ВВЕДЕНИЕ

Со времени образования Земли более 4 миллиардов лет назад в ее гигантской лаборатории такие элементы, как углерод, водород, кислород и азот соединялись различным образом, в результате чего образовывались различные, довольно сложные молекулы. В один прекрасный день количество переросло в качество, и это привело к возникновению самого загадочного и чудесного явления, именуемого жизнью.

Материальный основой жизни является белок, т.е. громадные полимерные молекулы. Этот полимер в природе был синтезирован из метана, аммиака и углекислого газа. Так зародилась жизнь, и одна из ее форм приобрела со временем облик человека. Иначе говоря, мы с вами, как и все остальные животные и растения, состоим из полимеров.

Кроме белков с давних времен существовали и другие формы полимерных молекул. Такие вещества как древесина, хлопок, крахмал тоже являются полимерами.

Полимеры существовали задолго до появления человека, но только человек оценил их свойства и начал использовать целенаправленно.

Спросим себя: что, в конечном счете, является наиболее важной движущей силой человеческого развития? И ответим: инстинкт выживания. Даже миллионы лет назад основные потребности человека были те же, что и сегодня: ему были необходимы пища и средства защиты от окружающей среды. Шкуры животных защищали его тело от холода, ветви деревьев использовались для постройки жилища, деревянная дубинка оказалась удобнее, чем просто камень, а, соединив то и другое с помощью целлюлозных волокон, человек создал каменный топор. Таким образом, с первых дней цивилизации человек использовал полимерные материалы, дарованные природой.

В ходе развития цивилизации люди изыскивали все новые и новые пути удовлетворения своих потребностей. И сейчас мы не отказываемся от одежды из шерсти из шкур животных, хотя сегодня с ней успешно конкурирует одежда из полиэфиров и полиамидов, то есть природные полимеры дополнены синтетическими.

Полимеры позволяли не только удовлетворять насущные потребности человека, но и потакали его прихотям. В 15 веке Христофор Колумб заметил, что индейцы Южной Америки в своих играх и забавах используют каучуковые мячи, изготовленные из млечного сока гевеи. Со временем эти индейские забавы привели к возникновению одной из самых мощных отраслей промышленности на Земле.

Развитию полимерной науки и технологии часто способствовали и различные курьезы и случайности. Швейцарский ученый Кристиан Шонбайн однажды разбил колбу, содержащую смесь азотной и серной кислот. В панике он схватил фартук жены и начал затирать им лужу. Затем бедняга выстирал фартук и повесил его сушиться у камина. Но едва фартук подсох, он вспыхнул и мгновенно исчез без следа – просто растворился в воздухе. Так был открыт бездымный порох – полимерный аналог черного пороха.

В 19 веке – в эпоху бурного развития органической химии – химики столкнулись с досадным осложнением. Многие реакции приводили к образованию клейких и вязких веществ, которые налипали на посуду и оборудование и мешали выделению целевого продукта синтеза. И только гениальность Лео Бакеланда помогла разглядеть в этой противной липкой грязи новую ветвь в химии и химической технологии. В 1909 году он получил бакелит – пластик на основе фенолоформальдегидной смолы, прадедушку многих сотен современных пластмасс.

Несколько ранее для замены дефицитной слоновой кости был предложен целлулоид – полимерный материал, способный формироваться в изделия любой формы. В 1912 году Жак Бранденбургер изобрел знаменитый прозрачный материал – целлофан, используемый и по сей день.

В этом же десятилетии появились еще несколько полимеров. Открытия следовали друг за другом в лабораториях всего мира. Но это были лишь первые ласточки. Подавляющее число полимеров было синтезировано много позже.

Действительно, химия высокомолекулярных соединений начала выделяться в самостоятельную науку только в 30-х годах прошлого столетия. В целом полимеры гораздо моложе, чем радио или самолет. Но как невозможно представить жизнь без радиосвязи и авиации, так невозможна современная цивилизация без полимерных материалов. Мы живем в мире полимеров. Трудно назвать отрасль народного хозяйства, где бы не применялись полимерные материалы или изделия на их основе. Имеем ли мы дело с модными галантерейными безделушками и одеждой или говорим об аэрокосмической технике – полимеры везде на переднем крае технологии.

Полимеры могут быть превращены в прочные жесткие изделия, мягкие упругие пенопласты, тонкие и прочные волокна, прозрачные стеклообразные листы, желеобразные пищевые материалы. Они используются как связующие, упаковочные, уплотнительные материалы, как несущие конструкции и защитные покрытия.

За короткое время создано огромное количество пластических масс, синтетических каучуков и волокон, подавляющее большинство которых обладает лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с природными полимерами. Однако это не исключает использование продуктов природного происхождения, их совершенствование и модернизацию.

Так что же такое полимеры?

Полимеры – это вещества с молекулярной массой в несколько сотен тысяч. Их гигантские молекулы – макромолекулы, – состоят из многих сотен обычных молекул, соединенных друг с другом. Эти небольшие молекулы, входящие в состав макромолекулы полимера, могут быть как одинакового, так и разного химического состава.

Соединение друг с другом множества исходных единиц и дало полимеру его название: «поли» – по гречески много, «мерос» – часть.

1. Отличительные особенности поведения полимеров

Гигантские размеры полимерных молекул являются причиной отличия поведения полимеров от поведения обычных химических веществ.

Например, известно, что бензол плавится при 5,5⁰С, т.е. переходит из твердого состояния в жидкое. При дальнейшем нагревании он начинает кипеть, т.е. молекулы бензола переходят в газовую фазу.

Полимер – допустим полиэтилен – не плавится при определенной температуре. Вместо этого он при нагревании размягчается и постепенно превращается в очень вязкую клейкую расплавленную массу. Дальнейшее нагревание этого расплава приводит к образованию различных газов, но ни один из них полиэтиленом уже не является. Размеры полимерных молекул настолько велики, что полимер не может перейти в газообразную форму.

Таким образом, ни один полимер не может существовать в виде газа или пара и, соответственно, не имеет температуры кипения.

Другая особенность, отличающая полимеры от низкомолекулярных веществ, заключается в своеобразии их поведения при растворении.

Вспомним процесс растворения соли, допустим, NaCl. При добавлении в воду кристаллы соли за несколько секунд полностью растворяются при перемешивании. Новая порция ведет себя также. Так будет продолжаться, пока раствор не станет насыщенным. После точки насыщения новые порции соли в воде на растворяются, а оседают на дне в виде кристаллов. Вязкость таких насыщенных растворов мало отличается от вязкости чистой воды.

Но если мы вместо соли возьмем полимер, например, поливиниловый спирт, то он в воде моментально не растворится даже при сильном перемешивании. Гранулы поливинилового спирта поглощают воду, набухают и переходят в раствор только спустя несколько часов, а то и дней.

Кроме того, какое большое количество поливинилового спирта мы не взяли бы, точка насыщения никогда не будет достигнута. Правда, растворение каждой новой порции будет занимать все большее время, но гранулы ПВС никогда не будут сохранять свой исходный вид, как кристаллы избытка NaCl. Так будет продолжаться до тех пор, пока система не станет тестообразной, а ее вязкость не возрастет на несколько порядков.

Таким образом, отметим, что длительное время, необходимое для растворения, отсутствие точки насыщения и возрастание вязкости раствора являются признаками, характерными для растворения типичного полимера и обусловлены, в основном, большими размерами макромолекул. На первой стадии растворения идет процесс набухания, при котором полимер многократно увеличивает свой объем, сохраняя, однако, свою форму.

2. Строение полимеров

Как мы уже говорили, полимер состоит из большого числа маленьких молекул, которые, соединяясь друг с другом, образуют одну длинную и большую молекулу. Отдельные маленькие молекулы (и вещества, которые из них состоят) называются мономерами, а процесс, в ходе которого молекулы мономера соединяются между собой с образованием большой молекулы полимера, называется полимеризацией.

Должно отметить, что молекулы мономеров могут образовать полимер только в том случае, если они имеют как минимум два реакционных центра (т.е. как говорят, являются бифункциональными).

Ранее мы говорили, что полимер может состоять из одного или нескольких мономеров. Нужно лишь, чтобы каждая молекула мономера имела возможность соединяться не менее чем с двумя такими же или другими мономерными молекулами.

Молекулы мономера могут просто присоединяться друг к другу с образованием полимера. Этот процесс называется полимеризацией. Мономерные звенья в этом случае сохраняют свою индивидуальность и в полимере. Например, мономерные молекулы этилена присоединяются друг к другу с образованием полиэтилена, в котором сохраняется их структурная идентичность.

5 CH₂=CH₂ -CH₂-CH₂- CH₂-CH₂- CH₂-CH₂- CH₂-CH₂- CH₂-CH₂-

^{1 2 3 4 5}

Если молекулы мономера не просто присоединяются друг к другу, а при образовании полимера претерпевают некоторые химические изменения, то этот процесс называется поликонденсацией.

4 HO-R-COOH H-O-R-CO-O-R-CO-O-R-CO-O-R-CO-OH + 3 H₂O

^{1 2 3 4}

В этом случае две молекулы одного или разных мономеров взаимодействуют друг с другом за счет двух реакционных центров – функциональных групп – карбоксильной и гидроксильной, с образованием полиэфира и выделением воды.

Следовательно, при полимеризации молекулярная масса полимера довольно точно равна сумме молекулярных масс всех участвовавших в этой реакции мономеров. При поликонденсации молекулярная масса полимера всегда меньше на сумму молекулярных масс выделившихся низкомолекулярных продуктов.

Как при полимеризации, так и при поликонденсации полимерная молекула состоит из многократно повторяющихся структурных единиц. Эти повторяющиеся структурные единицы называются мономерными звеньями, а количество мономерных звеньев в молекуле – степенью полимеризации.

Для полиэтилена (-СН₂-СН₂-)₅ степень полимеризации СП=5.

Для полиэфира НО-(R-СОО-)₄-Н степень полимеризации СП=4.