Polimerek

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. március 25-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 8 szerkesztést igényelnek .

Polimerek
ben tanult	polimertudomány [d]
Gyártási módszer	polimerizáció
Szemben	monomer
Kód NCI tezaurusz	C48803
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon

A polimerek (a görög πολύ "sok" + μέρος "rész" szóból ) olyan anyagok , amelyek " monomer egységekből " állnak, amelyeket kémiai kötések kötnek össze hosszú makromolekulákká . A polimerek lehetnek szervetlen és szerves, amorf és kristályos anyagok. A polimer nagy molekulatömegű vegyület: a polimerben lévő monomer egységek számának (polimerizációs foknak) elég nagynak kell lennie (egyébként a vegyületet oligomernek nevezzük ). Sok esetben az egységek száma elegendőnek tekinthető egy molekula polimernek minősítéséhez, ha egy másik monomer egység hozzáadása nem változtatja meg a molekulatulajdonságokat [1] . A polimerek általában több ezer és több millió közötti molekulatömegű anyagok [2] .

Ha a makromolekulák közötti kapcsolatot gyenge Van der Waals erők segítségével valósítjuk meg, akkor azokat hőre lágyuló műanyagoknak , ha kémiai kötések segítségével - hőre lágyuló anyagoknak nevezzük . A lineáris polimerek közé tartozik például a cellulóz , az elágazó láncú polimerek, például az amilopektin , vannak olyan polimerek, amelyek térbeli térbeli összetett szerkezettel rendelkeznek.

A polimer szerkezetében megkülönböztethető egy monomer kapcsolat - egy ismétlődő szerkezeti fragmentum, amely több atomot tartalmaz. A polimerek nagyszámú, azonos szerkezetű ismétlődő csoportból (egységből) állnak, például polivinil-klorid (- CH 2 - CH Cl - ) n , természetes gumi stb. Olyan nagy molekulatömegű vegyületek, amelyek molekulái többféle ismétlődő csoportot tartalmaznak. kopolimereknek vagy heteropolimereknek nevezzük .

A polimer monomerekből polimerizációs vagy polikondenzációs reakciók eredményeként jön létre. A polimerek számos természetes vegyületet tartalmaznak: fehérjéket , nukleinsavakat , poliszacharidokat , gumit és más szerves anyagokat . A legtöbb esetben a fogalom szerves vegyületekre vonatkozik, de sok szervetlen polimer létezik . Számos polimert állítanak elő szintetikus úton a természetes eredetű elemek legegyszerűbb vegyületeiből polimerizációval, polikondenzációval és kémiai átalakításokkal. A polimerek neve a monomer nevéből jön létre a poli- előtaggal : polietilén , polipropilén , polivinil -acetát stb.

Jellemzők

Különleges mechanikai tulajdonságok

rugalmasság - nagy reverzibilis alakváltozások képessége viszonylag kis terhelés mellett (gumik);
üveges és kristályos polimerek (műanyagok, szerves üveg) alacsony ridegsége;
a makromolekulák tájékozódási képessége irányított mechanikai mező hatására (szálak és filmek gyártásánál használják).

A polimer megoldások jellemzői:

magas oldatviszkozitás alacsony polimerkoncentráció mellett;
a polimer feloldódása a duzzadás szakaszán keresztül megy végbe.

Különleges kémiai tulajdonságok:

a fizikai és mechanikai tulajdonságainak drámai megváltoztatásának képessége kis mennyiségű reagens hatására (gumi vulkanizálása, bőrcserzés stb.).

A polimerek különleges tulajdonságait nemcsak nagy molekulatömegük magyarázza, hanem az is, hogy a makromolekulák láncszerkezettel rendelkeznek és rugalmasak.

Épület

A láncmolekula olyan kötésekből áll, amelyek egymással bizonyos kötésszögeket alkotnak, amelyek a hajlítási rezgések során jelentéktelen mértékben változnak. Ezek a rezgések harmonikusnak tekinthetők, figyelembe véve a kötési szögek rögzített értékei által meghatározott egyensúlyi konfigurációkat. Minden láncszem feleljen meg egy vektornak, ahol A lánc végei közötti távolságot a vektor határozza meg $v_{i},$ $i={\overline {1,N)),\,\,|v_{i}|=v.$

m = ∑ én = egy N v én . {\displaystyle {\textbf {m}}=\sum _{i=1}^{N}v_{i}.} ${\textbf {m}}=\sum _{i=1}^{N}v_{i}.$

Következésképpen, ${\overline {m^{2}}}=v^{2}\{N+2\sum _{i=2}^{N}\sum _{j=1}^{i-1 }{\overline {(i,j)}}\},$

ahol a vektorok közötti szög átlagos koszinusza ${\overline {(i,j)))$ $v_{i},v_{j}.$

Az ábrán látható szabványos Gauss-modell egy testetlen szálra felfűzött kölcsönható gömbszimmetrikus gyöngyök lánca, a szomszédos láncszemek helyzetének Gauss-korrelációival. A tömeges kölcsönhatások szempontjából a gyöngy egy lánc egy nagyságrendi hosszúságú szakaszának A kölcsönhatásban lévő gyöngyök rendszerének leírásához a láncon kívül kell ezeket figyelembe venni: a Gibbs-eloszlást egy polimer rendszerre a $a.$

$\rho (\Gamma )=\exp(-E(\Gamma )/T)\Pi g_{j},$

ahol - kötések, - kölcsönhatások, vagyis a térfogati kölcsönhatások energiája mikrokonfigurációkban (például a standard Gauss-modell esetében ). A megszakadt hivatkozások rendszere a Gibbs-eloszlású rendszer: ${\displaystyle g_{j))$ $E(\Gamma )$ $\Gamma$ $E(\Gamma )=\sum u(x_{i}-x_{j})$

$\rho '(\Gamma )=\exp(-E(\Gamma )/T).$

A statisztikai fizikában a térfogati kölcsönhatásokat a megszakadt kapcsolatok rendszerének termodinamikai jellemzőivel írják le.

A rácsmodellek kényelmesek bizonyos analitikai számításokhoz és polimer rendszerek számítógépes modellezéséhez. Az ilyen modellekben a polimerláncot egy véletlenszerű séta pályájaként ábrázolják valamilyen térbeli rács szélein.

A térfogati kölcsönhatásokat a legegyszerűbb esetben az önmagát nem metsző vándorlás feltétele adja meg, vagyis annak tilalma, hogy a lánc kétszer meglátogassa ugyanazt a rácshelyet (taszítás), és minden nem-párhoz -E<0 energiát rendeljen. a lánc szomszédos láncszemei, amelyeket egy rácsél választ el (vonzás).

Kopolimerek

A különböző monomerekből vagy különböző polimerek kémiailag kötött molekuláiból készült polimereket kopolimereknek nevezzük. Például a nagy ütésű polisztirol egy polisztirol-polibutadién kopolimer [3] .

A kopolimerek szerkezetükben, gyártási technológiájában és kapott tulajdonságaiban különböznek egymástól. 2014-re technológiákat hoztak létre [3] :

a különböző természetű kémiai csoportokat tartalmazó láncokból képzett statisztikai kopolimereket több kiindulási monomer keverékének polimerizálásával állítják elő;
a váltakozó kopolimereket láncok jellemzik, amelyekben különböző monomerek csoportjai váltakoznak;
ojtott kopolimerek úgy jönnek létre, hogy a második monomer molekuláinak láncait oldalról hozzákapcsolják a fő monomerből képzett makromolekulákhoz ;
A fésűs kopolimerek nagyon hosszú oldalláncú ojtott kopolimerek;
a blokk-kopolimerek az egyik monomer kellően meghosszabbított láncaiból (blokkjaiból) épülnek fel, amelyek a végén egy másik monomer kellően meghosszabbított láncaival vannak összekötve.

A kopolimerek tulajdonságai

A fésű alakú kopolimerek különböző tulajdonságú anyagokból állhatnak, ami egy ilyen kopolimernek alapvetően új tulajdonságokat ad, például folyadékkristály [3] .

A különböző tulajdonságú komponensekből álló blokk-kopolimerekben szuperrácsok jelennek meg, amelyek különböző kémiai természetű tömbökből épülnek fel, külön fázisba szeparálva. A blokkok mérete a kiindulási monomerek arányától függ. Így a rideg polisztirolhoz 5-10% polibutadiénnel történő kopolimerizációval akár 40%-os szakítószilárdságot adnak, és ütésálló polisztirolt kapnak, 19%-os polisztirol polibutadiénben pedig gumiszerű viselkedést mutat [3] .

Osztályozás

A kémiai összetétel szerint minden polimert szerves , organoelem és szervetlen polimerekre osztanak .

szerves polimerek.
szerves elem polimerek. Szervetlen atomokat ( Si , Ti , Al ) tartalmaznak a szerves gyökök főláncában, szerves gyökökkel kombinálva. A természetben nem léteznek. Egy mesterségesen előállított képviselő a szerves szilíciumvegyületek.
szervetlen polimerek . Az ismétlődő egységben nem tartalmaznak C - C kötéseket , de oldalszubsztituensként szerves gyököket tartalmazhatnak .

Meg kell jegyezni, hogy a polimereket a mérnöki iparban gyakran használják kompozit anyagok , például üvegszálak alkotóelemeiként . Lehetséges kompozit anyagok, amelyeknek minden komponense polimer (különböző összetételű és tulajdonságú).

A makromolekulák alakja szerint a polimereket lineáris, elágazó (speciális eset - csillag alakú), szalagos, lapos, fésű alakú, polimer hálózatokra és így tovább osztják.

A polimereket polaritás szerint osztályozzák (ez befolyásolja a különböző folyadékokban való oldhatóságot). A polimer egységek polaritását a dipólusok jelenléte határozza meg összetételükben, azaz olyan molekulák, amelyekben a pozitív és negatív töltések elkülönülnek. A nempoláris kapcsolatokban az atomok kötéseinek dipólusmomentumai kölcsönösen kompenzálódnak. Azokat a polimereket, amelyek egységei jelentős polaritással rendelkeznek, hidrofilnek vagy polárisnak nevezzük . Polimerek nem poláris kötésekkel - nem poláris , hidrofób . A poláris és nem poláris egységeket egyaránt tartalmazó polimereket amfifilnek nevezzük . Azokat a homopolimereket, amelyek mindegyike tartalmaz poláris és nem poláris nagy csoportokat is, amfifil homopolimereknek nevezzük .

A fűtéssel kapcsolatban a polimereket hőre lágyuló és hőre keményedő polimerekre osztják . A hőre lágyuló polimerek ( polietilén , polipropilén , polisztirol ) melegítéskor meglágyulnak, hűtve megolvadnak, megkeményednek. Ez a folyamat visszafordítható. A hőre keményedő polimerek hevítéskor olvadás nélkül visszafordíthatatlan kémiai lebomláson mennek keresztül. A hőre keményedő polimerek molekulái nem-lineáris szerkezetűek, amelyeket lánc polimer molekulák térhálósításával (például vulkanizálással ) nyernek. A hőre keményedő polimerek rugalmassági tulajdonságai magasabbak, mint a hőre keményedő polimereké, azonban a hőre keményedő polimerek gyakorlatilag nem folynak, így kisebb a törési feszültségük.

Természetes szerves polimerek képződnek növényi és állati szervezetekben. Ezek közül a legfontosabbak a poliszacharidok , fehérjék és nukleinsavak , amelyek nagymértékben alkotják a növények és állatok testét, és amelyek a földi élet működését biztosítják. Úgy gondolják, hogy a földi élet kialakulásának döntő állomása az volt, hogy egyszerű szerves molekulákból összetettebb, nagy molekulatömegű molekulákat képeztek (lásd: Kémiai evolúció ).

Típusok

szintetikus polimerek. Mesterséges polimer anyagok

Az ember már régóta használ természetes polimer anyagokat életében. Ezek a ruházatgyártáshoz használt bőr , szőrme , gyapjú , selyem , pamut stb., különféle kötőanyagok ( cement , mész , agyag ), amelyek megfelelő megmunkálással háromdimenziós polimer testeket képeznek, amelyeket széles körben használnak építőanyagként . A láncpolimerek ipari gyártása azonban a 20. század elején megkezdődött, bár ennek előfeltételei már korábban megjelentek.

A polimerek ipari gyártása szinte azonnal két irányba fejlődött - a természetes szerves polimerek mesterséges polimer anyagokká történő feldolgozásával és a szintetikus polimerek szerves kis molekulatömegű vegyületekből történő kinyerésével.

Az első esetben a nagy kapacitású gyártás cellulóz alapú . A fizikailag módosított cellulózból az első polimer anyagot - celluloidot - a 19. század közepén állították elő. A cellulóz - éterek és -észterek nagyüzemi gyártását a második világháború előtt és után szervezték meg, és a mai napig tart. Ezek alapján fóliákat , szálakat , festékeket és lakkokat , valamint sűrítőanyagokat állítanak elő . Meg kell jegyezni, hogy a mozi és a fényképezés fejlődése csak egy átlátszó nitrocellulózfilm megjelenése miatt volt lehetséges .

A szintetikus polimerek gyártása 1906-ban kezdődött, amikor Leo Baekeland szabadalmaztatta az úgynevezett bakelit gyantát, a fenol és formaldehid kondenzációjának termékét , amely hevítés hatására háromdimenziós polimerré alakul. Évtizedek óta használják elektromos készülékek, akkumulátorok , televíziók , aljzatok stb. házainak gyártására, és ma már gyakrabban használják kötőanyagként és ragasztóként .

Henry Ford erőfeszítéseinek köszönhetően az első világháború előtt az autóipar gyors fejlődésnek indult, először természetes, majd szintetikus gumira alapozva . Ez utóbbi gyártását a második világháború előestéjén sajátították el a Szovjetunióban, Angliában, Németországban és az USA-ban. Ugyanebben az években elsajátították a polisztirol és a polivinil-klorid ipari gyártását , amelyek kiváló elektromos szigetelő anyagok, valamint a polimetil-metakrilát - szerves üveg, úgynevezett "plexi" nélkül a háború éveiben a tömeges repülőgépgyártás lehetetlen lett volna.

A háború után újraindult a háború előtt megkezdett poliamid szál és szövet ( kapron , nylon ) gyártása. A XX. század 50-es éveiben a poliészter szálat fejlesztették ki, és lavsan vagy polietilén-tereftalát néven sajátították el az erre épülő szövetek gyártását . A polipropilén és a nitron - poliakrilnitrilből készült mesterséges gyapjú - zárja a szintetikus szálak listáját, amelyeket a modern emberek ruházati és ipari tevékenységekhez használnak. Az első esetben ezeket a szálakat nagyon gyakran természetes cellulóz- vagy fehérjeszálakkal ( pamut , gyapjú , selyem ) kombinálják . A polimerek világának korszakos eseménye volt a XX. század 50-es éveinek közepén történt felfedezés és a Ziegler-Natta katalizátorok gyors ipari fejlődése, amely a poliolefinek és mindenekelőtt polipropilén alapú polimer anyagok megjelenéséhez vezetett. -nyomásos polietilén (előtte polietilén előállítása kb. 1000 atm nyomáson), valamint kristályosodásra képes sztereoreguláris polimerek. Ezután a poliuretánokat bevezették a tömeggyártásba - a leggyakoribb tömítőanyagokat, ragasztókat és porózus lágy anyagokat (habgumi), valamint polisziloxánokat - szerves elem polimereket, amelyek nagyobb hőállósággal és rugalmassággal rendelkeznek a szerves polimerekhez képest .

A listát az 1960-as és 1970-es években szintetizált, úgynevezett egyedi polimerek zárják. Ide tartoznak az aromás poliamidok , poliimidek , poliészterek , poliészter-ketonok stb.; e polimerek nélkülözhetetlen tulajdonsága az aromás ciklusok és (vagy) aromás kondenzált szerkezetek jelenléte. A szilárdság és a hőállóság kiemelkedő értékeinek kombinációja jellemzi őket.

Tűzálló polimerek

Sok polimer, például poliuretánok, poliészterek és epoxigyanták hajlamosak meggyulladni, ami a gyakorlatban gyakran elfogadhatatlan. Ennek megakadályozására különféle adalékanyagokat vagy halogénezett polimereket használnak. A halogénezett telítetlen polimereket úgy állítják elő, hogy klórozott vagy brómozott monomereket, például hexaklór-endometilén-tetrahidroftálsavat (HEMTPA), dibróm-opentil-glikolt vagy tetrabróm-ftálsavat adnak a kondenzációba. Az ilyen polimerek fő hátránya, hogy égéskor korróziót okozó gázok szabadulhatnak fel, amelyek káros hatással lehetnek a közeli elektronikára.

Az alumínium-hidroxid hatása azon a tényen alapul, hogy magas hőmérsékleten víz szabadul fel, ami megakadályozza az égést. A hatás eléréséhez nagy mennyiségű alumínium-hidroxidot kell hozzáadni: 4 tömegrész egy rész telítetlen poliészter gyantához.

Az ammónium-pirofoszfát más elven működik: elszenesedést okoz, ami egy üveges pirofoszfátréteggel együtt elszigeteli a műanyagot az oxigéntől, gátolva a tűz terjedését.

Szintézis

A polimerizáció az a folyamat, amikor sok kis molekulát , úgynevezett monomert kovalens kötésű láncba vagy hálózatba egyesítenek. A polimerizáció során egyes kémiai csoportok elveszhetnek az egyes monomerekből. Ez a PET poliészter polimerizációja során következik be . A monomerek a tereftálsav (HOOC - C 6 H 4 - COOH) és az etilénglikol (HO - CH 2 - CH 2 - OH), de az ismétlődő elem az OC - C 6 H 4 - COO - CH 2 - CH 2 - O -, amely két monomer kombinációjának felel meg két vízmolekula elvesztésével. A polimerben lévő egyes monomerek egyes darabjait építőelemnek nevezzük.

A laboratóriumi szintézis módszerek általában két kategóriába sorolhatók: lépéses polimerizáció és láncpolimerizáció [4] . A lényegi különbség köztük abban rejlik, hogy a láncpolimerizáció során láncnövekedéssel a monomerek csak egyenként kerülnek a láncba [5] például polietilénben ; míg a lépcsőzetes polimerizációnál a monomerek láncai közvetlenül kapcsolódhatnak egymáshoz [6] például poliészterben . A modernebb módszerek, mint például a plazmapolimerizáció, nem férnek bele egyik kategóriába sem. A szintetikus polimerizációs reakciókat katalizátorral vagy anélkül is végrehajthatjuk. A biopolimerek, különösen a fehérjék laboratóriumi szintézise intenzív kutatások területe.

A polimerizáció megindítására túlnyomórészt kémiai módszereket alkalmaznak, gyökös mechanizmusú polimerizáció esetén iniciátorokat, ionos polimerizációnál katalizátorokat visznek be monomerekbe vagy oldataikba. Az iniciálás termikus és fotokémiai módszerei korlátozottak (az elsőt a láncok magas hőmérsékleten történő fejlődésének kedvezőtlen feltételei és az ebből eredő másodlagos folyamatok, a második az alacsony hatásfok és a technológiai tervezés bonyolultsága, az ún. a közeg optikai tulajdonságai a fotokémiai reakciók során). Használják a polimerizáció sugárzásos módszerét is, amely szerint a láncfolyamat beindítása ionizáló sugárzás hatására történik [7] .

Alkalmazás

A polimereket értékes tulajdonságaik miatt a gépiparban , a textiliparban , a mezőgazdaságban , az orvostudományban , az autó- és hajógyártásban , a repülőgépgyártásban és a mindennapi életben (textil- és bőrtermékek, edények, ragasztók és lakkok , ékszerek és egyéb cikkek) használják. Makromolekuláris vegyületek alapján gumit , szálakat , műanyagokat , fóliákat és festékbevonatokat állítanak elő. Az élő szervezetek minden szövete makromolekuláris vegyület.

Polimer tudomány

A polimerek tudománya a második világháború kezdetén önálló tudományterületként kezdett kifejlődni, és a XX. század 50-es éveiben alakult ki egészében, amikor a polimerek szerepe a technológiai haladás fejlődésében és a létfontosságú tevékenységben. biológiai objektumok megvalósítása valósult meg. Szoros rokonságban áll a fizikával , a fizikai , a kolloid és a szerves kémiával , és a modern molekuláris biológia egyik alapvető alapjaként tekinthető , melynek vizsgálati tárgyai a biopolimerek .

Lásd még

Jegyzetek

↑ IUPAC A polimertudomány alapvető fogalmainak szószedete
↑ Makromolekuláris vegyületek // Nagy Szovjet Enciklopédia : [30 kötetben] / ch. szerk. A. M. Prohorov . - 3. kiadás - M . : Szovjet Enciklopédia, 1969-1978.
↑ 1 2 3 4 Volynsky, 2014 .
↑ Sperling, LH (Leslie Howard). Bevezetés a polimer fizikai tudományába (neopr.) . - Hoboken, NJ: Wiley, 2006. - 10. o . — ISBN 978-0-471-70606-9 .
↑ Sperling, p. tizenegy
↑ Sperling, p. tizenöt
↑ V.S. Ivanov. Makromolekuláris vegyületek szintézise sugárzásos polimerizációval.

Irodalom

Vinogradova SV, Vasnev VA Polikondenzációs eljárások és polimerek. : M.: MAIK "Nauka/Interperiodika", 2000, 372 p.
Volinszkij, Alekszandr Lvovics. Hogyan keverjük össze a polimereket? // Természet . - 2014. - 3. sz. - S. 44−52.
Korshak VV, Vinogradova SV Egyensúlyi polikondenzáció. , M.: Nauka, 1968.
Korshak VV, Vinogradova SV Nem egyensúlyi polikondenzáció. , M.: Nauka, 1972.
Krivoshey V.N. Polimer anyagokból készült csomagolás, M., 1990.
Makhlis F. A. Fedyukin D. L., Terminológiai útmutató a gumihoz, M., 1989.
Tager A. A. Polimerek fizikai kémiája, M .: Tudományos világ, 2007.;
Sheftel V. O. Káros anyagok a műanyagokban, M., 1991.
Polimerek enciklopédiája, 1-3. kötet, ch. szerk. V. A. Kargin, M., 1972-1977.

Szótárak és enciklopédiák

Bibliográfiai katalógusokban
BNF : 119328276 GND : 4046699-1 J9U : 987007563257705171 LCCN : sh85104660 NDL : 00575080 NKC : ph124310

Anyagtudományi szekciók
Alapvető definíciók	Anyag Összetett kémiai fázis Szerkezet makrostruktúra mikrostruktúra Tulajdonságok kémiai fizikai mechanikai funkcionális diszperzió
Fő irányok	fémtudomány kohászat gépészet Kerámia műszaki kerámia Polimer anyagok Építőanyagok Nanotechnológia űranyagtudomány Biokompatibilis anyagok
Általános szempontok	Technológia Jellemzés instrumentális elemzési módszerek Tervezés (tulajdonságok számítása) Információk (adatbázisok)
Egyéb fontos útmutatások	Kristályográfia A felszíni jelenségek tudománya Tribológia
Kapcsolódó tudományok	Kémia szerkezeti kémia fizikai kémia fizikai és kémiai elemzés termodinamika kinetika szilárdtest-kémia polimer kémia Ásványtan bányászati tudományok atomtechnika Fizika kondenzált anyag fizikája polimer fizika lágy anyag fizikája szilárdtestfizika