Термін "полімер" був запропонований ще в XIX столітті для найменування речовин, які при схожому хімічному складі володіють різною молекулярною масою. Тепер же полімерами називають особливі високомолекулярні структури, які знаходять широке застосування в різних галузях техніки.
Загальні відомості про полімери
Полімерами називають органічні та неорганічні речовини, які складаються з мономерних ланок, об 'єднаних за допомогою координаційних і хімічних зв' язків у довгі макромолекули.
Полімер вважається високомолекулярним з 'єднанням. Кількість ланок у ньому називається ступенем полімеризації. Вона повинна бути досить велика. У більшості випадків кількість ланок вважається достатньою, якщо при приєднанні чергової мономерної ланки властивості полімеру не змінюються.
Щоб зрозуміти, що таке полімер, необхідно взяти до уваги те, як зв 'язуються молекули в речовинах даного виду.
Молекулярна маса полімерів може досягати декількох тисяч і навіть мільйонів атомних одиниць маси.
Зв 'язок між молекулами може бути виражена за допомогою сил Ван-дер-Ваальса; у цьому випадку полімер називається термопластом. Якщо зв 'язок хімічний, полімер називається реактопластом. Полімер може мати лінійну структуру (целюлоза); розгалужену (амілопектин); або складну просторову, тобто тривимірну.
При розгляді будови полімеру виділяють мономерну ланку. Так називається фрагмент структури, який складається з декількох атомів. До складу полімерів входить велика кількість повторюваних ланок, що мають схожу будову.
Утворення полімерів з мономерних структур йде в результаті так званих реакцій полімеризації або поліконденсації. До полімерів відносять ряд природних сполук: нуклеїнові кислоти, білки, полісахариди, каучук. Значне число полімерів отримують шляхом синтезу на основі найпростіших з 'єднань.
Найменування полімерів утворюються з використанням назви мономера, до якого приєднується приставка "полі-": поліпропілен, поліетилен тощо.
Підходи до класифікації полімерів
Для цілей систематизації полімерів використовуються різні варіанти класифікацій за різними ознаками. До них можна віднести: склад, спосіб виробництва або отримання, просторову форму молекул і так далі.
З точки зору особливостей хімічного складу полімери підрозділюються на:
- неорганічні;
- органічні;
- елементоорганічні.
Найбільша група - органічні високомолекулярні сполуки. Це каучуки, смоли, рослинні олії, інші продукти рослинного і тваринного походження. Молекули таких сполук у головному ланцюгу мають атоми азоту, кисню та інших елементів. Органічні полімери відрізняють здатність до зворотної деформації.
Елементоорганічні полімери виділяють в особливу групу. В основі ланцюга елементоорганічних сполук лежать набори радикалів, що належать до неорганічного типу.
Неорганічні полімери можуть не мати у складі своїх повторюваних ланок вуглецю. Ці полімерні сполуки у своєму головному ланцюжку мають оксиди металів (кальцію, алюмінію, магнію) або кремнію. У них відсутні бічні органічні групи. Зв 'язки в головних ланцюжках відрізняються високою міцністю. До цієї групи належать: кераміка, кварц, азбест, силікатне скло.
У деяких випадках розглядають дві великі групи високомолекулярних речовин: карбоцепні та гетероцепні. У перших в основному ланцюжку лише атоми вуглецю. У гетероцепних в головному ланцюжку можуть бути інші атоми: вони надають полімерам особливі властивості. Кожна з цих двох великих груп має дробову будову: підгрупи розрізняються будовою ланцюга, числом заступників та їх складом, кількістю бічних гілок.
За формою молекул полімери бувають:
- лінійними;
- розгалуженими (в тому числі і зірочними);
- плоскими;
- стрічковими;
- полімерними сітками.
Властивості полімерних з "єднань
До механічних властивостей полімерів відносять:
- особливу еластичність;
- низьку крихкість;
- здатність макромолекул орієнтуватися вздовж ліній спрямованого поля.
Розчини полімерів мають порівняно високу в 'язкість при невеликій концентрації речовини. При розчиненні полімери проходять через етап набухання. Полімери легко змінюють свої фізичні та хімічні властивості при дії на них невеликою дозою реагенту. Гнучкість полімерів пояснюється їх значною молекулярною масою і ланцюговою будовою.
У техніці полімерні матеріали нерідко виступають у ролі компонентів композитних матеріалів. Приклад - склопластик. Існують композитні матеріали, компоненти яких є полімерами різної будови і властивостей.
Полімери можуть відрізнятися за полярністю. Ця властивість впливає на розчинність речовини в рідинах. Ті полімери, де ланки мають значну полярність, називаються гідрофільними.
Відмінності між полімерами існують також і по відношенню до нагріву. До термопластичних полімерів відносять полістирол, поліетилен, поліпропілен. При нагріванні ці матеріали розм 'якшуються і здатні навіть плавитися. Охолодження призведе такі полімери до відвердження. А ось термореактивні полімери в разі нагріву незворотним чином руйнуються, минаючи стадію плавлення. Цей вид матеріалів має підвищену пружність, але такі полімери не є плинними.
У природі органічні полімери утворюються в тварин і рослинних організмах. Зокрема, ці біологічні структури містять полісахариди, нуклеїнові кислоти і білки. Такі компоненти забезпечують існування життя на планеті. Прийнято вважати, що одним з важливих етапів формування життя на Землі стала поява високомолекулярних сполук. Практично всі тканини живих організмів - це з 'єднання даного типу.
Серед природних високомолекулярних речовин особливе місце займають білкові сполуки. Це "цеглинки", з яких будується "фундамент" живих організмів. Білки беруть участь у більшості біохімічних реакцій, вони відповідають за роботу імунної системи, за процеси згортання крові, утворення м 'язової і кісткової тканини. Білкові структури - необхідний елемент системи постачання організму енергією.
Синтетичні полімери
Широке промислове виробництво полімерів почалося трохи більше ста років тому. Однак передумови для введення в обіг полімерів з 'явилися набагато раніше. До полімерних матеріалів, які людина давно використовує у своєму житті, належать хутро, шкіра, бавовна, шовк, шерсть. Не менш важливі в господарській діяльності пов 'язуючі матеріали: глина, цемент, вапно; при обробці ці речовини утворюють полімерні тіла, широко застосовувані в будівельній практиці.
З самого початку промислове виробництво полімерних з 'єднань йшло в двох напрямках. Перше передбачає переробку природних полімерів у штучні матеріали. Другий шлях - отримання синтетичних полімерних сполук з низькомолекулярних органічних.
Застосування штучних полімерів
Велике виробництво полімерних сполук спочатку було засноване на отриманні целюлози. Целлулоїд був отриманий ще в середині XIX століття. Перед початком Другої світової війни організовано виробництво ефірів целюлози. На основі таких технологій виробляють волокна, плівки, лаки, фарби. Розвиток кіноіндустрії і практичної фотографії став можливим лише на основі прозорої нітроцелюлозної плівки.
Свій внесок у виробництво полімерів зробив Генрі Форд: бурхливий розвиток автомобілебудування відбувався на тлі виникнення синтетичного каучуку, яких прийшов на зміну каучуку натуральному. Напередодні Другої світової війни були розроблені технології виробництва полівінілхлориду і полістиролу. Ці полімерні матеріали стали широко використовуватися в якості ізолюючих речовин в електротехніці. Отримання органічного скла, що отримав назву "плексиглас", уможливило масове літакобудування.
Вже після війни з 'явилися унікальні синтетичні полімери: поліефіри і поліаміди, що володіють термостійкістю і високою міцністю.
Деякі полімери мають схильність до займання, що обмежує їх застосування в побуті і техніці. Щоб запобігти небажаним явищам, використовують особливі добавки. Інший шлях - синтез так званих галогенованих полімерів. Брак таких матеріалів у тому, що при впливі на них вогню ці полімери можуть виділяти гази, що викликають руйнування електроніки.
Найбільше застосування полімери знайшли в текстильній промисловості, машинобудуванні, сільському господарстві, судо-, автомобіле- та авіабудуванні. Широко використовуються полімерні матеріали в медицині.