Що таке полімер: визначення, характеристика, види та класифікації

Термін «полімер» був запропонований ще в XIX столітті для найменування речовин, які при подібному 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 та хімічних зв’язків у довгі макромолекули.

Полімер вважається високомолекулярним з’єднанням. Кількість ланок в ньому називається ступенем полімеризації. Вона повинна бути досить велика. У більшості випадків число ланок вважається достатнім, 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 кількох тисяч і навіть мільйонів атомних одиниць маси.

Зв’язок між молекулами може бути виражена за допомогою сил Ван-дер-Ваальса; в цьому випадку полімер називається термопластом. Якщо зв’язок хімічна, полімер називається реактопластом. Полімер може мати лінійну структуру (целюлоза); розгалужену (амілопектин); або складну просторову, тобто тривимірну.

При розгляді будови полімеру виділяють мономерное ланка. Так називається повторюваний фрагмент структури, який складається з декількох атомів. До складу полімерів входить велика кількість повторюваних ланок, що мають подібну 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 сполук.

Найменування полімерів утворюються з використанням назви мономеру, до якої приєднується префікс «полі-»: поліпропілен, поліетилен і т. д.

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 поділяються на:

  • неорганічні;
  • органічні;
  • элементоорганические.

Найбільша група – органічні високомолекулярні сполуки. Це каучуки, смоли, рослинні масла, інші продукти рослинного і тваринного походження. Молекули таких сполук у головній ланцюга мають атоми азоту, кисню та інших елементів. Органічні полімери відрізняє здатність до зворотної деформації.

Элементоорганические полімери виділяють в особливу групу. В основі ланцюга елементоорганічних сполук лежать набори радикалів, що належать до неорганічних типу.

Неорганічні полімери можуть не мати в складі своїх повторюваних ланок вуглецю. Ці полімерні сполуки у своїй головній ланцюжку мають оксиди металів (кальцію, алюмінію, магнію) або кремнію. У них відсутні бокові органічні групи. Зв’язку в головних ланцюжках відрізняються високою міцністю. До цієї групи відносяться: кераміка, кварц, азбест, силікатне скло.

У деяких випадках розглядають дві великі групи високомолекулярних речовин: карбоцепні і гетероцепні. У перших в основний ланцюжку лише атоми вуглецю. У гетероцепних в головній ланцюжку можуть бути інші атоми: вони надають полімерам особливі властивості. Кожна з цих двох великих груп має дробове будова: підгрупи розрізняються будовою ланцюга, числом заступників та їх складом, кількістю бічних гілок.

За формою молекул полімери бувають:

  • лінійними;
  • розгалуженими (в тому числі і зіркоподібними);
  • плоскими;
  • стрічковими;
  • полімерними сітками.

Властивості полімерних сполук

До механічних властивостей полімерів відносять:

  • особливу еластичність;
  • низьку крихкість;
  • здатність макромолекул орієнтуватися вздовж ліній спрямованого поля.

Розчини полімерів володіють порівняно високою в’язкістю при невеликій концентрації речовини. При розчиненні полімери проходять через етап набухання. Полімери легко змінюють свої фізичні і хімічні властивості при дії на них невеликою дозою реагенту. Гнучкість полімерів пояснюється їх значною молекулярною масою і ланцюговою будівлею.

В 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 по полярності. Ця властивість впливає на розчинність речовини в рідинах. Ті полімери, де ланки володіють значною полярністю, називають
ся гідрофільними.

Відмінності між полімерами існують також і по відношенню до нагрівання. До термопластичним полімерам відносять полістирол, поліетилен, поліпропілен. При нагріванні ці матеріали розм’якшуються і здатні навіть плавитися. Охолодження приведе такі полімери до твердіння. А ось термореактивні полімери в разі нагрівання незворотнім чином руйнуються, минаючи стадію плавлення. Даний вид матеріалів володіє підвищеною пружністю, але такі полімери не є текучими.

У природі органічні полімери утворюються в тваринних 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 сполуки даного типу.

Серед природних високомолекулярних речовин особливе місце займають білкові сполуки. Це «цеглинки», з яких будується фундамент живих організмів. Білки беруть участь в більшості біохімічних реакцій, вони відповідають за роботу імунної системи, 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. Проте передумови для запровадження в обіг полімерів з’явилися набагато раніше. До полімерних матеріалів, які людина давно використовує в своєму житті, відносяться хутра, шкіра, бавовна, шовк, вовна. Не менш важливі в господарській діяльності сполучні матеріали: глина, цемент, вапно; при обробці ці речовини утворюють полімерні тіла, широко застосовуються в будівельній практиці.

З самого початку промислове виробництво полімерних сполук йшло в двох напрямках. Перше передбачає переробку природних полімерів в штучні матеріали. Другий шлях – отримання синтетичних полімерних сполук з низькомолекулярних органічних.

Застосування штучних полімерів

Велике виробництво полімерних сполук спочатку було засновано на отримання целюлози. Целулоїд 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 та практичної фотографії стало можливим лише на основі прозорої нітроцелюлозної плівки.

Свій внесок у виробництво полімерів вніс Генрі Форд: бурхливий розвиток автомобілебудування відбувалося на тлі виникнення синтетичного каучуку, яких прийшов на зміну натурального каучуку. Напередодні Другої світової війни були розроблені технології виробництва полівінілхлориду та полістиролу. Ці полімерні матеріали стали широко використовуватися в якості ізолюючих речовин в електротехніці. Отримання органічного скла, що отримав назву «плексиглас», зробило можливим масове літакобудування.

Вже після війни з’явилися унікальні синтетичні полімери: поліефіри та поліаміди, які мають термостійкістю і високою міцністю.

Деякі полімери мають схильність до займання, що обмежує їх застосування в побуті і техніці. Щоб запобігти небажані явища, використовують особливі добавки. Інший шлях – синтез так званих галогенированных полімерів. Недолік 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, судно-, автомобіле — і авіабудуванні. Широко використовуються полімерні матеріали в медицині.