29.3: Типи полімерів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 106192

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Полімери можна класифікувати декількома різними способами - за їх структурою, типами реакцій, за допомогою яких вони отримують, їх фізичними властивостями або технологічним використанням.

З точки зору загальних фізичних властивостей ми зазвичай визнаємо три типи твердих полімерів: еластомери, термопластичні полімери та термореактивні полімери. Еластомери - це каучуки або гумоподібні еластичні матеріали. Термопластичні полімери тверді при кімнатній температурі, але при нагріванні стають м'якими і більш-менш текучими і можуть формуватися. Термореактивні полімери можуть формуватися при кімнатній температурі або вище, але при нагріванні сильніше стають твердими і неплавкими. Ці категорії значно перекриваються, але, тим не менш, корисні для визначення загальних областей корисності та типів конструкцій.

Структурними характеристиками, які найбільш важливі для визначення властивостей полімерів, є:

ступінь жорсткості молекул полімеру,
електростатичні і ван дер Ваальса привабливі сили між ланцюгами,
ступінь, до якої ланцюги мають тенденцію утворювати кристалічні домени, і
ступінь зшивання між ланцюгами.

З них зшивання, мабуть, найпростіша і буде розглянута далі.

Розглянемо полімер, виготовлений з клубка молекул з довгими лінійними ланцюгами атомів. Якщо міжмолекулярні сили між ланцюгами невеликі, а матеріал піддається тиску, молекули будуть, як правило, рухатися повз один одного в так званому пластичному потоці. Такий полімер зазвичай розчиняється в розчинниках, які розчиняють коротколанцюгові молекули з хімічними структурами, подібними до полімеру. Якщо міжмолекулярні сили між ланцюгами досить сильні, щоб запобігти руху молекул один за одного, полімер буде твердим при кімнатній температурі, але зазвичай втрачає міцність і піддається пластичному потоку при нагріванні. Такий полімер є термопластичним. Поперечна ланка - це хімічна зв'язок між полімерними ланцюгами, відмінними від кінців. Поперечні зв'язки надзвичайно важливі при визначенні фізичних властивостей, оскільки вони збільшують молекулярну масу і обмежують поступальні рухи ланцюгів відносно один одного. Для з'єднання всіх молекул полімеру в даному зразку для отримання однієї гігантської молекули потрібно лише дві поперечні ланки на полімерний ланцюг. Лише кілька зшивних зв'язків (рис. 29-1) значно знижують розчинність полімеру і, як правило, виробляють те, що називається гелевим полімером, який, хоча і нерозчинний, зазвичай поглинає (розбухає) розчинники, в яких незшитий полімер розчинний. Тенденція до поглинання розчинників зменшується, оскільки ступінь зшивання збільшується, оскільки ланцюги не можуть рухатися достатньо, щоб молекули розчинника проникли між ланцюгами.

Малюнок 29-1: Схематичне зображення полімеру з декількома поперечними зв'язками між ланцюгами.

Термореактивні полімери зазвичай виготовляються з відносно низькомолекулярних, як правило, напіврідких речовин, які при нагріванні в прес-формі стають сильно зшитими, тим самим утворюючи тверді, неплавкі і нерозчинні продукти, що мають тривимірну мережу зв'язків, що з'єднують між собою полімерні ланцюги (рис. 29-2).

Малюнок 29-2: Схематичне зображення перетворення незшитого термореактивного полімеру в сильно зшитий полімер. Поперечні зв'язки показані в двовимірній мережі, але на практиці утворюються тривимірні мережі.

Полімери зазвичай отримують двома різними типами реакцій полімеризації - додавання і конденсації. Крім полімеризації всі атоми молекул мономера стають частиною полімеру; при конденсаційній полімеризації деякі атоми мономера розщеплюються в реакції як вода, спирт, аміак або вуглекислий газ і так далі. Деякі полімери можуть утворюватися або в результаті реакцій додавання, або конденсації. Прикладом може служити поліетиленгліколь, який, в принципі, може утворюватися або шляхом зневоднення 1,2-етандіолу (етиленгліколю), який є конденсацією, або шляхом додавання полімеризації оксациклопропану (етиленоксиду):\(^1\)

Раніше обговорювалися інші додаткові полімеризації, включаючи полі-1,3-циклопентадієн, алкенові полімери (розділ 19-8), поліалкадієни (розділ 13-4), поліфторалкени (розділ 14-7D) та поліметанал (розділ 16-4B).

\(^1\)Незалежно від того, чи буде отриманий один і той же полімер шляхом полімеризації, починаючи з різних мономерів, продукти зазвичай називаються відповідно до вихідного матеріалу. Таким чином, поліетиленгліколь і поліетиленоксид не будуть використовуватися взаємозамінно для\(\ce{HO-(CH_2CH_2-O)}_n \ce{-H}\).

Дописувачі та атрибуція

Template:ContribRoberts