Основные свойства полимеров

0
169

Полимеры — это огромные молекулы, встречающиеся в природе, среди современной технологии. Статья знакомит с полимерами, их свойствами, некоторыми разновидностями, которыми полимеры встречаются в современном мире.

Что такое полимеры?

Что общего между ДНК, пластиковой бутылкой и деревом? Сдаетесь? Все они полимеры!

Полимеры — это очень большие молекулы, состоящие из тысяч, даже миллионов атомов, связанных друг с другом, имеющих повторяющийся порядок. Структура полимера легко визуализируется путем воображения цепи. Цепочка имеет много взаимосвязей. Таким же образом атомы полимера связаны друг с другом, образуя связи полимерной цепи.

Молекулярные звенья полимерной цепи называются повторяющимися звеньями, образующиеся из одной или нескольких молекул, называемых мономерами. Структура повторяющегося звена может широко варьироваться и зависит от сырья, из которого состоит полимер. Например, полиэтилен — полимер, используемый для изготовления самых разнообразных пластиковых пакетов, контейнеров, имеет очень простую повторяющуюся единицу — два атома углерода, связанных друг с другом, образуя единую связь.

Синтезирующие полимеры

Полимеры создаются в результате химических реакций, известных как полимеризация; большинство из них получают двумя основными типами реакций. Первый тип реакции полимеризации называется конденсационная полимеризация. Второй тип реакции — полимеризация с цепным ростом.

Polijetilenovyj-blok-povtorenija
Полиэтиленовый блок повторения

Конденсационная полимеризация, также называемая ступенчатой ​​полимеризацией, происходит, когда два мономера реагируют, образуя повторяющиеся звенья меньшей молекулы, например, вода. Отличным примером такого типа реакции является полимеризация нейлона из мономеров с карбоновыми кислотами и основными аминами. Реакция (показанная ниже) создает связь между каждым мономером, производя воду в качестве побочного продукта; используется для производства нейлоновых волокон для одежды.

Polimerizacija-nejlona
Полимеризация нейлона, который производит воду как побочный продукт

Цепная полимеризация происходит, когда мономер образует высокореактивный свободный радикал или молекулу, имеющую неспаренный электрон. Свободный радикал быстро реагирует с другим мономером, вызывая повторную единицу, имеющую другой свободный радикал. Быстрая цепная реакция продолжает полимеризацию, а полимерная цепь продолжает расти дольше. Одним из примеров полимера, получаемого при полимеризации цепным ростом, является полистирол — полимер, обычно встречающийся в одноразовых стаканах для питья.

Свойства полимера

Поскольку многие полимеры изготовлены из длинных гибких цепочек, они легко запутываются, как чаша приготовленных спагетти. Неупорядоченное запутывание полимерных цепей создает так называемую аморфную структуру. Аморфные полимеры обычно прозрачны, их гораздо легче расплавить, чтобы сделать такие материалы, как кухонная пленка.

Полимерные цепи не всегда образуют аморфные структуры. При надлежащих условиях, например, растяжение, полимерные цепи могут располагаться рядом, образуя упорядоченные кристаллические структуры. Кристаллическое расположение среди полимеров также может быть достигнуто за счет медленного охлаждения, когда отдельные полимерные цепи сворачиваются друг на друга.

Polimerizacija-stirola-s-obrazovaniem-polistirola
Полимеризация стирола с образованием полистирола

Полимеры также могут быть использованы для создания огромных трехмерных сетей. Данные сети сделаны посредством реакции мономеров, имеющих более чем два возможных участка, чтобы произошла полимеризация. Множество последовательных реакции позволяют различным цепям соединяться друг с другом, образуя сшитые цепи. Результатом сшитых цепей является трехмерное твердое тело, представляющее собой одну огромную молекулу.

Следующие переменные могут контролироваться при производстве полимера:

  • Мономер полимеризуется либо мономеры сополимеризуются;
  • Реагент используют для инициирования реакции полимеризации;
  • Идентичность и количество реагента, используемого для сшивания полимерных цепей;
  • Температура и давление, при которых происходит полимеризация;
  • Растворитель, в котором мономер полимеризуется.

Способ сбора полимера, который может привести к более или менее случайному выравниванию полимерных цепей либо ткани, где у цепей присутствует ориентация одного направления. Изменение одного либо нескольких из этих параметров способно повлиять на линейность полимера, его среднюю молекулярную массу, тактичность боковых цепей на основной цепи полимера, плотность продукта.

Также возможно изменить свойства полимера путем добавления либо стабилизаторов, либо пластификаторов. Стабилизаторы используются для повышения способности пластика противостоять окислению, чтобы сделать его менее чувствительным к теплу либо свету, а также в качестве антипиренов.

Пластификаторы увеличивают гибкость пластика, действуя как смазка, уменьшая трение между молекулами, когда одна полимерная цепь проходит мимо другой. Они также увеличивают количество пустого пространства, так называемого свободного объема внутри полимера, открывая пространство между полимерными цепями, чтобы увеличить легкость, с которой заканчивается цепь, боковые цепи и основная цепь.

Результатом всех этих манипуляций может оказаться полимер, такой же прочный, как кевлар, используемый для изготовления пуленепробиваемых жилетов, или материал, который легко разрывать, как кусок бумаги. Он может быть твердым, как шар для боулинга, или мягким, как кусок папиросной бумаги; хрупким, как одноразовые полистирольные стаканы, используемые на вечеринках, либо эластичным, как кофейная чашка из пенопласта.

Vyrovnennye-polimernye-cepi
Выровненные полимерные цепи, которые создают кристаллические полимеры
Slozhennye-polimernye-cepi
Сложенные полимерные цепи, которые также создают кристаллы

Ниже описаны некоторые важные свойства полимера.

Теплоемкость / Теплопроводность — свойство, где пластик или полимер действует как эффективный изолятор от потока тепла. Полистирол в одноразовых пластиковых стаканчиках не очень хороший изолятор. Однако продувка воздуха через стирол во время его полимеризации дает пенополистирол, используемый для одноразовых кофейных чашек, являющийся гораздо лучшим изолятором.

Тепловое расширение — свойство, до которой полимер расширяется либо сжимается при нагревании или охлаждении. Силикон часто используется для герметизации стеклянных окон, обладая очень низким коэффициентом теплового расширения.

Тепловое расширение также касается вопроса о том, расширяется ли полимер или сжимается на одинаковую величину во всех направлениях. Полимеры, как правило, анизотропны. Содержат сильные ковалентные связи вдоль полимерной цепи; значительно более слабые дисперсионные силы между полимерными цепями. Как результат, полимеры способны разниться разным количеством в разных направлениях.

Кристалличность — свойство, где полимерные цепи располагаются регулярной структурой, а не случайным образом. Некоторые полимеры, например, Silly Putty, Play Dough, слишком аморфны; не обладают жесткостью, необходимой для изготовления полезного продукта. Слишком кристаллические полимеры часто также слишком хрупкие.

Проницаемость — тенденция полимера пропускать посторонние материалы. Полиэтилен используется для упаковки пищевых продуктов; в 4000 раз менее проницаем для кислорода, чем полистирол.

Модуль упругости — сила, необходимая для растяжения пластика в одном направлении.

Прочность на растяжение пластика — сила, которая должна быть приложена в одном направлении, чтобы растянуть пластик, пока он не сломается.

Эластичность — способность пластика противостоять истиранию и износу.

Показатель преломления — свойство пластика, позволяющее влиять на свет, когда он проходит через полимер. Он пропускает свет, как ПММА, либо поглощает свет, как ПВХ?

Сопротивление электрическому току — является ли материал изолятором, как большинство полимеров, или он проводит электрический ток? Растет интерес к проводящим полимерам, которые можно заряжать, разряжать; фотопроводящим полимерам, способными поглощать электрический заряд при воздействии света.

Полимеры в промышленности и природе

Многие из полимеров, с которыми мы знакомы в нашей повседневной жизни, известны как пластмассы. Пластмассы или термопласты — это полимеры, которые размягчаются при нагревании, образуя различные формы. Термопласты используются для изготовления всего: от бутылок содовой до столовых приборов для пикника.

Другое применение полимеров — длинные нити, известные, как волокна. Волокна включают много типов синтетической пряжи или веревки, сделанных из аморфных материалов, например, полиэфиры. Кристаллические полимеры также могут использоваться для изготовления волокон, одним из самых известных из которых являются волокна пуленепробиваемой одежды.

Полимеры и биополимеры

Какие вещества являются полимерами? Какова структура полимера? Насколько распространено применение полимерных материалов? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.