Неорганические полимеры

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу. 

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:  (–CH₂–CH₂–)_n

Характерные признаки полимеризации. В основе полимеризации лежит реакция присоединения. Полимеризация – цепная реакция, включает стадии инициирования, роста и обрыва цепи. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и полимера одинаков.

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Полимер	Мономер	Характеристики полимера	Применение полимера
Полиэтилен (–СН2–СН2–)n	Этилен СН2=СН2	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Упаковка, тара
Полипропилен	Пропилен СН2=СН–СН3	Синтетический, линейный, термопластичный, химически стойкий	Трубы, упаковка, ткань (нетканый материал)
Поливинилхлорид	Винилхлорид СН2=СН–Сl	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Натяжные потолки, окна, пленка, трубы, полы, изолента  и т.д
Полистирол	Стирол	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Упаковка, посуда, потолочные панели
Полиметилметакрилат Метиловый эфир метакриловой кислоты	Синтетический линейный полимер, термопластичный	Очки, корпуса фар и светильников, душевые кабины, мебель и т.д
Тефлон (политетрафторэтилен)	Тетрафторэтилен	Синтетический линейный полимер. Термопластичный (t = 260-320C) Обладает очень высокой химической стойкостью	Посуда, пластины утюгов, ленты и скотч, упаковка, изоляция
Искусственный каучук Мономер: бутадиен-1,3 (дивинил)	Синтетический, линейный,  эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Натуральный каучук Мономер: 2-метилбутадиен-1,3	Природный, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Хлоропреновый каучук Мономер: 2-хлорбутадиен-1,3	Синтетический, линейный, эластомер, содержит двойные связи	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Бутадиен-стирольный каучук Мономеры: бутадиен-1,3 и стирол	Синтетический, эластомер	Резина, изоляция, различные материалы, ракетное топливо
Полиакрилонитрил	Акрилонитрил	Синтетический, линейный	Волокна, пластмассы

Что такое неорганические полимеры

Более распространены неорганические полимеры природного происхождения, содержащиеся в земной коре

Чаще всего это продукт синтеза элементов III-VI группы периодической системы Менделеева. Неорганическими они называются потому, что в основе лежат неорганические главные цепи и не имеют органические боковые радикалы. Связи появляются в результате одного из двух процессов — поликонденсация или полимеризация.

Говоря обобщенно, неорганические полимеры – это искусственно синтезированные материалы, которые пришли на смену природным. При этом создатели преследовали цель сделать их дешевле. Современные полимеры превосходят имеющиеся природные аналоги по своим характеристикам. Были созданы материалы, которыми природа не обладает вовсе. Это обеспечивает их популярность и разнообразие.

Полимеры селена (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Серый селен – полимер со спиралевидными линейными макромолекулами, вложенными параллельно. В цепях атомы селена связаны ковалентно, а макромолекулы связаны молекулярными связями. Даже расплавленный или растворенный селен не распадается на отдельные атомы.

Красный или аморфный селен тоже полимер цепной, но малоупорядоченной структуры. В температурном промежутке 70-90 ˚С он приобретает каучукоподобные свойства, переходя в высокоэластичное состояние, чем напоминает органические полимеры.

Карбид селена, или горный хрусталь. Термически и химически устойчивый, достаточно прочный пространственный кристалл. Пьезоэлектрик и полупроводник. В искусственных условиях его получили при реакции кварцевого песка и угля в электропечи при температуре около 2000 °C.

Прочие полимеры селена:

• Моноклинный селен – более упорядоченный, чем аморфный красный, но уступает серому.
• Диоксид селена, или (SiO2)n – представляет собой трехмерный сетчатый полимер.
• Асбест – полимер оксида селена волокнистой структуры.

Полимерные материалы пластмассы и их свойства

Один из основных типов полимерных материалов – это пластмассы. Они представляют собой группу органических материалов, основу которых составляют синтетические или природные смолообразные высокомолекулярные вещества, способные при нагревании и давлении формоваться, устойчиво сохраняя приданную им форму.

Полимерные материалы пластмассы обладают хорошими теплоизоляционными и электроизоляционными качествами, коррозийной стойкостью и долговечностью. Средняя плотность пластмасс — 15-2200 кг/м3; предел прочности при сжатии — 120-160 МПа. Пластмассы наделены хорошими электро-теплоизоляционными свойствами, коррозийной стойкостью и долговечностью. Некоторые из них обладают прозрачностью и высокой клеящей способностью, а также имеют свойство образовывать тонкие пленки и защитные покрытия. Благодаря своим свойствам широкое применение эти полимерные материалы нашли в строительстве, главным образом в комбинации с вяжущими веществами, металлами и каменными материалами.

В качестве наполнителей при изготовлении этого типа полимерных материалов используются органические и минеральные порошки, асбестовые, древесные и стеклянные волокна, бумага, стеклянные и хлопчатобумажные ткани, древесный шпон, асбестовый картон и др. Наполнители не только снижают стоимость материала, но и улучшают отдельные свойства пластмасс: повышают твердость, прочность, стойкость к кислотам и теплостойкость. Они должны быть химически инертными, малолетучими и нетоксичными. Пластификаторами при изготовлении пластмасс служат цинковая кислота, стеарат алюминия и иные, которые придают материалу большую пластичность. Катализаторы (ускорители) применяются в пластмассах для ускорения отверждения. Примером катализатора могут служить известь или уротропин, которые применяются для отверждения фенолоформальдегидного полимера.

Органические полимеры

Органические полимеры – это разнообразные материалы, обычно получаемые из доступного и дешевого сырья; на их основе получают пластические массы (пластмассы) — сложные композиции, в которые вводят различные наполнители и добавки, придающие полимерам необходимый комплекс технических свойств, а также синтетические волокна.
К ним также относятся: полимеризационные смолы, полиэтилен (высокого, среднего и низкого давления), полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиакрилаты, каучуки, конденсационные смолы, фенолоформальдегидные смолы, полиэфирные смолы, полиэтилентерефталат, полиамидные смолы, капрон, этант, анид и т.д..

Что такое неорганические полимеры

Более распространены неорганические полимеры природного происхождения, содержащиеся в земной коре

Чаще всего это продукт синтеза элементов III-VI группы периодической системы Менделеева. Неорганическими они называются потому, что в основе лежат неорганические главные цепи и не имеют органические боковые радикалы. Связи появляются в результате одного из двух процессов – поликонденсация или полимеризация.

Говоря обобщенно, неорганические полимеры – это искусственно синтезированные материалы, которые пришли на смену природным. При этом создатели преследовали цель сделать их дешевле. Современные полимеры превосходят имеющиеся природные аналоги по своим характеристикам. Были созданы материалы, которыми природа не обладает вовсе. Это обеспечивает их популярность и разнообразие.

Классификация синтетических полимеров

Существует несколько классификационных групп полимеров, в зависимости от определяющего признака. В первую очередь, это:

• Искусственные полимеры, созданные на основе природных органических полимеров (целлюлоза – целлулоид, каучук – резина);
• Синтетические полимеры, в основе которых синтез из низкомолекулярных соединений (стирол – полистирол, этилен – полиэтилен).

По химическому составу деление таково:

• Органические, имеющие в составе преимущественно углеводородные цепочки;
• Элементоорганические, включающие в органические цепочки неорганические атомы (кремний, алюминий). Наиболее яркий пример – кремнийорганические композиции.

В зависимости от типов цепочек молекулярного состава, можно указать следующие виды структуры полимеров:

• Линейные, у которых мономеры соединены в длинные прямые цепочки;
• Разветвленные;
• С сеточной структурой.

Варианты структуры полимеров

Все полимерные соединения по-разному характеризуются по отношению к температуре. Таким образом, их делят на две группы:

• Термопластичные, для которых воздействие температуры оказывает обратимые изменения – нагрев, плавление;
• Термореактивные, необратимо изменяющие свою структуру при нагреве. В большинстве случаев этот процесс происходит без стадии плавления.

Существует еще несколько типов классификации полимеров, к примеру, по полярности молекулярных цепочек. Но данная квалификация необходима только узким специалистам.

Многие типы полимеров используются в самостоятельном виде (полиэтилен, полиамид), но значительное количество применяется в качестве композиционных материалов, где выполняет роль связующего элемента между органической и неорганической основой – пластики на основе стеклянных или углеродных волокон. Часто можно встретить комбинацию полимер – полимер (текстолит, у которого полимерная ткань пропитана полимерным связующим).

Будущее полимеров

Высокомолекулярные соединения – будущее человечества. Но они могут быть не только полезны, но и опасны для людей. На данный момент в мире стоит проблема с утилизацией пластика, который долго разлагается и выделяет токсины. Мусором питаются обитатели морей и океанов, что отрицательно сказывается на природе.

Ученые борются с проблемой выбрасываемого пластика и разрабатывают «умные высокомолекулярные соединения», которые могут изменять структуру и свойства в зависимости от окружающей среды. Полимеры являются объектом исследования ученых. На данный момент ведутся следующие разработки.

• Биоразлагаемые пленки, в состав которых входит кукурузный крахмал.
• Упаковки, меняющие цвет в зависимости от срока годности товара и разлагающиеся без вреда для природы.
• Эко-почва с гидрогелем для засушливых зон природного земледелия.
• Полимерные жидкости, изменяющие свойства в зависимости от окружающей среды.
• Фармацевтическая упаковка для доставки лекарственных средств непосредственно к больному органу внутри организма человека.

Человечество уже не может развиваться без полимерной продукции. Сейчас стоит вопрос о ее безопасности для экологии и переходе на новый уровень взаимодействия. Отказаться от пластика невозможно, но сократить его потребление и перейти на изделия из натуральных материалов возможно.

Свойства

Многие органические полимеры отличаются хорошими электроизоляционными параметрами в обширном интервале напряжений, частот и температур, при большой влажности. К тому же они имеют хорошие звуко- и теплоизоляционные характеристики. Также обычно органические полимеры характеризуются высокой стойкостью к химическому воздействию, не подвержены гниению и коррозии. Наконец, данные материалы обладают большой прочностью при малой плотности.

Натуральный каучук

Приведенные выше примеры демонстрируют общие для органических полимеров характеристики. Помимо этого, некоторые из них отличаются специфическими особенностями: прозрачностью и малой хрупкостью (органическое стекло, пластмассы), макромолекулярным ориентированием при направленном механическом влиянии (волокна, пленки), большой эластичностью (каучук), быстрым изменением физико-механических параметров под воздействием реагента в малом количестве (каучук, кожа и т. д.), а также большой вязкостью при малой концентрации, радиопрозрачностью, антифрикционными характеристиками, диамагнетизмом, и т. д.

Сфера применения

Полимеры отличаются огромным разнообразием. С каждым годом ученые разрабатывают новые технологии, которые позволяют производить материалы с различными качественными показателями. И сейчас полимеры встречаются как в промышленности, так и в быту. Ни одно строительство не обходится без асбеста. Он присутствует в составе шифера, специальных труб и т.д. В качестве вяжущего элемента применяется цемент.

Силикон – отличный герметик, используемый строителями. Автостроение, производство промышленного оборудования, товаров народного потребления основано на полимерах, которые позволяют добиться высокой прочности, долговечности, герметичности.

А возвращаясь к асбесту, нельзя не упомянуть, что способность удерживать тепло позволило создать костюмы для пожарных.

Говоря об алмазах, принято отождествлять их с бриллиантами (обработанными алмазами). Некоторые неорганические полимеры не уступают этому природному кристаллу, что необходимо в различных промышленных сферах, и при производстве бриллиантов, в том числе. В виде крошки этот материал наносится на режущие кромки. В итоге получаются резцы, способные разрезать что угодно. Это отличный абразив, применяемый при шлифовании. Эльбор, боразон, киборит, кингсонгит, кубонит относятся к сверхпрочным соединениям.

Если требуется обработать металл или камень, применяются неорганические полимеры, изготовленные методом синтеза бора. Любой шлифовальный круг, продаваемый в строительных супермаркетах, имеет в своем составе этот материал. Для производства декоративных элементов используется, например, карбид селена. Из него получается аналог горного хрусталя. Но и этим перечень достоинств и список сфер применения не ограничен.

Фосфорнитридхлориды образуются при соединении фосфора, азота и хлора. Свойства могут меняться, и зависят от массы. Когда она велика, образуется аналог природного каучука. Только теперь он выдерживает температуру до 350 градусов. Под действием органических соединений реакций не наблюдается. А в допустимом температурном диапазоне свойства изделий не меняются.

Полимеры бора

Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры вам известны, смело отвечайте – полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.

Карбид бора – его формула правильнее выглядит так (B12C3)n. Его элементарная ячейка – ромбоэдрическая. Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его – линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате образуется очень прочная конструкция.

Бориды – их кристаллы образованы подобно вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается TaB2 – на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.

Нитрид бора – его часто называют белым тальком за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.

Способы получения полимеров

Полимеры можно получить в результате реакций полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация

Полимеризация представляет собой реакцию присоединения. Это цепная реакция, состоящая из трех стадий – инициации, роста и обрыва цепи.

n CH₂=CH₂ + n CH₃-CH=CH₂→ [(-CH₂-CH₂-)_x-(-CH₂-CH(CH₃)-)_y]_n

В качестве катализаторов реакции выступают натрий, пероксиды, комплексные соединения. В результате полимеризации образуются важнейшие соединения.

Поликонденсация

Поликонденсация представляет собой реакцию замещения,  при которой выделяются побочные низкомолекулярные продукты. Поликонденсация –  ступенчатая реакция.  Полимеры образуются при последовательном взаимодействии мономеров, димеров или n-меров.

n C₆H₁₂O₆→ (-C₆H₁₂O₅-)_n + n H₂O

В результате поликонденсации образуются важнейшие высокомолекулярные соединения.

Особенности

Рассматриваемые материалы состоят из мономеров, представленных повторяющимися фрагментами структуры из нескольких атомов. Они соединяются в трехмерные структуры либо цепи разветвленной или линейной формы вследствие поликонденсации либо полимеризации. Нередко в строении они четко проявлены.

Следует сказать, что термин «полимеры» относится в основном к органическим вариантам, хотя существуют и неорганические соединения.

Принцип наименования рассматриваемых материалов состоит в присоединении приставки поли- к названию мономера.

Помимо макромолекул, большинство полимеров включает прочие вещества, служащие для улучшения функциональных характеристик путем модификации свойств. Они представлены:

• стабилизаторами (предотвращают реакции старения);
• наполнителями (включения различного фазового состояния, служащие для придания специфических свойств);
• пластификаторами (повышают морозостойкость, снижают температуру переработки и улучшают эластичность);
• смазками (позволяют избежать прилипания металлических элементов используемого в переработке оборудования);
• красителями (служат в декоративных целях и для создания маркировок);
• антипиренами (уменьшают горючесть некоторых полимеров);
• фунгицидами, антисептиками, инсектицидами (придают антисептические свойства и устойчивость к воздействию насекомых и грибковой плесени).

В природной среде рассматриваемые материалы формируются в организмах.

Кроме того, существуют близкие к полимерам по строению соединения, называемые олигомерами. Их отличия состоят в меньшем количестве звеньев и изменении исходных свойств при удалении или добавлении одного либо нескольких из них, в то время как параметры полимеров при этом сохраняются. К тому же нет однозначного мнения относительно отношений между данными соединениями. Одни считают олигомеры низкомолекулярными вариантами полимеров, другие — отдельным типом соединений, не относящимся к высокомолекулярным.

Применение

Благодаря названным выше параметрам, органические полимеры имеют обширную сферу применения. Так, сочетание большой прочности с небольшой плотностью позволяет получить материалы большой удельной прочности (ткани: кожа, шерсть, мех, хлопок и т. д.; пластмассы).

Помимо названных, из органических полимеров выпускают прочие материалы: резины, лакокрасочные материалы, клеи, электроизоляционные лаки, волокнистые и пленочные вещества, компаунды, связующие материалы (известь, цемент, глина). Их применяют для промышленных и бытовых нужд.

Крахмал также является органическим полимером

Однако органические полимеры обладают существенным практическим недостатком — старением. Под этим термином понимают изменение их характеристик и размеров в результате физико-химических преобразований, происходящих под воздействием различных факторов: истирания, нагрева, облучения и т. д. Старение происходит путем протекания определенных реакций в зависимости от вида материала и воздействующих факторов. Наиболее распространенной среди них является деструкция, подразумевающая формирование более низкомолекулярных веществ вследствие разрыва химической связи главной цепи. На основе причин деструкцию подразделяют на термическую, химическую, механическую, фотохимическую.

Неорганические полимеры: примеры и применение

Специфика НП заключается в образовании полимерных кристаллических тел с регулярной трехмерной структурой макромолекул. Наличие жесткого каркаса химических связей предоставляет таким соединениям значительную твердость.

Указанное свойство позволяет использовать в качестве абразивных материалов неорганические полимеры. Применение этих материалов нашло широчайшее применение в промышленности.

Исключительная химическая и термическая стойкость НП является также ценным свойством. Например, армирующие волокна, изготовленные из органических полимеров, устойчивы на воздухе до температуры 150-220 ˚С. Между тем борное волокно и его производные остаются устойчивыми до температуры 650 ˚С. Именно поэтому неорганические полимеры являются перспективными для создания новых химически и термостойких материалов.

Практическое значение также имеют НП, которые одновременно являются и приближающимися по свойствам к органическим, и сохраняющими свои специфические свойства. К таким относят фосфаты, полифосфазены, силикаты, полимерные оксиды серы с различными боковыми группами.

Механические свойства полимеров

Одна из основных особенностей полиме­ров состоит в том, что отдельные отрезки цепей (сегменты) могут перемещаться путем поворота вокруг связи и изменения угла (рис.3). Такое смещение, в отличие от растяжения связей при упругой деформации истинно твердых тел, не требует большой энергии и происходит при невысокой температуре.

В то же время большая длина искривленных и спиралеоб­разных молекул, их ветвление и взаимная сшивка затрудняют смещение, вследствие чего полимер приобретает свойства твер­дого тела.

Для некоторых полимеров в виде концентрированных раство­ров и расплавов характерно образование под действием поля (гравитационного, электростатического, магнитного) кристалличе­ской структуры с параллельной упорядоченностью макромолекул в пределах небольшого объема—домена.

Полимерам наряду с обычной упругой деформацией присущ ее оригинальный вид — высокоэластическая деформация, ко­торая становится преобладающей при повышении температуры. Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное, ха­рактеризующеися лишь упругой деформацией, называется стекло­ванием. Ниже температуры стеклования Тст состояние полимера твердое, стекловидное, высокоупругое, выше—эластическое.

Если температура стеклования выше температуры эксплуатации, то по­лимер используется в стеклообразном состоянии, если Тст<Тэкс— в высокоэластическом. Температура стеклования разных полиме­ров находится в пределах 130…300 К. Для детальной характе­ристики полимеров в специальных условиях в справочной лите­ратуре приводятся также значения температур перехода в хруп­кое состояние и холодостойкость.

Рис.3. Вращение групп молекулы полимера – смена конформаций в молекуле этанаС2 Н6 .	Рис.4. Характер изменения удлинения во времени при постоянной нагрузке: а – модель Максвелла, б – модель Войта-Кельвина.

Для прочных (конструкционных) полимеров кривая растяже­ния подобна аналогичной кривой для металлов (рис.4). По зна­чению модуля упругости Е конструкционные полимеры делятся на четыре группы: жесткие E>104 МПа, полужесткие E=(5…10). 103 МПа, мягкие E=(1…5)*103 МПа.

Наиболее эла­стичные полимеры—эластомеры (каучуки) имеют модуль упру­гости E=10МПа. Как видно, даже высокомодульные полимеры уступают по жесткости металлам в десятки и сотни раз- Этот не­достаток удается в значительной мере преодолеть введением в полимер волокнистых и листовых наполнителей.

Особенность полимеров состоит также в том, что их прочност­ные свойства зависят от времени, т. е. предельная деформация устанавливается не сразу после приложения нагрузки. Такая за­медленная реакция их на механические напряжения объясняется инерционностью процесса смены конформаций, что можно пред­ставить с помощью модели (рис.4).

Для полимеров, находя­щихся в высокоэластическом состоянии, закон Гука в простей­шей форме неприменим, т. е. напряжение непропорционально де­формации. Поэтому обычные методы испытаний механических свойств применительно к полимерам могут давать неоднозначные результаты. По той же причине инженерных расчетных способов конструирования деталей из полимеров пока еще не существует и преобладает эмпирический подход.

Химические свойства полимеров

Химические свойства полимеров отличаются от таковых у низкомолекулярных веществ. Это объясняется размером молекулы, наличием различных функциональных группировок в ее составе, общим запасом энергии активации.

В целом можно выделить несколько основных типов реакций, характерных для полимеров:

1. Реакции, которые будут определяться функциональной группой. То есть если в состав полимера входит группа ОН, характерная для спиртов, значит, и реакции, в которые они будут вступать, будут идентичны таковым у спиртов (дегидратация, окисление, восстановление, дегидрирование и так далее).
2. Взаимодействие с НМС (низкомолекулярными соединениями).
3. Реакции полимеров между собой с образованием сшитых сетей макромолекул (сетчатые полимеры, разветвленные).
4. Реакции между функциональными группировками в пределах одной макромолекулы полимера.
5. Распад макромолекулы на мономеры (деструкция цепи).

Все перечисленные реакции имеют в практике большое значение для получения полимеров с заранее заданными и удобными человеку свойствами. Химия полимеров позволяет создавать термоустойчивые, кислотно и щелочеупорные материалы, обладающие при этом достаточной эластичностью и стабильностью.