Способы получения синтетических полимеров

Существуют два основных способа получения высокомолекулярных соединений: полимеризация и поликонденсация.

1. Реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей и не сопровождающаяся выделением побочных низкомолекулярных продуктов, т. е. не приводящая к изменению элементного состава мономера, называется полимеризацией.

В цепную полимеризацию вступают в основном ненасыщенные мономеры (алкены), у которых двойная связь находится между углеродными атомами:

Пример 1. Схема реакции полимеризации производных алкенов:

п СН₂ ═ СН → ─ [─СН₂ ═ СН─]_п─RR

Где: R = Н, С1, СН₃ и т.д.

Радикальная полимеризация — один из распространенных способов синтеза полимеров. Активным центром такой полимеризации является свободный радикал. Если в радикальной полимеризации активным центром является радикал, то в ионной — ионы.

Ионная полимеризация, как и радикальная, — цепной процесс. Однако растущая макромолекула при ионной полимеризации в отличие от радикальной представляет собой не свободный радикал, а ион — катион или анион. В зависимости от этого различают катионную (карбониевую) и анионную (карбанионную) полимеризацию.

Сополимеризация — процесс образования сополимеров совместной полимеризацией двух или нескольких различных по природе мономеров. Этим методом получают высокомолекулярные соединения с широким диапазоном физических и химических свойств. Например, в результате сополимеризации бутадиена с акрилонитрилом образуется бутадиеннитрильный каучук (СКН), обладающий высокой стойкостью к маслам и бензинам. Из него изготовляют уплотнительные прокладки для деталей, соприкасающихся с маслами и растворителями.

Пример 2

Схема сополимеризации бутадиен-1,3 и акрилонитрила:

2. Поликонденсация — процесс образования полимеров путем химического взаимодействия молекул мономеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (воды, хлороводорода, аммиака, спирта и др.).

В процессе поликонденсации происходит взаимодействие между собой функциональных групп, содержащихся в молекулах мономеров (—ОН, —NН₂, —СООН, галогены, подвижный водород и др.). Мономеры, вступающие в реакцию поликонденсации, должны содержать не менее двух функциональных групп.

Пример 3. Схема поликонденсации аминокислот с образованием полиамидов:

Реакция между двухосновными кислотами и двухатомными спиртами приводит к получению полиэфиров, из которых наибольшее значение имеют полиэфиры на основе ароматических и непредельных двухосновных кислот.

Строение полимеров

ВМС, которые содержат в макромолекулярной цепи одинаковые элементарные звенья (например, А), называются гомополимерами:

—А—А—А—А—А—А—А—А—А—А—А—А-…

Иногда макромолекулярные цепи бывают построены из разных элементарных звеньев (например, сополимеры). При этом, если различные элементарные звенья (А, В, С) расположены в главной цепи без видимого порядка, то сополимеры называются нерегулярными:

… —А—В—В—А—С—В—А—А—В—А—С—В-…

При строгой последовательности звеньев в макромолекулярной цепи сополимеры называют регулярными и они могут иметь такой вид:

... —а—В—С—А—В—С-—А—В—С—А—В—С— …

Полимеры, содержащие асимметричные атомы углерода, и пространственно упорядоченные, называются стереорегулярными.

Регулярные и стереорегулярные полимеры имеют более высокие физико-химические показатели. Более высокие температуры плавления и большая механическая прочность регулярных полимеров по сравнению с нерегулярными объясняется более плотной упаковкой макромолекулярных цепей. Часто в состав сополимеров входят целые «блоки», построенные из элементарных звеньев только одного вида:

... —А—А—А—А—В—В—В—В—С—С—С—С— …

Такие сополимеры называются блок-сополимерами.

В зависимости от формы макромолекул высокомолекулярные соединения бывают не только линейными, т. е. состоящими из практически неразветвленных цепных макромолекул, но и разветвленными и пространственными (трехмерными).

Линейные макромолекулы можно представить в виде длинных нитей, поперечный размер которых ничтожно мал по сравнению с ее длиной. Например, длина макроцепи полимера, имеющего молекулярную массу 350000, в шесть тысяч раз превышает ее диаметр.

Из природных полимеров линейное строение имеют целлюлоза, амилоза (составная часть крахмала), натуральный каучук, а из синтетических — полиэтилен, поливинилхлорид, капрон и многие другие полимеры.

Разветвленные полимеры имеют длинные цепи с боковыми ответвлениями:

А—А—А—А—А—-... —А— А— А— А— А— А— А— А— А— А—

А— …А—А—А—А—--.

К таким полимерам относятся амилопектин крахмала, некоторые синтетические полимеры и привитые сополимеры:

в —в—В—В—В—..

. .. —А— А— А—А— А— А— А— А— А— А— А— А— …

В—В—В—В—В—В—В— …

П ространственные (трехмерные) полимеры построены из соединенных между собой макромолекулярных цепей. В качестве таких «мостиков», осуществляющих поперечную химическую связь, могут выступать отдельные атомы или группы:

В

. .. _А—А—А—А—А—А—А—А--А—...

В

а—а—А—А—А—А—А—А—А— -

В

Такие полимеры называют сетчатыми. К ним относятся, прежде всего, фенолоформальдегидные и мочевиноформальдегидные полимеры, а также резина, макромолекулы которой «сшиты» между собой атомами серы.

В случае пространственных полимеров понятие «молекула» теряет свой обычный смысл и приобретает некоторую условность. Это связано с большими размерами и громоздкостью этих молекул. Форма макромолекул во многом определяет свойства полимеров. Полимерные соединения часто применяются в качестве связующего компонента. Если в полимерные соединения ввести наполнители, красители, пластификаторы, а также добавки, препятствующие преждевременному разрушению данного полимера, то такие композиции называются пластмассами.