Polimeri

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 25 martie 2021; verificările necesită 8 modificări .
Polimeri
Studiat în știința polimerilor [d]
Metoda de fabricație polimerizare
Opus monomer
Cod NCI Tezaur C48803
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Polimerii (din grecescul πολύ  „mulți” + μέρος  „parte”) sunt substanțe formate din „ unități monomerice ” legate în macromolecule lungi prin legături chimice. Polimerii pot fi substanțe anorganice și organice, amorfe și cristaline. Un polimer este un compus cu greutate moleculară mare: numărul de unități monomerice din polimer (gradul de polimerizare) trebuie să fie suficient de mare (altfel compusul va fi numit oligomer ). În multe cazuri, numărul de unități poate fi considerat suficient pentru a clasifica o moleculă drept polimer dacă adăugarea unei alte unități monomer nu modifică proprietățile moleculare [1] . De regulă, polimerii sunt substanțe cu o greutate moleculară de la câteva mii la câteva milioane [2] .

Dacă legătura dintre macromolecule se realizează cu ajutorul forțelor slabe Van der Waals , acestea se numesc termoplastice , dacă cu ajutorul legăturilor chimice - termoplastice . Polimerii liniari includ, de exemplu, celuloza , cei ramificati, de exemplu, amilopectina , există polimeri cu structuri spațiale tridimensionale complexe.

În structura polimerului, se poate distinge o legătură monomerică  - un fragment structural repetat care include mai mulți atomi. Polimerii constau dintr-un număr mare de grupuri (unități) repetate cu aceeași structură, de exemplu, clorură de polivinil (- CH 2 - CH Cl - ) n , cauciuc natural etc. Compuși cu molecule înalte ale căror molecule conțin mai multe tipuri de grupări repetate se numesc copolimeri sau heteropolimeri .

Polimerul este format din monomeri ca rezultat al reacțiilor de polimerizare sau policondensare. Polimerii includ numeroși compuși naturali: proteine , acizi nucleici , polizaharide , cauciuc și alte substanțe organice . În cele mai multe cazuri, conceptul se referă la compuși organici, dar există mulți polimeri anorganici . Un număr mare de polimeri se obțin sintetic din cei mai simpli compuși ai elementelor de origine naturală prin polimerizare, policondensare și transformări chimice. Denumirile polimerilor sunt formate din denumirea monomerului cu prefixul poli-: polietilenă , polipropilenă , acetat de polivinil etc.

Caracteristici

Proprietăți mecanice speciale

Caracteristicile soluțiilor polimerice:

Proprietăți chimice speciale:

Proprietățile speciale ale polimerilor se explică nu numai prin greutatea moleculară mare, ci și prin faptul că macromoleculele au o structură în lanț și sunt flexibile.

Clădire

O moleculă de lanț este formată din legături care formează anumite unghiuri de legătură între ele, care se modifică nesemnificativ în timpul vibrațiilor de îndoire. Aceste vibrații pot fi considerate armonice, având în vedere configurațiile de echilibru determinate de valori fixe ale unghiurilor de legătură. Fiecărei verigă să corespundă un vector în care distanța dintre capetele lanțului este determinată de vector

m = ∑ i = unu N v i . {\displaystyle {\textbf {m}}=\sum _{i=1}^{N}v_{i}.}

Prin urmare,

unde este cosinusul mediu al unghiului dintre vectori

Modelul gaussian standard, prezentat în figură, este un lanț de margele simetrice sferice care interacționează înșirate pe un fir necorporal cu corelații gaussiene ale pozițiilor legăturilor învecinate. Din punctul de vedere al interacțiunilor în vrac, o mărgele este, așa cum ar fi, o reprezentare a unui segment al unui lanț cu o lungime de ordinul mărimii.Figură Pentru a descrie un sistem de perle care interacționează, este necesar să le considerăm în afara lanțului: distribuția Gibbs pentru un sistem polimeric este reprezentată de

unde - legături, - interacțiuni, adică energia interacțiunilor de volum în microconfigurații (de exemplu, pentru modelul Gaussian standard ). Sistemul de legături întrerupte este sistemul cu distribuția Gibbs:

În fizica statistică, interacțiunile de volum sunt descrise în termeni de caracteristicile termodinamice ale unui sistem de legături rupte.

Modelele latice sunt convenabile pentru unele calcule analitice și pentru modelarea sistemelor polimerice pe un computer. În astfel de modele, lanțul polimeric este reprezentat ca o traiectorie a unei plimbări aleatorii de-a lungul marginilor unei rețele spațiale.

Interacțiunile volumetrice, în cel mai simplu caz, sunt date de condiția rătăcirii auto-neintersectante, adică interzicerea lanțului să viziteze de două ori același loc de rețea (repulsie) și atribuirea energiei -E<0 fiecărei perechi de non- verigi învecinate în lanț, separate printr-o margine a rețelei (atracție).

Copolimeri

Polimerii formați din diferiți monomeri sau molecule legate chimic de diferiți polimeri sunt numiți copolimeri. De exemplu, polistirenul de mare impact este un copolimer polistiren-polibutadienă [3] .

Copolimerii diferă în structură, tehnologie de fabricație și proprietăți obținute. Pentru 2014 au fost create tehnologii [3] :

Proprietățile copolimerilor

Copolimerii în formă de pieptene pot fi compuși din materiale cu proprietăți diferite, ceea ce conferă unui astfel de copolimer proprietăți fundamental noi, de exemplu, cristalul lichid [3] .

În copolimerii bloc alcătuiți din componente cu proprietăți diferite apar superrețele, construite din blocuri de natură chimică diferită separate într-o fază separată. Dimensiunile blocurilor depind de raportul dintre monomerii de pornire. Astfel, polistirenului fragil se adaugă rezistență la tracțiune de până la 40% prin copolimerizare cu 5–10% polibutadienă și se obține polistiren rezistent la impact, iar la 19% polistiren în polibutadienă, materialul prezintă un comportament asemănător cauciucului [3] .

Clasificare

În funcție de compoziția chimică, toți polimerii sunt împărțiți în organici , organoelement , anorganici .

Trebuie remarcat faptul că polimerii sunt adesea utilizați în inginerie ca componente ale materialelor compozite , de exemplu, fibra de sticlă . Sunt posibile materiale compozite, toate componentele cărora sunt polimeri (cu compoziție și proprietăți diferite).

În funcție de forma macromoleculelor, polimerii sunt împărțiți în rețele liniare, ramificate (un caz special - în formă de stea), panglici, plate, în formă de pieptene, rețele polimerice și așa mai departe.

Polimerii sunt clasificați în funcție de polaritate (afectând solubilitatea în diferite lichide). Polaritatea unităților polimerice este determinată de prezența dipolilor în compoziția lor, adică de molecule cu o distribuție separată a sarcinilor pozitive și negative. În legăturile nepolare, momentele dipolare ale legăturilor atomilor sunt compensate reciproc. Polimerii ale căror unități au polaritate semnificativă se numesc hidrofili sau polari . Polimeri cu legături nepolare - nepolare , hidrofobe . Polimerii care conțin atât unități polare, cât și nepolare sunt numiți amfifili . Homopolimerii, fiecare legătură conţinând atât grupări mari polare, cât şi nepolare, se propune a fi numiţi homopolimeri amfifili .

În ceea ce privește încălzirea, polimerii sunt împărțiți în termoplastici și termorigide . Polimerii termoplastici ( polietilenă , polipropilenă , polistiren ) se înmoaie când sunt încălziți, chiar se topesc și se întăresc când sunt răciți. Acest proces este reversibil. Polimerii termoindurenți , atunci când sunt încălziți, suferă o degradare chimică ireversibilă fără a se topi. Moleculele polimerilor termorigide au o structură neliniară obținută prin reticulare (de exemplu, vulcanizare ) a moleculelor de polimer cu lanț. Proprietățile elastice ale polimerilor termorigizi sunt mai mari decât cele ale termoplasticilor, totuși, polimerii termorigizi practic nu curg, drept urmare au o tensiune de rupere mai mică.

Polimerii organici naturali se formează în organismele vegetale și animale. Cele mai importante dintre acestea sunt polizaharidele , proteinele și acizii nucleici , care alcătuiesc corpurile plantelor și animalelor în mare măsură și care asigură însăși funcționarea vieții pe Pământ. Se crede că etapa decisivă în apariția vieții pe Pământ a fost formarea de molecule mai complexe, cu molecule mari, din molecule organice simple (vezi Evoluția chimică ).

Tipuri

polimeri sintetici. Materiale polimerice artificiale

Omul folosește materiale polimerice naturale în viața sa de mult timp. Acestea sunt pielea , blănurile , lâna , mătasea , bumbacul etc. folosite la fabricarea articolelor de îmbrăcăminte, diverși lianți ( ciment , var , lut ), care formează, cu prelucrare corespunzătoare, corpuri polimerice tridimensionale, utilizate pe scară largă ca materiale de construcție . Cu toate acestea, producția industrială de polimeri în lanț a început la începutul secolului al XX-lea, deși condițiile prealabile pentru aceasta au apărut mai devreme.

Aproape imediat, producția industrială de polimeri s-a dezvoltat în două direcții - prin prelucrarea polimerilor organici naturali în materiale polimerice artificiale și prin obținerea de polimeri sintetici din compuși organici cu greutate moleculară mică.

În primul caz, producția de mare capacitate se bazează pe celuloză . Primul material polimeric din celuloză modificată fizic - celuloid  - a fost obținut la mijlocul secolului al XIX-lea. Producția pe scară largă de eteri și esteri de celuloză a fost organizată înainte și după cel de-al Doilea Război Mondial și continuă până în zilele noastre. Pe baza acestora se produc filme , fibre , vopsele și lacuri și agenți de îngroșare . Trebuie remarcat faptul că dezvoltarea cinematografiei și a fotografiei a fost posibilă numai datorită apariției unui film transparent de nitroceluloză .

Producția de polimeri sintetici a început în 1906, când Leo Baekeland a brevetat așa-numita rășină bachelită, un produs al condensării fenolului și formaldehidei , care se transformă într-un polimer tridimensional atunci când este încălzit. A fost folosit de zeci de ani la fabricarea de carcase pentru aparate electrice, baterii , televizoare , prize etc., iar acum este mai frecvent folosit ca liant și adeziv .

Datorită eforturilor lui Henry Ford , înainte de Primul Război Mondial, industria auto a început să se dezvolte rapid, mai întâi bazată pe cauciuc natural, apoi și pe cauciuc sintetic . Producția acestuia din urmă a fost stăpânită în ajunul celui de-al Doilea Război Mondial în Uniunea Sovietică, Anglia, Germania și SUA. În aceiași ani, a fost stăpânită producția industrială de polistiren și clorură de polivinil , care sunt materiale excelente izolante electric, precum și metacrilat de polimetil  - fără sticlă organică numită "plexiglas", construcția de avioane de masă în anii de război ar fi fost imposibilă.

După război, s-a reluat producția de fibre și țesături de poliamidă ( capron , nailon ), care începuse înainte de război. În anii 50 ai secolului XX, a fost dezvoltată fibra de poliester, iar producția de țesături pe baza acesteia a fost stăpânită sub denumirea de lavsan sau tereftalat de polietilenă . Polipropilena și nitronul  - lână artificială din poliacrilonitril - închid lista fibrelor sintetice pe care oamenii moderni le folosesc pentru îmbrăcăminte și activități industriale. În primul caz, aceste fibre sunt foarte des combinate cu celuloză naturală sau fibre proteice ( bumbac , lână , mătase ). Un eveniment epocal în lumea polimerilor a fost descoperirea la mijlocul anilor 50 ai secolului XX și dezvoltarea industrială rapidă a catalizatorilor Ziegler-Natta , care a dus la apariția materialelor polimerice pe bază de poliolefine și, mai ales, polipropilenă și low. -polietilenă sub presiune (înainte de aceasta, producerea de polietilenă la o presiune de aproximativ 1000 atm.), precum și polimeri stereoregulați capabili de cristalizare. Apoi, poliuretanii au fost introduși în producția de masă  - cei mai obișnuiți etanșanți, materiale adezive și poroase moi (cauciuc spumă), precum și polisiloxani  - polimeri organoelement care au rezistență la căldură și elasticitate mai mare în comparație cu polimerii organici .

Lista este închisă de așa-numiții polimeri unici sintetizați în anii 1960 și 1970. Acestea includ poliamide aromatice , poliimide , poliesteri , cetone de poliester etc.; un atribut indispensabil al acestor polimeri este prezența ciclurilor aromatice și (sau) structurilor aromatice condensate. Ele se caracterizează printr-o combinație de valori remarcabile ale rezistenței și rezistenței la căldură.

Polimeri refractari

Mulți polimeri, cum ar fi poliuretanii, poliesterii și rășinile epoxidice, tind să se aprindă, ceea ce este adesea inacceptabil în practică. Pentru a preveni acest lucru, se folosesc diverși aditivi sau se folosesc polimeri halogenați. Polimerii nesaturați halogenați sunt sintetizați prin încorporarea monomerilor clorurati sau bromurați, cum ar fi acidul hexaclorendometilentetrahidroftalic (HEMTPA), dibromoneopentil glicolul sau acidul tetrabromoftalic, în condensare. Principalul dezavantaj al unor astfel de polimeri este că atunci când sunt arse, ei sunt capabili să elibereze gaze care provoacă coroziune, ceea ce poate avea un efect dăunător asupra electronicelor din apropiere.

Acțiunea hidroxidului de aluminiu se bazează pe faptul că la expunerea la temperaturi ridicate se eliberează apă, ceea ce împiedică arderea. Pentru a obține efectul, este necesar să adăugați cantități mari de hidroxid de aluminiu: în greutate 4 părți la o parte de rășini poliesterice nesaturate.

Pirofosfatul de amoniu funcționează pe un principiu diferit: provoacă carbonizare, care, împreună cu un strat sticlos de pirofosfați, izolează plasticul de oxigen, inhibând răspândirea focului.

Sinteză

Polimerizarea este procesul de combinare a multor molecule mici , cunoscute sub numele de monomeri, într-un lanț sau o rețea legată covalent. În timpul polimerizării, unele grupări chimice pot fi pierdute din fiecare monomer. Acest lucru se întâmplă în timpul polimerizării poliesterului PET . Monomerii sunt acidul tereftalic (HOOC - C 6 H 4  - COOH) și etilenglicolul (HO - CH 2  - CH 2  - OH), dar elementul care se repetă este OC - C 6 H 4  - COO - CH 2  - CH 2  - O -, care corespunde unei combinații de doi monomeri cu pierderea a două molecule de apă. Piesa individuală a fiecărui monomer care este inclusă în polimer este cunoscută drept blocul de construcție.

Metodele de sinteză de laborator se împart în general în două categorii: polimerizarea în trepte și polimerizarea în lanț [4] . Diferența esențială dintre ele constă în faptul că în timpul polimerizării în lanț, odată cu creșterea lanțului, monomerii sunt adăugați în lanț doar unul câte unul [5] , de exemplu, în polietilenă ; în timp ce în polimerizarea treptată, lanțurile de monomeri pot fi conectate direct între ele [6] , de exemplu, în poliester . Metodele mai moderne, cum ar fi polimerizarea cu plasmă, nu se încadrează în niciuna dintre aceste categorii. Reacţiile de polimerizare sintetică pot fi efectuate cu sau fără catalizator . Sinteza de laborator a biopolimerilor, în special a proteinelor, este un domeniu de cercetare intensă.

Pentru inițierea polimerizării se folosesc metode predominant chimice, introducând inițiatori în monomeri sau soluțiile acestora în cazul polimerizării care se desfășoară prin mecanism radicalic, și catalizatori în cazul polimerizării ionice. Metodele termice și fotochimice de inițiere sunt limitate (prima se datorează condițiilor nefavorabile de dezvoltare a lanțurilor la temperaturi ridicate și proceselor secundare rezultate, a doua se datorează eficienței reduse și complexității proiectării tehnologice datorită influenței proprietăţile optice ale mediului în cursul reacţiilor fotochimice). Se folosește și metoda de polimerizare prin radiație, conform căreia inițierea procesului în lanț se realizează prin acțiunea radiațiilor ionizante [7] .


Aplicație

Datorită proprietăților lor valoroase, polimerii sunt utilizați în inginerie mecanică , industria textilă , agricultură , medicină , automobile și construcții navale , producția de aeronave și în viața de zi cu zi (textile și produse din piele, vase, lipici și lacuri , bijuterii și alte articole). Pe baza compușilor macromoleculari, sunt produse cauciuc , fibre , materiale plastice , filme și vopsea. Toate țesuturile organismelor vii sunt compuși macromoleculari.

Știința polimerilor

Știința polimerilor a început să se dezvolte ca domeniu independent de cunoaștere până la începutul celui de-al Doilea Război Mondial și sa format în ansamblu în anii 50 ai secolului XX, când rolul polimerilor în dezvoltarea progresului tehnologic și a activității vitale. de obiecte biologice a fost realizat. Este strâns legată de fizică , chimie fizică , coloidală și organică și poate fi considerată drept unul dintre fundamentele de bază ale biologiei moleculare moderne , ale cărei obiecte de studiu sunt biopolimerii .

Vezi și

Note

  1. ↑ Glosar IUPAC de termeni de bază în știința polimerilor
  2. ↑ Compuși macromoleculari // Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / cap. ed. A. M. Prohorov . - Ed. a 3-a. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1969-1978.
  3. ↑ 1 2 3 4 Volynsky, 2014 .
  4. ↑ Sperling, LH (Leslie Howard). Introducere în știința polimerilor fizici  (neopr.) . - Hoboken, NJ: Wiley, 2006. - P.  10 . — ISBN 978-0-471-70606-9 .
  5. ↑ Sperling, p. unsprezece
  6. ↑ Sperling, p. cincisprezece
  7. ↑ V.S. Ivanov. Sinteza compușilor macromoleculari prin polimerizare prin radiație.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
 Secțiuni de știința materialelor
Definiții de bază
Direcții principale
Aspecte generale
Alte direcții importante
Științe conexe