Полимеры

        Введение

Полимерные вещества внедрились во все сферы человеческой деятельности - технику, здравоохранение, быт. Ежедневно  мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Полимерные материалы обладают многими полезными  свойствами: они высокоустойчивы  в агрессивных средах, хорошие  диэлектрики и теплоизоляторы. Некоторые  полимеры обладают высокой стойкостью к низким температурам, другие - водоотталкивающими свойствами и так далее.

Недостатками многих высокомолекулярных соединений является склонность к старению и, в частности, к деструкции - процессу уменьшению длины цепи и размеров молекул. Деструкция может быть вызвана  механическими нагрузками, действий света, теплоты, воды и особенно кислорода  и озона. Процесс уменьшения цепи идёт за счёт разрушения связей С-С и образования радикалов, которые в свою очередь, способствуют дальнейшему разрушению полимерных молекул.

Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная  гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также  связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены  вышеуказанными особенностями. Большой  интерес, таким образом, представляет исследование возможности априорного предсказания химического и физического  поведения полимера на основании  анализа его строения. Такую возможность  предоставляют методы молекулярной механики и молекулярной динамики, реализованные в виде компьютерных расчетных программ.

                 Историческая справка.

        Термин  “поли­мерия” был введен в науку И. Берцелиусом в 1833 для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содер­жание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

        Ряд  полимеров был, по-видимому, получен  еще в первой половине 19 века. Однако химики тогда обычно  пытались подавить полимеризацию  и поликонденсацию, которые вели  к “осмолению” продуктов основной  химической  реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до  сих пор полимеры часто называют  “смолами”). Первые упоминания о  синтетических полимерах отно­сятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол),

        Химия  полимеров возникла только в  связи с созданием А.М. Бутлеровым теории химического строения. А.М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью мо­лекул, проявляющейся в реакциях поли­меризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах по­лучила главным образом благодаря интенсивным поискам способов  синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес,  И.Л. Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было до­казано существование свободнорадикального и ионного механиз­мов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденса­ции сыграли работы У.Карозерса.

        С  начала 20-х годов 20 века развиваются  также теоретические представления  о строении полимеров Вначале предполагалось, что такие био­полимеры, как целлюлоза, крахмал, кау­чук, белки, а также некоторые син­тетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способ­ностью ассоциировать в растворе в комп­лексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально но­вого представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

                                   Полимеры

                    (Определение полимеров)

   Полимеры – высокомолекулярные  соединения, вещества с большой  молекулярной массой (от нескольких  тысяч до нескольких миллионов), в которых атомы, соединенные  химическими связями, образуют  линейные или разветвленные цепи, а также пространственные трехмерные  структуры. К полимерам относятся  многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза,  крахмал, каучук и другие органические  вещества. Большое число полимеров  получают синтетическим путем  на основе простейших соединений  элементов природного происхождения  путем реакций полимеризации,  поликонденсации, и химических  превращений.

        В  зависимости от строения основной  цепи полимеры делятся на линейные, разветвленные, и пространственные  структуры. Линейные и разветвленные  цепи можно превратить в трехмерные  действием химических агентов,  света, и радиации, а также путем  вулканизации.

        Линейные  ВМС могут иметь как кристаллическую,  так и аморфную (стеклообразную) структуру. Разветвленные и трехмерные  полимеры, как правило, являются  аморфными. При нагревании они  переходят в высокоэластическое состояние подобно каучуку, резине, и другим эластомерам. При действии особо высоких температур, окислителей, кислот и щелочей, органические и элементоорганические ВМС подвергаются постепенному разложению, образуя газообразные, жидкие, и твердые соединения.

        Физико-механические  свойства линейных и разветвленных  полимеров во многом связаны  с межмолекулярным взаимодействием  за счет сил побочных валентностей. Так, например, молекулы целлюлозы  взаимодействуют между собой  по всей длине молекул, и  это явление обеспечивает высокую  прочность целлюлозных волокон.  А разветвленные молекулы крахмала  взаимодействуют лишь отдельными  участками, поэтому не способны  образовывать прочные волокна.  Особенно прочные волокна дают  многие синтетические полимеры (полиамиды,  полиэфиры, полипропилен и др.), линейные молекулы которых расположены  вдоль оси растяжения. Трехмерные  структуры могут лишь временно  деформироваться при растяжении, если они имеют сравнительно  редкую сетку (подобно резине), а при наличии густой пространственной  сетки они бывают упругими  или хрупкими в зависимости  от строения.

        ВМС  делятся на две большие группы: гомоцепные, если цепь состоит  из одинаковых атомов (в том  числе карбоцепные, состоящие  только из углеродных атомов), и гетероцепные, когда цепь включает  атомы разных элементов. Внутри  этих групп полимеры подразделяются  на классы в соответствии с  принятыми в химической науке  принципами.

        Так,  если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и др., полимеры относятся к элементоорганическим соединениям.

        Полимерные  материалы делятся на три основные  группы: пластические массы, каучуки,  волокна химические. Они широко  применяются во многих областях  человеческой деятельности, удовлетворяя  потребности различных отраслей  промышленности, сельского хозяйства,  медицины, культуры и быта.