевает.

Разветвленные полимеры

Разветвленные полимеры напоминают линейные полимеры с добавлением более коротких цепей, висящих от основы спагетти. Поскольку эти более короткие цепи могут мешать эффективной упаковке полимеров, разветвленные полимеры имеют тенденцию быть менее плотными, чем аналогичные линейные полимеры. Поскольку короткие цепи не соединяются от одной более длинной основной цепи к другой, тепло обычно разрушает связи между разветвленными полимерными цепями и позволяет полимеру быть термопластичным, хотя существуют некоторые очень сложные разветвленные полимеры, которые противостоят этому «плавлению» и, таким образом, распадаются (становятся жесткими в процессе) перед размягчением, т. е. они термореактивные.

Сшитые полимеры

Сшитые полимеры напоминают лестницы. Цепи связывают одну магистраль с другой. Таким образом, в отличие от линейных полимеров, которые удерживаются вместе более слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, сшитые полимеры связаны друг с другом посредством ковалентной связи. Эта намного более прочная связь делает большинство сшитых полимеров термореактивными, за исключением нескольких исключений из правила: сшитые полимеры, которые разрушают свои сшивки при относительно низких температурах.

Сетевые полимеры

Сетевые полимеры представляют собой сложные полимеры, которые тесно связаны между собой, образуя сложную сеть трехмерных связей. Эти полимеры почти невозможно размягчить при нагревании без разрушения основной полимерной структуры и, таким образом, являются термореактивными полимерами.

Полимерные цепи — термопласты и термореактивные материалы

Полимер состоит из множества простых молекул, которые повторяют структурные единицы, называемые мономерами. Одна молекула полимера может состоять из сотен до миллиона мономеров; может иметь линейную, разветвленную или сетчатую структуру. Ковалентные связи удерживают атомы в полимерных молекулах вместе, а вторичные связи затем удерживают группы полимерных цепей вместе, образуя полимерный материал. Сополимеры представляют собой полимеры, состоящие из двух или более разных типов мономеров.

Полимер — это органический материал, а основа каждого органического материала — цепь атомов углерода. Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке. Каждый из этих валентных электронов может образовывать ковалентную связь с другим атомом углерода либо с чужеродным атомом.

Ключом к структуре полимера является то, что два атома углерода могут иметь до трех общих связей и все еще связываться с другими атомами. Элементы, наиболее часто встречающиеся в полимерах, их валентные числа: H, F, Cl, Bf, I с одновалентным электроном; O, S — 2-мя валентными электронами; n — 3-х валентными электронами; C, Si — 4-мя валентными электронами.

Mers

Mers — повторяющаяся единица полимерной цепи.
Мономер — единичная единица mer (n = 1).
Полимер — множество мер-единиц вдоль цепи (n = 10 3 или более).
Степень полимеризации — Среднее количество мер-единиц цепи.

Как образовываются полимерные цепи?

Способность молекул образовывать длинные цепи жизненно важна для получения полимеров. Рассмотрим материал полиэтилен, сделанный из газообразного этана, C₂H₆. Этан-газ имеет два атома углерода в цепи, каждый из двух атомов углерода имеет два валентных электрона с другим. Если две молекулы этана соединены вместе, одна из углеродных связей каждой молекулы может быть разорвана, а две молекулы могут быть соединены углерод-углеродной связью. После того, как два mers соединены, на каждом конце цепочки все еще есть два свободных валентных электрона для соединения других mers или полимерных цепей. Процесс может продолжать соединять больше mers и полимеров вместе до тех пор, пока он не будет остановлен добавлением другого химического вещества (терминатора), который заполняет доступную связь на каждом конце молекулы. Это называется линейным полимером и является строительным блоком для термопластичных полимеров.

Полимерная цепь часто показана в двух измерениях, но следует отметить, что они имеют трехмерную структуру. Каждая связь находится под углом 109° к следующей, и, следовательно, углеродный остов проходит через пространство, как скрученная цепь «TinkerToys». При приложении напряжения эти цепи растягиваются, и удлинение полимеров может быть в тысячи раз больше, чем в кристаллических структурах.

Длина полимерной цепи очень важна. Когда число атомов углерода цепи увеличится до нескольких сотен, материал пройдет через жидкое состояние, став восковым телом. Когда число атомов углерода цепи превышает 1000, получается полиэтилен твердого материала с его характеристиками прочности, гибкости, ударной вязкости. Изменение состояния происходит потому, что с увеличением длины молекул суммарные силы связи между молекулами также увеличиваются.

Следует также отметить, что молекулы, как правило, не являются прямыми, а представляют собой запутанную массу. Термопластичные материалы, например, полиэтилен, могут быть изображены, как масса переплетенных червей, случайно брошенных в ведро. Силы связи являются результатом ван-дер-ваальсовых сил между молекулами и механической запутанности между цепями. Когда термопласты нагреваются, происходит большее молекулярное движение, связи между молекулами могут легко разрушиться. Вот почему термопластичные материалы подвергают переплавке.

Термореактивные полимеры или пластмассы

Существует еще одна группа полимеров, где во время полимеризации образуется одна большая сеть вместо множества молекул. Поскольку полимеризация первоначально осуществляется путем нагревания сырья, затем его дальнейшего слияния, эту группу называют термореактивными полимерами или пластмассами. Для формирования такого типа структуры сети у компонентов должно быть более двух мест для соединения; иначе возможна только линейная структура. Эти цепочки образуют соединенные структуры и кольца, могут складываться взад, вперед, принимая частично кристаллическую структуру.

Поскольку эти материалы обычно состоят из одной гигантской молекулы, после того, как масса установится, между молекулами не будет никакого движения. Термореактивные полимеры являются более жесткими, обычно имеют более высокую прочность, чем термопластичные полимеры. Кроме того, поскольку нет возможности для движения между молекулами в термореактивном полимере, они не станут пластичными при нагревании.

Типы полимеров

Инженерные полимеры включают: природные материалы, каучук, синтетические материалы, пластмассы и эластомеры. Полимеры являются очень полезными материалами, потому что их структуры могут быть изменены и адаптированы для производства материалов:

• с диапазоном механических свойств;
• широким спектром цветов;
• различными прозрачными свойствами.

Товарный пластик

PE = полиэтилен;
PS = полистирол;
ПП = полипропилен;
ПВХ = Поли (винилхлорид);
ПЭТ = Поли (этилентерефталат).

Специальные или инженерные пластики

Тефлон (PTFE) = Поли (тетрафторэтилен);
ПК = поликарбонат (лексан);
Полиэфиры и полиамиды (нейлон).

Мономеры

Мономеры не обязательно должны быть одного типа атома, но когда речь идет о конкретном мономере, подразумевается, что он имеет одинаковую композиционную структуру. При построении полимера из двух отдельных мономеров эти полимеры называют сополимерами. Далее мы рассмотрим, как классифицируются сополимеры.

Сополимеры

Если химик синтезирует полимер, используя два разных исходных мономера, существует несколько возможных структур, как показано на рисунке ниже. Четыре основные структуры являются случайными, чередующимися, блочными и привитыми.

Если два мономера расположены случайным образом, то неудивительно, что сополимер называют статистическим сополимером. В чередующемся сополимере каждый мономер чередуется с другим, образуя структуру ABABABA…. В блок-сополимерах возможны более сложные повторяющиеся структуры, например, AAABBBAAABBBAAA… Привитые сополимеры создаются путем присоединения цепей второго типа мономера к основной цепи первого типа мономера.

Какую структуру имеют полимеры