Полимерные материалы

20/062017

Полимеры представляют собой высокомоллекулярные соединения, то есть молекулы, масса которых М превышает 5000. За счет наличия сложных молекулярных связей в пространстве, этим материалы приобретают уникальные свойства, которые находят широкое применение в природе, в промышленности, в быту и практически в любой сфере функционирования живых организмов. 

Химия процесса: что такое полимер?

Сразу стоит сказать, что многие ошибочно полагают, что полимеры бывают только синтетическими. На самом же деле, высокомоллекулярные субстанции существуют и в природе. К примеру, органический белок, шерсть животных, слюда, асбест, пчелиный воск, натуральный каучук – всё это примеры полимерных материалов, существующих в живой природе. Человек же прошел определенный эволюционный путь от эксплуатации природных полимеров (свечи из воска, стекло из натуральной слюды, одежда из меха) до создания синтетических полимеров.

Однако как природные, так и синтетические материалы имеют в основе один и тот же принцип, - объединение многочисленных мономеров в сложную структуру. В результате прохождения реакций полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения отдельные молекулы изменяют структуру и формируют связи друг с другом, создавая новое вещество. 

Простой пример – полиэтилен. Все мы его видели и знаем, так как нас окружают многочисленные изделия из этого материала (пластиковые пакеты, пищевая пленка и многое другое). Изначально в природе существует бесцветный горючий газ этилен, который проходит достаточно сложный технологический процесс полимеризации, в результате чего отдельные молекулы (мономеры) этилена соединяются друг с другом особыми координационными связями (или силами Ван-Дер-Ваальса).

Подходы к классификации полимеров

Так как веществ данного класса – огромное количество, существует целый ряд критериев, по которым их классифицируют. Среди основных критериев можно выделить:

  • По содержанию атомов углерода выделяют органические, элементоорганические и неорганические полимеры. При этом в неорганических полимерах также может присутствовать углерод, но только в качестве радикалов.
  • По отношению к термическому воздействию выделяют термореактивные и термопластичные полимеры. В зависимости от типа связей между мономерными звеньями, реакция на нагрев вещества может быть разной. Если речь идет о сильной химической связи, нагрев приводит к прохождению химической реакции и разрушению полимера (яркий пример – денатурация белка при нагреве). Если же мы говорим о координационных связях силами Ван-Дер-Ваальса, полимер может неограниченное количество раз нагреваться (при этом размягчаясь) и восстанавливать свои свойства (после остывания). 
  • По форме макромолекул выделяют два основных типа полимерных сеток: линейные (когда мономерные звенья выстраиваются в ряд) и разветвленные (когда мономеры формируют сложную структуру). У этих типов существует множество подвидов. 
  • По происхождению выделяют синтетические и природные полимеры. Тут всё просто: природные образуются в процессе жизнедеятельности живых организмов (включая растения), а синтетические получают в процессе химической реакции. К слову, на заре химической индустрии полиэтилен сравнивали с воском, считая эти материалы родственными и схожими по характеристикам. 

Синтетические термопласты – основа современных технологий

Сегодня такие материалы, как полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ) стали основой современной цивилизации. Термопласты объединяют следующие свойства, благодаря которым сфера их применения является практически безграничной:

  • Пластичность и совместимость с разными методами формования. Экструзия, литье, формование, сварка листов и многие другие методы позволяют придать термопластам практически любую форму.
  • Широкий спектр механических свойств. Полимер может быть как максимально прочным (прочнее стали), так и максимально эластичным, что позволяет разработать композиции для любых промышленных задач. Также может подбираться температурный режим.
  • Относительно небольшая хрупкость. К примеру, прозрачные полимерные изделия намного прочнее стеклянных, что обусловило массовый переход пищевой промышленности со стеклянной на пластиковую тару. 
  • Устойчивость к химическим воздействиям. Материалы хорошо переносят контакты с кислыми и щелочными средами, с водой, с жирами различного происхождения, сохраняя все свои свойства. 
  • Диэлектрические свойства. Благодаря этим свойствам полимеров и существует электроника, так как все современные приборы в значительной мере состоят из пластика. В частности, паянные многослойные платы полностью основаны на полимерах.

Потому, подводя итоги можно утверждать, что полимеры – это материалы, характеризующие эволюцию. В природе химическая эволюция позволила развиться сложным формам жизни, которые были бы невозможны без полимеров (белков, нуклеиновых кислот). А в человеческой цивилизации синтетические полимеры позволили совершить существенный эволюционный рывок для техники, промышленности и науки.