Природні і штучні органічні полімери

Полімерами називають високомолекулярні речовини, молекулами-ли яких складаються з величезної кількості структурних ланок, що взаємодіють один з одним за допомогою ковалентних зв'язків з утворенням макромолекул. Макромолекули у багато тисяч разів перевищують розміри звичайних молекул. Так, наприклад, якщо молекула води складається з трьох атомів, а її молекулярна маса дорівнює 18 одиницям, або якщо молекула кальциту СаСОз складається з п'яти атомів, а молекулярна маса цього мінералу дорівнює 100, то молекулами-ли високомолекулярних речовин містять десятки і сотні тисяч атомів, а їх молекулярна маса досягає значень, які висловлюються

десятками і сотнями тисяч одиниць. Так, у природного полімера_

целюлози вона дорівнює 300 000 і більше, у штучних органіч-ських полімерів, наприклад у поліетилену низького тиску, колив-лется в межах від 26 000 до 150 000, у поліізобутилену, полівініл-лацетата, політетрафторетилену і інших - до 500 000-550 000 і більше, перевищуючи іноді один мільйон одиниць.

Полімери поділяють на органічні та неорганічні. Глав-ва особливість органічних полімерів, що відрізняє їх від неорганічних, полягає в наявності в макромолекулах атомів вуглецю. У неорганічних високомолекулярних з'єднаннях (по-Лімер) атомів вуглецю не міститься. Органічні і неорганічних-етичні полімери поділяють на природні та штучні. У цьому розділі розглядаються полімери органічні і переваж-громадської штучні; що стосується органічних природних полімерів, то вони використовуються в будівництві значно рідше. Серед них заслуговує на увагу деревина. Утворюють її Целль-лоза і лігнін є типовими прикладами природних полімерних розчинів.

В результаті впливу на целюлозу хлоретілом в присутст-вії їдкого лугу або іншими реагентами отримують етілцеллюло-зу, метилцеллюлозу і бензілцеллюлозу. Ці прості ефіри Целль-лози не відрізняються високими технічними властивостями, але використовуються для виготовлення лаків, що клеять речовин, антикор-розіонних покриттів і оболонок. У будівництві найчастіше застосовують складні ефіри целюлози - нитроцеллюлозу і ацетилцелюлозу. З нітроцелюлози виготовляють целулоїд як найпростіший вид пластику, але, на жаль, досить пального і тому в будівельник-стве що не використовується. Другий складний ефір-ацетилцелюлозу застосовують при виготовленні органічного скла, але в більшій мірі - при виготовленні лаків по дереву і металу, так як вони утворюють водонепроникні і досить міцні покриття.

З інших природних органічних речовин слід відзначити білкові продукти і бонську кров. На їх основі отримують від-повідно Галалу і альбумін. Перший служить матеріалом для виробів мате-ріалом, другий - для отримання клею при виробництві фанери. Крім того, вихідна речовина застосовують при виробництві піно-просвітників ГК, використовуваного в бетонах. До природних полімерів відносяться також бавовна, шерсть, шкіра, каучук і ін. Найбільш значущими в будівництві є природні каучуки, але дешевше їх замінити синтетичними каучуками або каучукоподібних полімерами.

Переважна більшість полімерів - штучні. Їх по-лучают за допомогою синтезу простих низькомолекулярних речовин, званих мономерами. За складом основному ланцюзі макромолекул органічні полімери поділяються на карбоцепні, гетероцепні і елементоорганіческіе.

Карбоцепні полімери характеризуються тим, що їх молекулярну-ні ланцюги цілком складаються з атомів вуглецю:

Гетероланцюгові полімери мають в складі ланцюгів крім атомів вуглецю ще і деякі інші атоми елементів - кисню,

сірки, азоту, фосфору, або інших:

Елементоорганіческіе полімери можуть містити в основному ланцюзі атоми кремнію, алюмінію, титану та інших елементів, які не що входять у склад звичайних органічних сполук. Так, наприклад, з'єднання типу мають в макромолекулі кремній-кисневі зв'язку, іменовані Силоксанові.

За будовою макромолекул орга-нічних полімери можуть бути ли-лінійне, розгалуженими і сітчастими (тривимірними). При лінійному будові все молекули витягнуті у вигляді ланцюгів, в яких атоми мономера-ра, є вихідним нізкомоле-кулярной з'єднанням, хімічно пов'язані між собою. Розгалужені макромолекули характерні наличи третьому мономерних ланок, відгалужуючись-них від основного ланцюга полімеру. Сет--чатие (просторові) макроме-лекул характеризуються хімічної «зшивкою» окремих лінійних або розгалужених ланцюгів полімеру попе-річковими зв'язками (рис. 11.1).

Мал. 11.1. Будова молекул полімерів:

а - лінійна структура; б - розгалужена структура; в - структура просторового полімеру

Полімери з макромолекулами лінійного і розгалуженого будови при нагріванні плавляться з изменени третьому властивостей, а також здатні розчинятися у відповідних органічних розчинниках. При охлаж-ження такі полімери знову тверднуть (так по відношенню до полімерів називається процес затвердіння). Вони здатні багато-кратно розм'якшуватися при нагріванні і закаліть при охолодж-ванні; їх називають термопластичними (термопластами). Полімери з макромолекулами тривимірної будови мають підвищену устої-тична до термічних і механічних впливів, не розчинний-ються, а лише набухають в розчинниках. Вони не можуть розм'якшуватися при повторному нагріванні; їх називають термореактивними (реактопластами). При високотемпературному нагріванні вони схильні до-ни деструкції і згорянню.

Органічні полімери в твердому стані мають зазвичай аморфну ​​структуру. Однак існують полімери, які в твердому стані характеризуються кристалічної або аморфний-но-кристалічної структурами.

Залежно від способу отримання полімери поділяють на дві групи: полімеризації (термопласти) і поліконденсаційного-ні (реактопласти).

Полімеризації полімери отримують полімеризацією ис-Ходна мономерів з розкриттям кратних зв'язків ненасичених уг-леводородов і з'єднанням елементарних ланок мономера в довжин-ні ланцюги. Оскільки при полімеризаціїмономерів атоми і їх угруповання не отщепляются, то побічних продуктів в реакціях не утворюється, а хімічний склад мономера і полімеру залишається однаковим. В полімеризації можуть брати участь два і більше моно-мерів, тоді її називають сополимеризацией, а продукт - сополі-мером.

Поліконденсаційні полімери отримують в процесі об'єд-нання (поліконденсації) двох або декількох низькомолекулярних речовин. При протіканні реакцій утворюється не тільки основний продукт, а й побічні сполуки - вода, спирт і ін. Так що хи-мічного складу полімеру завжди відрізняється від хімічного соста-ва вихідних продуктів поліконденсації.

Використовувані в обох процесах виробництва полімерів ис-хідні сировинні мономери, здатні за певних умов з'єднуватися один з одним, отримують при переробці природних і нафтових газів, кам'яного вугілля, аміаку, вуглекислоти та інших ве-вин. У міру протікання процесів полімеризації і Полікон-денсаціі зростає число атомів в утворених макромолекулах і зростає молекулярна маса формуються полімерів. Спочатку утворюються речовини з ще порівняно невисокою молекулярною масою (до 5000 одиниць), звані олигомерами, по Консист-ції - смолообразниє. Речовини з більш високою молекулярною масою називаються полімерами, розчинність, а також еластичний-ність яких знижуються, але зростає міцність - одне з найважливіших властивостей полімеру внаслідок зростаючого ефекту дію-вия міжмолекулярних сил при зростанні молекулярної маси, що, до речі, відсутня в звичайних органічних речовинах типу бітуму і дьогтю. Слід зазначити, що на властивості полімеру істотно впливає і водневий тип зв'язку, особливо коли водо-род безпосередньо пов'язаний з киснем або азотом (ОН, МШ та ін.). Водневий зв'язок, хоча і слабкіше ковалентної, але значно міцніше міжмолекулярних (ван дер Ваальсових) сил тяжіння.

Мал. 11.2. Прилад Кремер-Сарнова:

1 - внутрішній стакан; 2 - зовнішній стакан; 3 - термометр; 4 - диск; 5 - трубочки; 6 - ртуть; 7 - полімер для його випробування

Мал. 11.3. Схема приладу Віка для визначення теплостійкості полімерів: 1 - зразок; 2 - наконечник; 3 - стержень; 4 - термошкаф; 5 - вантаж

Мал. 11.4. Термомеханічна крива термопластичних полі-мерів

Поряд з позитивними свойст-вами полімерів - малої середньою щільністю, низьку теплопровідність-стю, високу хімічну і атмо-сферними стійкістю, високою міцно-стю і ін. - вони з позицій якості будівельних матеріалів володіють і рядом недоліків - низькою тепло-стійкістю, малою поверхневою твердістю, невисоким модулем упру-гості, значною ползучестью, схильністю до старіння, а також високою вартістю. Вона може бути дещо знижена за рахунок застосування в полімерах наповни-телей і добавок.