§ 63. Полимерные материа

Определения и обозначения

Полимер — вещество, состоящее из макромолекул, то есть очень больших молекул, образованных повторяющимися структурными звеньями. Исходные молекулы для построения цепи называют мономерами, а число звеньев в макромолекуле — степенью полимеризации n. Эти понятия позволяют связать строение вещества с его молекулярной массой и свойствами.

Мономер — низкомолекулярное исходное вещество, из молекул которого получают полимер. Обычно его молекулы содержат двойную связь или несколько функциональных групп, способных вступать в реакцию. По мономеру можно понять, из каких звеньев построена полимерная цепь.

Полимеризация — реакция соединения большого числа молекул мономера в одну макромолекулу без выделения побочных низкомолекулярных веществ. Например, молекулы этилена соединяются в полиэтилен: nCH₂=CH₂ → (—CH₂—CH₂—)_n. Это помогает отличать полимеризацию от поликонденсации, при которой выделяется небольшая молекула.

Полимерный материал — материал на основе полимера, свойства и применение которого зависят также от состава добавок. В него могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы и красители. Поэтому один и тот же полимер способен входить в состав изделий с разными характеристиками.

Как это устроено

При полимеризации активные участки молекул мономера соединяются друг с другом, и возникает длинная цепь. У алкенов обычно раскрывается двойная связь, а её атомы углерода образуют связи с соседними молекулами. Повторяющееся звено показывает, какие атомы входят в цепь и какие заместители сохраняются сбоку, поэтому по нему восстанавливают состав макромолекулы.

Молекулярная масса зависит от числа звеньев, то есть от степени полимеризации: чем длиннее цепи, тем сильнее они переплетаются и тем труднее разделяются. Это часто увеличивает прочность, температуру размягчения и вязкость расплава, но может затруднять переработку. Эластичность определяется не только длиной, но и гибкостью цепей, а плотность — способом их упаковки и наличием разветвлений.

В линейном полимере цепи не соединены поперечными связями, поэтому они могут перемещаться относительно друг друга; разветвления меняют плотность упаковки и текучесть. Пространственно-сшитая структура образует единую сетку, которая удерживает форму и препятствует расплавлению. Поэтому линейные и многие разветвлённые полимеры можно нагревать и формовать повторно, а сшитые при нагревании обычно разрушаются.

Пластмассы получают формованием полимерной композиции, каучуки превращают в резины вулканизацией, а химические волокна вытягивают из расплава или раствора полимера. Наполнители повышают жёсткость или удешевляют материал, пластификаторы делают его более гибким. Стабилизаторы защищают от света, кислорода и нагревания, а красители придают нужный цвет.

Полимеры удобны благодаря малой плотности, химической стойкости, электроизоляционным свойствам и возможности получать изделия сложной формы. Однако эти же свойства осложняют естественное разложение отходов. Поэтому материал после использования сортируют, перерабатывают механически или химически либо направляют на безопасное обезвреживание.

Основные виды полимерных материалов

При работе с таблицей сначала определите полимерную основу и строение материала, затем свяжите их со свойствами. После этого легче выбрать область применения: эластичный материал нужен для шин, а прочное волокно — для ткани или корда.

Наличие добавок уточняет характеристики изделия, поэтому название исходного полимера не всегда полностью описывает готовый материал. Особенно важно различать термопласты и сшитые композиции при выборе способа переработки.

Разбор задач

Задача 1. Определение мономера

По формуле структурного звена (—CH₂—CHCl—)_n определите мономер и запишите уравнение получения полимера. Нужно восстановить исходную двойную связь, из которой образовалась цепь.

1. Выделяем звено —CH₂—CHCl— и замечаем, что у соседних атомов углерода были свободные валентности.
2. Восстанавливаем между ними двойную связь: CH₂=CHCl. Это хлорэтен, или винилхлорид.
3. Записываем полимеризацию: nCH₂=CHCl → (—CH₂—CHCl—)_n.

Ответ: мономер — винилхлорид CH₂=CHCl; полимер — поливинилхлорид. Индекс n показывает число повторяющихся звеньев в макромолекуле.

Задача 2. Сравнение строения

Сравните линейный полимер и пространственно-сшитый полимер: какой легче плавится и перерабатывается? Причину нужно связать не с названием вещества, а с подвижностью макромолекул.

1. В линейном полимере цепи удерживаются главным образом межмолекулярными силами и могут скользить друг относительно друга.
2. При нагревании такие цепи становятся подвижнее, материал размягчается и принимает новую форму.
3. В сшитом полимере поперечные связи объединяют цепи в сетку, поэтому они не могут свободно перемещаться и расплавляться.

Ответ: легче плавится и перерабатывается линейный полимер. Сшитый материал при сильном нагревании не переходит в текучий расплав, а разрушается.

Задача 3. Выбор материала

Для изделия нужны высокая эластичность и способность амортизировать удары. Определите, выбрать пластмассу, резину или химическое волокно, если известны исходный полимер и набор свойств.

1. Сопоставляем требование с главным свойством: упругость и возвращение к форме характерны для резины.
2. Проверяем состав: резину получают вулканизацией каучука, поэтому наличие поперечных связей подтверждает выбор.
3. Исключаем пластмассу и волокно: первая обычно сохраняет жёсткую форму, второе предназначено прежде всего для образования нитей и тканей.

Ответ: следует выбрать резину на основе вулканизированного каучука; её применяют для шин, уплотнителей и амортизирующих деталей.

Типичные ошибки

Мономер путают со структурным звеном. Ошибка возникает потому, что их формулы часто похожи. Проверка проста: мономер — отдельная исходная молекула, а звено повторяется внутри уже образованной цепи.

Считают, что при любой полимеризации выделяется побочный продукт. Так переносят признак поликонденсации на другую реакцию. Если молекулы присоединяются без выделения воды, хлороводорода или другой малой молекулы, это полимеризация.

Каучук отождествляют с резиной. Каучук является исходным эластичным полимером, а резина — продуктом его вулканизации с поперечными связями. Проверьте, упоминается ли обработка, изменяющая прочность и упругость материала.

Считают все полимеры одинаково перерабатываемыми. Линейные термопласты размягчаются, а пространственно сшитые полимеры не плавятся. Определите сначала тип строения макромолекул, затем делайте вывод о нагревании.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении органических веществ, типах химических связей и реакциях присоединения. Умение составлять структурные формулы помогает восстановить мономер по повторяющемуся звену и записать уравнение полимеризации.

Дальше эти сведения пригодятся при изучении органического синтеза и химической технологии. Они также связаны с материаловедением и экологией: свойства изделий определяют их применение, а состав отходов — способы переработки.

Что запомнить

• Полимер состоит из повторяющихся структурных звеньев.
• Мономер является исходным веществом для получения полимера.
• Полимеризация протекает без выделения побочных низкомолекулярных веществ.
• Строение макромолекул определяет свойства полимерного материала.
• Пластмассы, резины и химические волокна относятся к основным полимерным материалам.
• Добавки изменяют механические, термические и эксплуатационные свойства материала.
• Выбор полимерного материала определяется его свойствами и назначением изделия.