Човек трудно може да си представи днешния живот без полимери - сложни синтетични вещества, които се използват широко в различни области на човешката дейност. Полимерите са високомолекулни съединения от естествен или синтетичен произход, състоящи се от мономери, свързани чрез химически връзки. Мономер е повтаряща се верижна връзка, която съдържа родителската молекула.
Органични макромолекулни съединения
Поради своите уникални свойства високомолекулните съединения успешно заместват такива естествени материали като дърво, метал, камък в различни сфери на живота, завладявайки нови области на приложение. За да се систематизира такава обширна група вещества, се приема класификацията на полимерите според различни критерии. Те включват състав, метод на производство, пространствена конфигурация и т.н.
Класификацията на полимерите по химичен състав ги разделя на три групи:
- Органични макромолекулни вещества.
- Органоелементни съединения.
- Неорганични макромолекулни съединения.
Най-голямата група е представена от органични ВМС - смоли, каучуци, растителни масла, тоест продукти от животински, както и растителен произход. В макромолекулите на тези вещества в основната верига заедно с въглеродните атоми има атоми на кислород, азот и други елементи.
Техните свойства:
- имат способността да обърнат деформация, тоест еластичност при ниски товари;
- в малка концентрация могат да образуват вискозни разтвори;
- промяна на физическите и механичните характеристики под въздействието на минимално количество реагент;
- с механично действие е възможна насочената ориентация на техните макромолекули.
Органоелементни съединения
Органоелементните ВМС, чиито макромолекули съдържат освен атоми на неорганични елементи - силиций, титан, алуминий и органични въглеводородни радикали, са създадени изкуствено, а в природата не са такива. Класификацията на полимерите ги разделя, от своя страна, на три групи.
- Първата група са вещества, в които основната верига е съставена от атоми на определени елементи, заобиколени от органични радикали.
- Втората група включва вещества с основна верига, съдържаща редуващи се въглеродни атоми и елементи като сяра, азот и други.
- Третата група включва вещества с органични основи, заобиколени от различни органоелементални групи.
Пример за това са органосиликоновите съединения, по-специално силиконът, който има висока износоустойчивост.
Неорганичните макромолекулни съединения в основната верига съдържат оксиди на силиций и метали - магнезий, алуминий или калций. Те нямат странични органични атомни групи. Връзките в основните вериги са ковалентни и йонно-ковалентни, което определя тяхната висока якост и топлинна устойчивост. Те включват азбест, керамика, силикатно стъкло, кварц.
Въглероден и хетеросетинен флот
Класификацията на полимерите по химичния състав на основната полимерна верига включва разделянето на тези вещества в две големи групи.
- Carbochain, при който основната верига на IUD макромолекулата се състои само от въглеродни атоми.
- Хетеро верига, при която други атоми са разположени в основната верига заедно с въглеродните атоми, придавайки на това вещество допълнителни свойства.
Всяка от тези големи групи се състои от следните подгрупи, които се различават по структурата на веригата, броя на заместителите, техния състав и броя на страничните клонове:
- съединения с наситени връзки във вериги, например, полиетилен или полипропилен;
- полимери с ненаситени връзки в основната верига, например полибутадиен;
- халоген-заместени макромолекулни съединения - тефлон;
- полимерни алкохоли, пример за които е поливинилов алкохол;
- ВМС на базата на производни на алкохоли, пример е поливинилацетат;
- съединения, получени от алдехиди и кетони, като например полиакролеин;
- полимери, получени от карбоксилни киселини, от които полиакриловата киселина е представител;
- вещества, получени от нитрили (PAN);
- макромолекулни вещества, получени от ароматни въглеводороди, например полистирол.
Разделяне по естеството на хетероатома
Класификацията на полимерите може също да зависи от естеството на хетероатомите; тя включва няколко групи:
- с кислородни атоми в основната верига - прости и сложни полиестери и пероксиди;
- съединения със съдържанието в основната верига на азотни атоми - полиамини и полиамиди;
- вещества с кислородни и азотни атоми в основната верига, например, полиуретани;
- ВМС със серни атоми в основната верига - политиоестери и политетрасулфиди;
- съединения, в които фосфорните атоми присъстват в основната верига.
Естествени полимери
Понастоящем класификацията на полимерите по произход, по химичен характер, която ги разделя, както следва:
- Естествено, те също се наричат биополимери.
- Изкуствени вещества с високо молекулно тегло.
- Синтетични съединения.
Естественият флот е основата на живота на Земята. Най-важният от тях са протеините - „тухлите“ на живите организми, мономерите на които са аминокиселини. Протеините участват във всички биохимични реакции на организма, без тях имунната система не може да работи, процесите на коагулация на кръвта, образуването на костна и мускулна тъкан, работа за преобразуване на енергия и много други. Без нуклеинови киселини съхранението и предаването на наследствена информация е невъзможно.
Полизахаридите са високомолекулни въглеводороди, които заедно с протеините участват в метаболизма. Класификацията на полимерите по произход ви позволява да изберете естествени макромолекулни вещества в специална група.
Изкуствени и синтетични полимери
Изкуствените полимери се получават от естествени чрез различни методи за химическа модификация, за да им се придадат необходимите свойства. Пример за това е целулозата, от която се получават много пластмаси. Класификацията на полимерите по произход ги характеризира като изкуствени вещества. Синтетичните ВМС се получават химически с помощта на реакции на полимеризация или поликондензация. Техните свойства, а следователно и обхватът, зависят от дължината на макромолекулата, тоест от молекулното тегло. Колкото е по-голям, толкова по-здрав е полученият материал. Класификацията на полимерите по произход е много удобна. Примерите потвърждават това.
Линейни макромолекули
Всяка класификация на полимери е доста произволна и всеки има своите недостатъци, тъй като не може да показва всички характеристики на тази група вещества. Независимо от това, това помага да ги систематизираме по някакъв начин. Класификацията на полимерите под формата на макромолекули ги представя под формата на следните три групи:
- линеен;
- разклонена верига;
- пространствени, които също се наричат мрежести.
Дългите, извити или спираловидни вериги от линейни ВМС придават на вещества някои уникални свойства:
- поради появата на междумолекулни връзки образуват силни влакна;
- те са способни на големи и дълги, но в същото време обратими деформации;
- важно свойство е тяхната гъвкавост;
- при разтваряне тези вещества образуват разтвори с висок вискозитет.
Разклонени макромолекули
Разклонените полимери също имат линейна структура, но с много странични клони, по-къси от основния.В същото време техните свойства също се променят:
- разтворимостта на разклонените вещества е по-висока от линейната, съответно те образуват разтвори с по-нисък вискозитет;
- с увеличаване на дължината на страничните вериги, междумолекулните сили стават по-слаби, което води до увеличаване на мекотата и еластичността на материала;
- колкото по-висока е степента на разклоняване, толкова повече физичните свойства на такова вещество се доближават до свойствата на обикновените съединения с ниско молекулно тегло.
Триизмерни макромолекули
Мрежестите макромолекулни съединения са плоски (тип стълбище и паркет) и триизмерни. Плоската гума включва естествен каучук и графит. В пространствените полимери има кръстосано свързващи „мостове” между веригите, образуващи една голяма триизмерна макромолекула, която има изключителна твърдост.
Пример е диамантът или кератинът. Мрежестите макромолекулни съединения са в основата на гуми, някои видове пластмаси, както и лепила и лакове.
Термопластика и термореактори
Класификацията на полимерите по произход и по отношение на нагряването има за цел да характеризира поведението на тези вещества с температура. В зависимост от процесите, които протичат при нагряване, се получават различни резултати. Ако междумолекулното взаимодействие отслабва и кинетичната енергия на молекулите се увеличава, тогава веществото омеква, превръщайки се в вискозно състояние. Когато температурата се понижи, тя се връща в нормалното си състояние - нейната химическа природа остава непроменена. Такива вещества се наричат термопластични полимери, например полиетилен.
Друга група съединения се нарича термореактивни. Механизмът на процесите, протичащи в тях по време на нагряване, е напълно различен. При наличието на двойни връзки или функционални групи те си взаимодействат помежду си, променяйки химическата природа на веществото. Не може да възстанови първоначалната си форма при охлаждане. Пример са различни смоли.
Метод на полимеризация
Друга класификация на полимерите е по метода на получаване. Има такива начини за получаване на IUD:
- Полимеризация, която може да се извърши чрез механизма на йонната реакция и свободните радикали.
- Поликондензация.
Полимеризацията е процесът на образуване на макромолекули чрез последователно свързване на мономерни единици. Те обикновено са вещества с ниско молекулно тегло с множество връзки и циклични групи. По време на реакцията двойна връзка или връзка в цикличната група се разкъсва и между тези мономери се образуват нови. Ако мономерите от един и същи вид участват в реакцията, тя се нарича хомополимеризация. При използване на различни видове мономери възниква реакция на кополимеризация.
Реакцията на полимеризация е верижна реакция, която може да възникне спонтанно, обаче, активни вещества се използват за нейното ускоряване. С механизма на свободните радикали процесът протича на няколко етапа:
- Иницииране. На този етап, чрез светлина, топлина, химикал или друг вид влияние, в системата се формират активни групи - радикали.
- Растеж на дължината на веригата. Този етап се характеризира с добавянето на следните мономери към радикали за образуване на нови радикали.
- Отворена верига се получава при взаимодействието на активни групи с образуването на неактивни макромолекули.
Невъзможно е да се контролира момента на прекъсване на веригата и следователно получените макромолекули се различават в различни молекулни тегла.
Принципът на йонния механизъм на реакцията на полимеризация е същият като този на свободния радикал. Но тук катионите и анионите действат като активни центрове, поради което се различават катионната и анионната полимеризация. В промишлеността най-важните полимери се получават чрез радикална полимеризация: полиетилен, полистирен и много други. Йонната полимеризация се използва при производството на синтетични каучуци.
поликондензация
Процесът на образуване на високомолекулно съединение с отделяне на някои вещества с ниско молекулно тегло като страничен продукт е поликондензация, която се различава от полимеризацията по това, че елементарният състав на получената макромолекула не съответства на състава на първоначалните вещества, участващи в реакцията. В тях могат да участват само съединения с функционални групи, които, взаимодействайки, разделят молекулата на просто вещество и образуват нова връзка. Поликондензацията на бифункционални съединения произвежда линейни полимери. Когато в реакцията участват полифункционални съединения, се образуват IUD с разклонена или дори пространствена структура. Веществата с ниско молекулно тегло, образувани по време на реакцията, също взаимодействат с междинните продукти, причинявайки прекъсване на веригата. Затова е по-добре да ги премахнете от реакционната зона.
Някои полимери не могат да бъдат получени чрез известни методи на полимеризация или поликондензация, тъй като не са необходими изходни мономери, способни да участват в тях. В този случай полимерният синтез се осъществява с участието на високомолекулни съединения, съдържащи функционални групи, които са в състояние да взаимодействат помежду си.
Класификацията на полимерите става все по-сложна с всеки изминал ден, тъй като се появяват все повече нови видове от тези удивителни вещества с предварително определени свойства и човек вече не си представя живота си без тях. Възниква обаче и друг проблем, не по-малко важен - възможността за лесното им и евтино изхвърляне. Решението на този проблем е много важно за съществуването на планетата.
