Polymerer

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 25. marts 2021; checks kræver 8 redigeringer .

Polymerer
Studerede i	polymervidenskab [d]
Fremstillingsmetode	polymerisation
Modsatte	monomer
Kode NCI Thesaurus	C48803
Mediefiler på Wikimedia Commons

Polymerer (fra græsk πολύ "mange" + μέρος "del") er stoffer bestående af " monomere enheder " forbundet til lange makromolekyler ved kemiske bindinger. Polymerer kan være uorganiske og organiske, amorfe og krystallinske stoffer. En polymer er en forbindelse med høj molekylvægt: Antallet af monomerenheder i polymeren (polymerisationsgrad) skal være stort nok (ellers vil forbindelsen blive kaldt oligomer ). I mange tilfælde kan antallet af enheder anses for tilstrækkeligt til at klassificere et molekyle som en polymer, hvis tilføjelsen af en anden monomerenhed ikke ændrer på de molekylære egenskaber [1] . Som regel er polymerer stoffer med en molekylvægt fra flere tusinde til flere millioner [2] .

Hvis forbindelsen mellem makromolekyler udføres ved hjælp af svage Van der Waals-kræfter , kaldes de termoplast , hvis det sker ved hjælp af kemiske bindinger - termoplast . Lineære polymerer omfatter for eksempel cellulose , forgrenede, for eksempel amylopectin , der er polymerer med komplekse rumlige tredimensionelle strukturer.

I strukturen af polymeren kan man skelne mellem et monomert led - et repeterende strukturelt fragment, der omfatter flere atomer. Polymerer består af et stort antal gentagne grupper (enheder) af samme struktur, for eksempel polyvinylchlorid (- CH 2 - CH Cl - ) n , naturgummi osv. Højmolekylære forbindelser, hvis molekyler indeholder flere typer gentagne grupper kaldes copolymerer eller heteropolymerer .

Polymeren er dannet af monomerer som et resultat af polymerisation eller polykondensationsreaktioner. Polymerer omfatter adskillige naturlige forbindelser: proteiner , nukleinsyrer , polysaccharider , gummi og andre organiske stoffer . I de fleste tilfælde refererer begrebet til organiske forbindelser, men der er mange uorganiske polymerer . Et stort antal polymerer opnås syntetisk fra de enkleste forbindelser af elementer af naturlig oprindelse gennem polymerisation, polykondensation og kemiske transformationer. Navnene på polymerer er dannet ud fra navnet på monomeren med præfikset poly-: polyethylen , polypropylen , polyvinylacetat osv.

Funktioner

Særlige mekaniske egenskaber

elasticitet - evnen til høje reversible deformationer med en relativt lille belastning (gummi);
lav skørhed af glasagtige og krystallinske polymerer (plast, organisk glas);
makromolekylers evne til at orientere sig under påvirkning af et rettet mekanisk felt (anvendes til fremstilling af fibre og film).

Funktioner af polymerløsninger:

høj opløsningsviskositet ved lav polymerkoncentration;
opløsningen af polymeren sker gennem opsvulmningsstadiet.

Særlige kemiske egenskaber:

evnen til dramatisk at ændre dets fysiske og mekaniske egenskaber under påvirkning af små mængder af et reagens (gummivulkanisering, lædergarvning osv.).

De særlige egenskaber ved polymerer forklares ikke kun af deres store molekylvægt, men også af det faktum, at makromolekyler har en kædestruktur og er fleksible.

Bygning

Et kædemolekyle består af bindinger, der danner visse bindingsvinkler med hinanden, som ændres ubetydeligt under bøjningsvibrationer. Disse vibrationer kan betragtes som harmoniske i betragtning af ligevægtskonfigurationerne bestemt af faste værdier af bindingsvinkler. Lad hvert led svare til en vektor, hvor afstanden mellem enderne af kæden bestemmes af vektoren $v_{i},$ $i={\overline {1,N)),\,\,|v_{i}|=v.$

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

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

hvor er middelcosinus for vinklen mellem vektorerne ${\overline {(i,j)))$ $v_{i},v_{j}.$

Den standard gaussiske model, vist i figuren, er en kæde af interagerende sfærisk symmetriske perler trukket på en inkorporal tråd med gaussiske korrelationer af positionerne af naboled. Fra et bulkinteraktionssynspunkt er en perle som det var en repræsentation af et segment af en kæde med en længde af størrelsesordenen For at beskrive et system af interagerende perler er det nødvendigt at betragte dem uden for kæden: Gibbs-fordelingen for et polymersystem er repræsenteret af $en.$

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

hvor - bindinger, - interaktioner, det vil sige energien af volumeninteraktioner i mikrokonfigurationer (f.eks. for den standard Gaussiske model ). Systemet med brudte links er systemet med Gibbs-fordelingen: ${\displaystyle g_{j))$ $E(\Gamma )$ $\Gamma$ $E(\Gamma )=\sum u(x_{i}-x_{j})$

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

I statistisk fysik er volumeninteraktioner beskrevet i form af de termodynamiske egenskaber af et system af brudte links.

Gittermodeller er praktiske til nogle analytiske beregninger og til modellering af polymersystemer på en computer. I sådanne modeller er polymerkæden repræsenteret som en bane af en tilfældig gåtur langs kanterne af et rumligt gitter.

Volumetriske vekselvirkninger er i det enkleste tilfælde givet ved tilstanden af selv-ikke-skærende vandring, det vil sige forbuddet mod, at kæden besøger det samme gittersted to gange (frastødning) og tildeler energien -E<0 til hvert par ikke- naboled i kæden, adskilt af en gitterkant (attraktion).

Copolymerer

Polymerer fremstillet af forskellige monomerer eller kemisk bundne molekyler af forskellige polymerer kaldes copolymerer. For eksempel er høj-impact polystyren en polystyren-polybutadien copolymer [3] .

Copolymerer adskiller sig i struktur, fremstillingsteknologi og opnåede egenskaber. For 2014 er der skabt teknologier [3] :

statistiske copolymerer dannet af kæder indeholdende kemiske grupper af forskellig art opnås ved polymerisation af en blanding af flere initiale monomerer;
alternerende copolymerer er karakteriseret ved kæder, hvori radikaler af forskellige monomerer veksler;
podecopolymerer dannes ved at binde kæder af molekyler af den anden monomer fra siden til makromolekyler dannet af hovedmonomeren;
Kamcopolymerer er podecopolymerer med meget lange sidekæder;
blokcopolymerer er bygget af tilstrækkeligt forlængede kæder (blokke) af en monomer, forbundet i enderne med tilstrækkeligt forlængede kæder af en anden monomer.

Egenskaber for copolymerer

Kamformede copolymerer kan være sammensat af materialer med forskellige egenskaber, hvilket giver en sådan copolymer fundamentalt nye egenskaber, for eksempel flydende krystal [3] .

I blokcopolymerer sammensat af komponenter med forskellige egenskaber opstår supergitter, bygget af blokke af forskellig kemisk natur adskilt i en separat fase. Blokstørrelserne afhænger af forholdet mellem udgangsmonomererne. Således tilsættes trækstyrke på op til 40 % til skørt polystyren ved copolymerisation med 5-10 % polybutadien, og der opnås slagfast polystyren, og ved 19 % polystyren i polybutadien udviser materialet gummilignende adfærd [3] .

Klassifikation

Ifølge den kemiske sammensætning er alle polymerer opdelt i organisk , organoelement , uorganisk .

organiske polymerer.
organoelement polymerer. De indeholder uorganiske atomer ( Si , Ti , Al ) i hovedkæden af organiske radikaler, kombineret med organiske radikaler. De findes ikke i naturen. En kunstigt opnået repræsentant er organosiliciumforbindelser.
uorganiske polymerer . De indeholder ikke C - C - bindinger i den gentagende enhed , men er i stand til at indeholde organiske radikaler som sidesubstituenter.

Det skal bemærkes, at polymerer ofte bruges i teknik som komponenter i kompositmaterialer , for eksempel glasfiber . Kompositmaterialer er mulige, hvoraf alle komponenter er polymerer (med forskellig sammensætning og egenskaber).

I henhold til formen af makromolekyler er polymerer opdelt i lineære, forgrenede (et særligt tilfælde - stjerneformet), bånd, flade, kamformede, polymernetværk og så videre.

Polymerer klassificeres efter polaritet (påvirker opløselighed i forskellige væsker). Polariteten af polymerenheder bestemmes af tilstedeværelsen af dipoler i deres sammensætning, dvs. molekyler med en adskilt fordeling af positive og negative ladninger. I upolære forbindelser kompenseres dipolmomenterne af atomernes bindinger gensidigt. Polymerer, hvis enheder har betydelig polaritet, kaldes hydrofile eller polære . Polymerer med ikke-polære forbindelser - ikke- polære , hydrofobe . Polymerer, der indeholder både polære og ikke-polære enheder, kaldes amfifile . Homopolymerer, hvor hvert led indeholder både polære og ikke-polære store grupper, foreslås at blive kaldt amfifile homopolymerer .

I forhold til opvarmning opdeles polymerer i termoplast og termohærdende . Termoplastiske polymerer ( polyethylen , polypropylen , polystyren ) blødgøres, når de opvarmes, smelter jævnt og hærder, når de afkøles. Denne proces er reversibel. Termohærdende polymerer undergår, når de opvarmes, irreversibel kemisk nedbrydning uden at smelte. Molekyler af termohærdende polymerer har en ikke-lineær struktur opnået ved tværbinding (for eksempel vulkanisering ) kædepolymermolekyler. De elastiske egenskaber af termohærdende polymerer er højere end termoplastiske, men termohærdende polymerer flyder praktisk talt ikke, hvilket resulterer i, at de har en lavere brudspænding.

Naturlige organiske polymerer dannes i plante- og dyreorganismer. De vigtigste af disse er polysaccharider , proteiner og nukleinsyrer , som i vid udstrækning udgør planter og dyrs kroppe, og som sørger for selve livets funktion på Jorden. Det menes, at det afgørende stadie i livets fremkomst på Jorden var dannelsen af mere komplekse, højmolekylære molekyler fra simple organiske molekyler (se Kemisk evolution ).

Typer

syntetiske polymerer. Kunstige polymere materialer

Mennesket har brugt naturlige polymermaterialer i sit liv i lang tid. Det er læder , pelse , uld , silke , bomuld osv., der anvendes til fremstilling af beklædning, forskellige bindemidler ( cement , kalk , ler ), som med passende forarbejdning danner tredimensionelle polymerlegemer, der i vid udstrækning anvendes som byggematerialer . Den industrielle produktion af kædepolymerer begyndte dog i begyndelsen af det 20. århundrede, selvom forudsætningerne for dette dukkede op tidligere.

Næsten øjeblikkeligt udviklede den industrielle produktion af polymerer sig i to retninger - ved at forarbejde naturlige organiske polymerer til kunstige polymere materialer og ved at opnå syntetiske polymerer fra organiske lavmolekylære forbindelser.

I det første tilfælde er produktionen med stor kapacitet baseret på papirmasse . Det første polymere materiale fra fysisk modificeret cellulose - celluloid - blev opnået i midten af det 19. århundrede. Storskalaproduktion af celluloseethere og estere blev organiseret før og efter Anden Verdenskrig og fortsætter den dag i dag. På basis heraf fremstilles film , fibre , maling og lak og fortykningsmidler . Det skal bemærkes, at udviklingen af biograf og fotografi kun var mulig på grund af udseendet af en gennemsigtig film af nitrocellulose .

Produktionen af syntetiske polymerer begyndte i 1906, da Leo Baekeland patenterede den såkaldte bakelitharpiks, et produkt af kondensationen af phenol og formaldehyd , som bliver til en tredimensionel polymer ved opvarmning. Det har været brugt i årtier til fremstilling af huse til elektriske apparater, batterier , fjernsyn , stikkontakter osv., og er nu mere almindeligt brugt som bindemiddel og klæbemiddel .

Takket være Henry Fords indsats , før Første Verdenskrig, begyndte bilindustrien at udvikle sig hurtigt, først baseret på naturligt, derefter også syntetisk gummi . Produktionen af sidstnævnte blev mestret på tærsklen til Anden Verdenskrig i Sovjetunionen, England, Tyskland og USA. I samme år blev den industrielle produktion af polystyren og polyvinylchlorid mestret , som er fremragende elektrisk isolerende materialer, samt polymethylmethacrylat - uden organisk glas kaldet "plexiglas", ville masseflykonstruktion i krigsårene have været umulig.

Efter krigen genoptog produktionen af polyamidfibre og -stoffer ( kapron , nylon ), som var begyndt før krigen. I 50'erne af det XX århundrede blev polyesterfiber udviklet, og produktionen af stoffer baseret på det blev mestret under navnet lavsan eller polyethylenterephthalat . Polypropylen og nitron - kunstig uld lavet af polyacrylonitril - lukker listen over syntetiske fibre, som moderne mennesker bruger til tøj og industrielle aktiviteter. I det første tilfælde kombineres disse fibre meget ofte med naturlige cellulose- eller proteinfibre ( bomuld , uld , silke ). En epoke begivenhed i polymerverdenen var opdagelsen i midten af 50'erne af det XX århundrede og den hurtige industrielle udvikling af Ziegler-Natta-katalysatorer , som førte til fremkomsten af polymere materialer baseret på polyolefiner og frem for alt polypropylen og lav -tryks polyethylen (før det, fremstilling af polyethylen ved et tryk på ca. 1000 atm.), samt stereoregulære polymerer, der er i stand til at krystallisere. Derefter blev polyurethaner indført i masseproduktion - de mest almindelige tætningsmidler, klæbende og porøse bløde materialer (skumgummi) samt polysiloxaner - organoelementpolymerer, der har højere varmebestandighed og elasticitet sammenlignet med organiske polymerer .

Listen er lukket af de såkaldte unikke polymerer, der blev syntetiseret i 1960'erne og 1970'erne. Disse omfatter aromatiske polyamider , polyimider , polyestere , polyesterketoner osv.; en uundværlig egenskab ved disse polymerer er tilstedeværelsen af aromatiske cyklusser og (eller) aromatiske kondenserede strukturer. De er kendetegnet ved en kombination af fremragende værdier af styrke og varmebestandighed.

Ildfaste polymerer

Mange polymerer, såsom polyurethaner, polyestere og epoxyharpikser, har tendens til at antænde, hvilket ofte er uacceptabelt i praksis. For at forhindre dette, anvendes forskellige tilsætningsstoffer eller halogenerede polymerer. Halogenerede umættede polymerer syntetiseres ved at inkorporere chlorerede eller bromerede monomerer, såsom hexachlorendomethylentetrahydrophthalsyre (HEMTPA), dibromoneopentylglycol eller tetrabromphthalsyre i kondensationen. Den største ulempe ved sådanne polymerer er, at når de brændes, er de i stand til at frigive gasser, der forårsager korrosion, hvilket kan have en skadelig effekt på nærliggende elektronik.

Virkningen af aluminiumhydroxid er baseret på, at der ved høj temperaturpåvirkning frigives vand, hvilket forhindrer forbrænding. For at opnå effekten er det nødvendigt at tilføje store mængder aluminiumhydroxid: efter vægt 4 dele til en del umættede polyesterharpikser.

Ammoniumpyrophosphat virker efter et andet princip: Det forårsager forkulning, som sammen med et glasagtigt lag af pyrophosphater isolerer plasten fra ilt og hæmmer spredningen af brand.

Syntese

Polymerisering er processen med at kombinere mange små molekyler , kendt som monomerer, til en kovalent bundet kæde eller netværk. Under polymerisation kan nogle kemiske grupper gå tabt fra hver monomer. Dette sker under polymerisationen af PET-polyester . Monomererne er terephthalsyre (HOOC - C 6 H 4 - COOH) og ethylenglycol (HO - CH 2 - CH 2 - OH), men det gentagende element er OC - C 6 H 4 - COO - CH 2 - CH 2 - O -, hvilket svarer til en kombination af to monomerer med tab af to vandmolekyler. Det enkelte stykke af hver monomer, der er inkluderet i polymeren, er kendt som byggestenen.

Laboratoriesyntesemetoder falder generelt i to kategorier: trinpolymerisation og kædepolymerisation [4] . Den væsentlige forskel mellem dem ligger i det faktum, at under kædepolymerisation, med kædevækst, tilsættes monomerer til kæden kun én ad gangen [5] , for eksempel i polyethylen ; mens kæder af monomerer ved trinvis polymerisation kan forbindes direkte med hinanden [6] , for eksempel i polyester . Mere moderne metoder såsom plasmapolymerisation passer ikke ind i nogen af disse kategorier. Syntetiske polymerisationsreaktioner kan udføres med eller uden en katalysator . Laboratoriesyntese af biopolymerer, især proteiner, er et område med intens forskning.

For at initiere polymerisation anvendes overvejende kemiske metoder, der indfører initiatorer i monomerer eller deres opløsninger i tilfælde af polymerisation, der forløber ved en radikal mekanisme, og katalysatorer i tilfælde af ionisk polymerisation. Termiske og fotokemiske initieringsmetoder er begrænsede (den første skyldes ugunstige betingelser for udvikling af kæder ved forhøjede temperaturer og de resulterende sekundære processer, den anden skyldes dens lave effektivitet og kompleksitet af teknologisk design på grund af indflydelsen af mediets optiske egenskaber på forløbet af fotokemiske reaktioner). Strålingsmetoden til polymerisation anvendes også, ifølge hvilken initieringen af kædeprocessen udføres ved virkningen af ioniserende stråling [7] .

Ansøgning

På grund af deres værdifulde egenskaber bruges polymerer i maskinteknik , tekstilindustri , landbrug , medicin , bil- og skibsbygning , flyproduktion og i hverdagen (tekstiler og læderprodukter, fade, lim og lak , smykker og andre genstande). Baseret på makromolekylære forbindelser fremstilles gummi , fibre , plast , film og maling. Alle levende organismers væv er makromolekylære forbindelser.

Polymervidenskab

Videnskaben om polymerer begyndte at udvikle sig som et uafhængigt vidensfelt ved begyndelsen af Anden Verdenskrig og blev dannet som en helhed i 50'erne af det XX århundrede, da polymerernes rolle i udviklingen af teknologiske fremskridt og den vitale aktivitet af biologiske objekter blev realiseret. Det er nært beslægtet med fysik , fysisk , kolloid og organisk kemi og kan betragtes som et af de grundlæggende grundlag for moderne molekylærbiologi , hvis genstand for undersøgelse er biopolymerer .

Se også

Noter

↑ IUPAC-ordliste over grundlæggende termer i polymervidenskab
↑ Makromolekylære forbindelser // Great Soviet Encyclopedia : [i 30 bind] / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M . : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
↑ 1 2 3 4 Volynsky, 2014 .
↑ Sperling, LH (Leslie Howard). Introduktion til fysisk polymervidenskab (neopr.) . - Hoboken, NJ: Wiley, 2006. - S. 10 . — ISBN 978-0-471-70606-9 .
↑ Sperling, s. elleve
↑ Sperling, s. femten
↑ V.S. Ivanov. Syntese af makromolekylære forbindelser ved strålingspolymerisation..

Litteratur

Vinogradova SV, Vasnev VA Polykondensationsprocesser og polymerer. : M.: MAIK "Nauka/Interperiodika", 2000, 372 s.
Volynsky, Alexander Lvovich. Hvordan blander man polymerer? // Naturen . - 2014. - Nr. 3. - S. 44−52.
Korshak VV, Vinogradova SV Ligevægtspolykondensering. , M.: Nauka, 1968.
Korshak VV, Vinogradova SV Polykondensation uden ligevægt. , M.: Nauka, 1972.
Krivoshey V.N. Emballage lavet af polymermaterialer, M., 1990.
Makhlis F. A. Fedyukin D. L., Terminologisk guide til gummi, M., 1989.
Tager A. A. Physical chemistry of polymers, M .: Scientific world, 2007 .;
Sheftel V. O. Skadelige stoffer i plast, M., 1991.
Encyclopedia of polymers, bind 1 - 3, kap. udg. V. A. Kargin, M., 1972-1977.

Ordbøger og encyklopædier

I bibliografiske kataloger
BNF : 119328276 GND : 4046699-1 J9U : 987007563257705171 LCCN : sh85104660 NDL : 00575080 NKC : ph124310

Afsnit af materialevidenskab
Grundlæggende definitioner	Materiale Forbindelse kemisk fase Struktur makrostruktur mikrostruktur Ejendomme kemisk fysisk mekanisk funktionelle spredning
Hovedretninger	metalvidenskab metallurgi Maskiningeniør Keramik teknisk keramik Polymer materialer Byggematerialer Nanoteknologi rummaterialevidenskab Biokompatible materialer
Generelle aspekter	Teknologi Karakterisering instrumentelle analysemetoder Design (beregning af egenskaber) Information (databaser)
Andre vigtige retninger	Krystallografi Videnskaben om overfladefænomener Tribologi
Beslægtede videnskaber	Kemi strukturkemi fysisk kemi fysisk og kemisk analyse termodynamik kinetik faststofkemi polymerkemi Mineralogi minevidenskab nuklear teknik Fysik det kondenserede stofs fysik polymerfysik blødt stofs fysik faststoffysik