Полимеры

ПОЛИМЕРЫ
Жизнь сейчас трудно представить без полимеров. Из них созданы гаджеты, одежда, запчасти и даже контактные линзы. Да и сама молекула ДНК — тоже полимер.У слова «полимер» греческое происхождение: pollá (многие) и méros (часть). Полимеры — это вещества, которые состоят из множества мономеров (структурные звенья). По строению полимеры бывают линейными, разветвленными или сетевыми. Количество мономерных звеньев и молекулярная масса каждого из них влияют на свойства будущего материала.Полимеры — это как органические, так и неорганические, кристаллические и аморфные вещества, которые состоят из «мономерных звеньев», соединенных между собой либо координационными, либо химическими связями, образуя длинные макромолекулы.Полимер представляет собой высокомолекулярное соединение, в нем количество мономерных звеньев (степень полимеризации) является достаточно большим. Как правило, количество звеньев считается достаточным для отнесения молекулы к полимерам, когда добавление нового мономерного звена не ведет к изменению молекулярных свойств. Молекулярная масса полимеров может быть от нескольких тыс. до нескольких млн.В строении полимера выделяют мономерные звенья — повторяющиеся структурные фрагменты, которые включают в себя несколько атомов. В состав полимера входит большое количество повторяющихся звеньев одинакового строения. Высокомолекулярные соединения, в состав молекул которых входит несколько типов повторяющихся группировок, называются гитерополимерами или сополимерами.Для образования полимера из мономеров нужна реакция поликонденсации или полимеризации. Многие природные соединения относятся к полимерам: нуклеиновые кислоты, белки, каучук, полисахариды и прочие органические вещества.Существует также немало неорганических полимеров. Большая их часть получается синтетическим путем благодаря простейшим соединениям природных элементов и реакциям полимеризации или поликонденсации, а также и химическим превращениям. Для образования названий полимеров перед названием мономера ставят приставку поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и пр.Название синтетических полимеров, используемых в статье:Полиэтилен — термопластичный полимер этилена. Формула представлена на рисунке ниже.Полиуретан — сырьем для этого полимера служит полиол. Его получают из сырой нефти.Полиамид — получается в результате химической переработки угля, газа и нефти.Поливинилхлорид (ПВХ) — синтетический термопластик, который состоит из хлора и этилена.Бакелит — продукт реакции фенола и формальдегида под давлением при высоких температурах.Полистирол — материал, который получают в результате полимеризации стирола.Полиметилметакрилат (оргстекло) — полимер, который пропускает свет, и внешне похож на стекло.Полиэфирное волокно — используется в качестве наполнителя в игрушках, одеялах, подушках, мебели.Полипропилен — твердое вещество, которое получается в результате полимеризации пропилена (бесцветный газ).Полиамиды — в эту группу пластмасс входят найлон, капрон, анид.Тефлон — полимер, который содержит углерод и фтор (политетрафторэтилен).Полимерные композиты — изготавливаются из двух и более компонентов. В качестве основного (матрицы) выступает полимер.Полиакриламид (ПАА) — полимер белого цвета без запаха. Растворяется в воде, в ледяной уксусной и молочной кислотах и глицерине, но не растворяется в этаноле, метаноле и ацетоне.Применение полимеровПолимеры в нефтегазовой промышленностиНефть и газ — это не просто источник топлива для большинства видов транспорта, но и сырье для химического производства. Именно из нефтепродуктов создают большинство видов полимеров.Также полученные полимеры используются и в самом процессе добычи. Так, для увеличения производительности и очистки трубопроводов используют полиакриламид (ПАА) и его производные. Этот технический водорастворимый полимер помогает увеличивать максимальную пропускную способность нефтепровода и улучшает качество перекачиваемой нефти. Его же используют при ремонтных работах в скважинах.В медицинеМедицинская сфера уже давно и активно использует изделия из полимеров. Среди них: штифты, одноразовые шприцы, инструменты для хирургии, контейнеры для плазмы и крови, контактные линзы, лабораторная посуда, хирургические нити, бахилы, протезы, искусственные органы и даже полимерные наногели для доставки лекарств.Изучение возможностей полимеров на этом не останавливается. Так, студенты и профессоры Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» в 2017 году решили усовершенствовать полиэтилен, чтобы использовать его в качестве замены костей, суставов и мышц. По мнению ученых, если доработать идею, то срок годности импланта из этого материала составит не менее 15 лет.В автомобилестроенииПредприятия автомобильной промышленности используют не менее 100 видов полимерных материалов при производстве транспортных средств. Так, колпаки колес, приборные панели и некоторые части двигателя сделаны из полипропилена. Сиденья выполнены из полиуретана, коврики — из полиэтилена. В рычагах включения привода, шестернях, бензобаке, аккумуляторе, корпусах предохранителей есть полиамид. Проводку делают из поливинилхлорида (ПВХ). Этот термопластичный полимер винилхлорида знаком жителям всего мира. Из него обычно изготавливаются линолеум и натяжные потолки.В строительствеНе отстает от других и строительная сфера. Из полимеров создают электротехнические конструкции, кабели, провода, трубы, изоляционные эмали, лаки, пленки, сетки, ограждения и защитные покрытия. Более того, полимеры добавляются в состав железобетона и бетона. Это позволяет улучшить качество строительных материалов.В пищевой промышленностиПолимеры в пищевой промышленности обязаны соответствовать определенным санитарно-гигиеническим требованиям. Они не должны влиять на органолептические свойства продуктов (вкус, цвет, запах), а также содержать токсичные компоненты. Полимеры используются не только в производстве оборудования для пищевой промышленности, но и в упаковочных материалах.Оборудование. К примеру, в консервной и молочной промышленности звенья транспортерных лент изготовлены из полиамидов или полиэтилена высокой плотности. А для того, чтобы сырье и полуфабрикаты не прилипали к поверхности оборудования, на металлические конструкции наносят специальные полимерные покрытия.Полимерная упаковка. Она позволяет сохранять миллионы тонн сельскохозяйственной продукции и продовольствия в магазинах. Так, одноразовые многослойные пленки сохраняют продукты на 20% дольше без добавления консервантов.В конце концов основные направления следующие:пищевой промышленности (различные виды упаковки: фантики, обертки, бутылки, пакеты),авиастроении (шины, амортизаторы, рукава, мягкие топливные баки, разнообразные профилированные монолитные шнуры, которыми герметизируют люки, окна, двери кабин),текстильной промышленности (производство тканей),сельском хозяйстве (пленочные материалы для сооружения теплиц и парников), медицине (чаще всего это силиконы, применяемые для операций и для изготовления катетеров, клапанов сердца, пленки для защиты поверхности кожи при ожогах),быту (посуда, клей, лаки, украшения).Химический составРазличают две большие группы полимерных материалов:- гомоцепные;- гетероцепные.В гомоцепных соединениях главные цепи макромолекулы состоят из атомов одного вида. К таким, например, относятся карбоцепные, сульфидоцепные, селикоцепные, состоящие из атомов, углерода, серы, кремния соответственно. Это такие материалы, как органические: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, неорганические: карбин, кумулен, полисилан, элементоорганические: полиорганосиланы, поливинилалкилсиланы борсодержащие и др.К гетероцепным относятся полимеры, структура которых содержит замещающие атомы разных химических элементов. Примером таких соединений являются полиэфиры, полиамиды, полисилоксаны, полиформальдегид и др.СтруктураТип связей мономеров в макромолекуле оказывает сильное влияние на физические характеристики полимера. Существует большое количество разных видов структурных соединений, основными из которых являются:Линейная. Мономеры связаны в одну цепь. Такие материалы обладают высокой эластичностью. Примеры: натуральный каучук, эластомеры.Разветвленная. Цепи имеют боковые ответвления. Материалы с высокой прочностью. Например: амилопектин (составляющая крахмала), полиэтилен высокого давления.Сетчатая. Цепи имеют поперечные связи. Неэластичные и нерастворимые вещества, такие как отвердевшие эпоксидные смолы, фенолформальдегидные полимеры. Сетчатые соединения могут быть плоскими (лестничного либо паркетного типа) и пространственными. Трехмерные структуры обеспечивают материалам наивысшую твердость.Полимеры, состоящие из одинаковых мономеров, называют гомополимерами, материалы, макромолекулы которых включают различные структурные звенья, относят к гетерополимерам (сополимерам).Свойства полимеровУдаропрочность. По способности выдерживать механическую нагрузку полимеры ничем не уступают некоторым металлам. Поэтому полимеры используют при создании автомобильных бамперов, защитных чехлов и не только.Пластичность и эластичность. Таким свойством обладают, например, природные и синтетические каучуки. Именно поэтому их используют при создании автомобильных шин, шланги, оболочки проводов и кабелей, подошвы для обуви, воздушные шарики и не только.Отражательная способность. Благодаря этому свойству из полимеров создают специальные светоотражающие пленки. Обычно их используют для индикации предметов в темное время суток. К примеру, светоотражающие материалы применяют при организации дорожного движения, создании билбордов и баннеров.Электроизоляция. Полимеры — диэлектрики (не пропускают через себя электрический ток). Их можно использовать не только в качестве изоляционных материалов в электрооборудовании, но и при изготовлении рукояток инструмента для работы с токопроводящими деталями.Природные и синтетические полимерыПриродныеПриродные полимеры встречаются повсюду. Они представляют собой макромолекулы, созданные самой природой без участия человека. Приведем ряд примеров.Полисахариды. В эту большую группу природных полимеров относят крахмал и целлюлозу. Они отличаются друг от друга своими свойствами. Так, крахмал легко растворяется в воде и его можно употреблять в пищу. Целлюлоза не растворяется в воде. Ее обычно используют при производстве бумаги и волокон для ткани.Белки (протеины) — природный полимер, который состоит из аминокислот. Именно белок отвечает за рост, строение и развитие живого организма.Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК) содержат всю информацию о человека: от болезней до талантов.Природный каучук. Это пластичный и вязкий полимер, который содержится в соке каучуконосных растений.СинтетическиеДо XIX века промышленности хватало природных полимеров. Но со временем из-за нехватки ресурсов появилась потребность и в других материалах. Так, в 1909 году американский химик Лео Бакеланд пытался найти замену природному шеллаку (смола). Но в итоге опыты помогли ему создать материал под названием бакелит. Он получился в результате реакции фенола и формальдегида под давлением при высоких температурах. Именно с этого открытия началась эра синтетических материалов. В химических лабораториях началась разработка новых видов полимеров.Перед Второй мировой войной в нескольких странах (Англия, Германия и США) стартовало производство синтетического каучука. В тоже время началась разработка полистирола, поливинилхлорида, полиметилметакрилата.В 1950-е годы ученые создали полиэфирное волокно и началось производство тканей на его основе. Тогда же появились полипропилен и полиэтилен низкого давления. Затем в массовое производство запустили полиуретаны.В 1960–1970-х годах удалось синтезировать полиамиды.Как получают полимерыПолимеры получают двумя способами: полимеризация и поликонденсация. У каждого свои особенности. Полимеризация — это процесс, при котором мономеры объединяются в цепи и удерживаются химическими связями. Полимеризацией получают полистирол, хлоропреновый и бутадиеновый каучуки, тефлон, полипропилен, полиэтилен.«Полимеры получают реакцией соединения мономеров. Если говорить простым языком, то это бусы, где бусины — это мономеры. При получении полимеров не меняется состав. То есть какие атомы были в веществе, такие и остаются. Меняется только их количество. И в зависимости от количества мономеров меняются их свойства», — комментарий АО «Транснефть.При поликонденсации помимо полимера образуется еще и низкомолекулярное вещество (вода, спирт, хлороводород). В процессе поликонденсации образуются лавсан, полипептиды, фенолформальдегидные смолы. А вот капрон, например, можно получить сразу двумя способами.ПоликонденсацияПоликонденсация представляет собой синтез полифункциональных мономеров или олигомеров с образованием макромолекул и отделением из исходного вещества побочных продуктов (воды, спиртов). В результате реакции простые молекулы отщепляются и создается связь для соединения функциональных групп в цепь.Используемые в процессе мономеры содержат в составе от двух и боле активных групп (карбоксильных, гидроксильных, аминных, изоцианатных и т.д.) В отличие от процесса полимеризации, где используются монофункциональные соединения, при поликонденсации можно синтезировать мономеры с разными функциональными группами. При использовании бифункциональных мономеров конечным продуктом являются полимеры с линейной структурой. В случае большего количества функциональных групп (чаще 3 или 4) получают сетчатые пространственные макромолекулы.В большинстве случаев поликонденсация представляет собой многостадийный процесс с получением промежуточных полимеров. Реакция осуществляется в расплаве, растворе, твердой фазе, на границе фаз. Для ускорения процесса применяют активацию функциональных групп, катализаторы, ультразвуковое воздействие, СВЧ-облучение и другие приемы.Примером линейных полимеров, получаемых методом поликонденсации, являются полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, сетчатых – алкидные, меламин-альдегидные, фенол-альдегидные смолы.ПолимеризацияПолимеризация – процесс создания высокомолекулярных соединений путем последовательного присоединения к цепи отдельных звеньев. В качестве мономеров используются низкомолекулярные вещества с парными связями и циклическими группами. В результате реакции эти связи обрываются, и образуются новые с цепью макромолекулы. Различают свободнорадикальный и ионный механизмы полимеризации.Процесс свободно радикальной полимеризации включает несколько этапов.Инициирование. На вещество оказывается химическое, тепловое либо световое воздействие, приводящее к разрыву связей и образованию активных групп – радикалов.Наращивание цепи. На этой стадии происходит последовательное присоединение к макромолекуле звеньев с образованием новых радикалов.Обрыв цепи. Конец реакции связан с образованием неактивных макромолекул.Обрыв цепи является неконтролируемым процессом, поэтому молекулярная масса образовавшихся макромолекул значительно отличается. Свободно радикальная полимеризация применяется в производстве полиэтилена, полистирола и многих других материалов.Механизм ионной полимеризации в целом схож со свободнорадикальным наращиванием цепи, но здесь активными группами являются катионы и анионы, вследствие чего различают катионные и анионные процессы. Ионная полимеризация, в частности, используется при изготовлении синтетических каучуков.Физические свойстваНоменклатурный ряд производимых полимеров весьма обширен. Их физическо-механические свойства в значительной мере различны. К основным относятся:Низкая теплопроводность. Это позволяет использовать ряд материалов в качестве теплоизоляции.Высокий Температурный коэффициент линейного расширения, вызванный подвижными связями и нестабильным коэффициентом деформации. Несмотря на это некоторые полимеры идеально подходят для защитного напыления на стальные поверхности. Они образуют тонкую пленку, предохраняющую металл от коррозии.Удельная масса полимеров зависит от состава и структуры. Этот параметр варьируется в очень широких границах.По пределу прочности полимеры уступают металлам и их сплавам. Тем не менее, этот показатель у них достаточно высок, что отчасти обуславливается пластичностью материалов.Невысокая рабочая температура. Как правило, большинство полимеров, таких как полиэтилен, полипропилен, ПВХ могут эксплуатироваться в режиме не более 80 °С. При превышении предельного значения происходит размягчение материала и потеря твердости. Фенолформальдегидные смолы выдерживают нагрев до 200 °С, кремнийорганические соединения – до 350 °С.Большинство полимеров горючи. При горении и плавлении выделяются токсичные вещества.Большинство полимеров обладают высокими диэлектрическими характеристиками. Это позволяет использовать их в качестве изоляционных материалов в электрооборудовании, а также при изготовлении рукояток инструмента, предназначенного для работы с токопроводящими деталями. Например, удельное сопротивление поливинилхлорида составляет 1017 Ом*см. В то же время в последние несколько десятилетий были синтезированы полимеры, обладающие ионной или электронной проводимостью, что предоставляет возможности нового использования этих материалов в качестве проводников и полупроводников.Эластомеры обладают способностью возвращаться в исходную форму после длительного воздействия нагрузок.Для улучшения физических характеристик в состав полимеров вводят различные добавки. Такие материалы называются наполненными. По эксплуатационным свойствам композиты значительно превосходят чистые полимеры, что позволяет использовать их в экстремальных условиях.Отношение к температурному воздействиюКлассификация проводится по двум видам:- термореактивные ПКМ (реактопласты);- термопластичные ПКМ (термопласты).К термореактивным относятся низкомолекулярные олигомеры: фенолоальдегидные, олигоэфирные, эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные смолы, бисмалеинимиды, смеси имидообразующих мономеров. При комнатной температуре заготовки хранятся в жидком состоянии. В изделиях реактопласты обладают лучшей прочностью, термостойкостью, пропитывающей способностью, адгезией, низкой вязкостью. К недостаткам относятся хрупкость, высокая пористость материалов, лимитированный срок хранения заготовок, токсичность используемых растворителей, необходимость термической обработки в процессе формовки, что увеличивает ее время. Изготовление конечной продукции сопровождается необратимой каталитической реакцией, вследствие чего она характеризуется неплавкой структурой с высокопрочными молекулярными связями. Вторичной переработке изделия не подлежат. Это создает определенные проблемы, связанные с их утилизацией.К термопластичным относятся высокомолекулярные соединения: полиолефины, алифатические и ароматические полиамиды, фторопласты. При естественных условиях заготовки находятся в твердом состоянии, при этом срок их хранения практически не ограничен. Для формовки разогреваются до расплавления. Процессы нагрева и отверждения можно выполнять многократно. В зависимости от структуры термопластичные полимеры подразделяют на аморфные и частично кристаллические. Первые отличаются изотропностью свойств, эластичностью и высоким поверхностным трением. Для кристаллических характерны ударная прочность, термостойкость, химическая инертность. Недостатком термопластов является более быстрое старение под воздействием окружающей среды. Однако этот минус компенсируется возможностью переработки. Процесс изготовления изделий включает стадии нагрева, формовки, охлаждения.Полимеры и пластмассы: в чем разницаЗачастую слово «полимер» используют как синоним понятию «пластмасса». Но это не так. Пластмасса — это лишь один из видов полимеров. Многие виды пластмасс синтезируют из нефти или углеводородного масла. В мире ежегодно производится более 380 млн т пластика. А в Мировой океан каждый год попадает около 8 млн т предметов из этого материала: бутылки, пакеты, рыболовные сети.По мнению экологов, именно процесс производства пластмасс создал глобальный кризис отходов. Опасения защитников окружающей среды вызывает не только объем выбросов, но и сам процесс создания таких материалов.По данным Greenpeace, при добыче нефти и газа в воздух и воду попадает масса токсичных веществ. Более 170 химикатов, которые используют при добыче сырья для пластмасс, вызывают множество болезней: от онкологии до ослабления иммунной системы.Будущее полимеровВ будущем мир не сможет уйти от полимеров, уверены эксперты. С каждым годом они будут приобретать новые формы. На первый план уже сейчас начинают выходить «зеленые» полимеры. Речь идет о композитах, которые объединяют в себе сильные стороны природных и синтетических полимеров.Тем временем ученые и производители продолжают искать способы снизить экологический след от некоторых видов полимеров. Одни компании уменьшают количество первичного пластика и делают ставку на вторичную переработку, а другие разрабатывают альтернативные варианты.Так, английская компания Polythene UK представила несколько видов упаковок на растительной основе. Сейчас предприятие производит компостируемый полиэтилен на основе крахмала. Упаковку из такого материала не нужно перерабатывать — процесс разложения займет не более трех лет. Со временем они распадаются на природные элементы: биомассу, воду, углекислый газ, метан. Еще одна альтернатива — полиэтилен из отходов сахарного тростника. Его можно использовать для крышек поддонов.

ВЫВОД

Таким образом, полимеры - уникальная и перспективная область органической и неорганической химии, которая представляет огромный научный и промышленный интерес.Основные положения:- понятие полимеры, их химические и физические свойства- виды полимеров и их ключевые характеристики- применение полимеров- природные и синтетические полимеры- будущее полимеровПолимеры – важный раздел химии для дальнейшего изучения промышленной технологии и сути продуктов, которые способны упростить нашу жизнь и сделать ее более безопасной и практичной.

Список литературы:

Виноградова С. В., Васнев В. А. Поликонденсационные процессы и полимеры. : М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2000, 372 с.Волынский, Александр Львович. Как смешать полимеры? // Природа. — 2014. — № 3. — С. 44−52.Тагер А. А. Физико-химия полимеров, М.: Научный мир, 2007.;Шефтель В. О. Вредные вещества в пластмассах, М., 1991.Энциклопедии полимеров, т. 1 — 3, гл. ред. В. А. Каргин, М., 1972—1977.