Матеріалознавство

 

До групи однорідних полімерних речовин відносяться мономери, олігомери, смоли і  власне полімери.

Мономер речовина, кожна молекула якої може утворювати одну або декілька складових ланок, які повторюються.

Олігомер речовина, молекули якої містять складові ланки, сполучені чином, що повторюється, один з одним, а комплекс властивостей змінюється при додаванні (або видаленні) одного або декількох складових ланок.

Смола твердий, напівтвердий або псевдо твердий органічний матеріал, який має визначену і звичайно відносно високу молекулярну масу і який під впливом тепла розм'якшується або плавиться в певному діапазоні температур.

Полімер речовина, що характеризується багатократним повторенням одного або більш складових ланок, сполучених між собою в кількості достатній для прояву комплексу властивостей, який залишається практично незмінним при додаванні або видаленні одного або декількох складових ланок.

Будову полімерних речовин визначають молекули.

Молекула якнайменша частинка речовини, що володіє його основними хімічними властивостями, яка складається з атомів, сполучених між собою хімічними зв'язками. Число атомів в молекулах складає від двох (Н2, О2, КС1) до сотень і тисяч.

Атоми в молекулі зв'язані між собою в певній послідовності і певним чином розташовані в просторі. Розташування атомів в молекулі завжди володіє певною  симетрією.  Загальні  характеристики  молекули  молекулярна  маса,

склад і структурна формула, що вказує на послідовність хімічних зв'язків.

Молекула полімерної речовини, що складається з тисяч і одиниць (однакових або близьких по будові груп атомів), що більш повторюються, називається макромолекулою і її хімічна будова практично відповідає хімічній будові структурної одиниці. Елементами макромолекули є основний ланцюг, складова ланка і бічні групи

Під основним ланцюгом полімеру розуміють таку послідовність хімічно зв'язаних атомів, яка має істотно більшу довжину, ніж довжина бічних груп.

Складова ланка група атомів, за допомогою якої можна описувати будову всього ланцюга макромолекули, що виділяється.

Бічними  групами  (радикалами)  є  атоми  (водню,  галогенів),  групи атомів (ОН, СN, С6Н5 і ін.) або відрізки полімерних молекул різної довжини. Бічні групи уздовж головного ланцюга можуть розташовуватися безладно (атактично) або мають впорядковану розстановку.  Полімери з впорядк ованою розстановкою бічних груп називаються регулярними.

По хімічному складу основного ланцюга існує класифікація на органічні, элементорганічні і неорганічні полімерні речовини.

В органічних полімерних речовинах (карболанцюгові полімери, каучук) основний   ланцюг утворений, головним чином, вуглецевими атомами. Разом з вуглецем, в них можуть  бути присутні атоми кисню, фосфору, фтору, хлору чи сірки. Атоми кисню сприяють підвищенню гнучкості ланцюга, атоми фосфору і хлору підвищують вогнестійкість, атоми сірки додають газонепроникність, атоми фтору надають полімеру високу хімічну стійкість.

Елементорганічні  (гетеро  ланцюгові)  полімерні  речовини  містять  у складі основного ланцюга, окрім вуглецю, атоми неорганічних елементів (А1, Тi, Si і ін.), що поєднуються з органічними радикалами СН3, С6Н3, СН2 і ін. Атоми неорганічних елементів, знаходячись в основному ланцюзі, істотно впливають на властивості полімерів, наприклад, збільшують теплостійкість. Органічні радикали в таких полімерах додають матеріалу міцність і еластичність. Елементорганічних полімерів в природі не зустрічається. Їх одержують штучним шляхом, наприклад, кремнійорганічні з'єднання.

Неорганічні полімери полімери, основний ланцюг яких не містить вуглецю, не має органічних бічних груп. Основний ланцюг неорганічних полімерів складений з оксидів кремнію, алюмінію, магнію, кальцію і ін. Виняток становлять деякі модифікації вуглецю, вуглецеві ланцюгові неорганічні полімери, (графіт). Неорганічні полімери відрізняються більш високою густиною і тривалою теплостійкістю, але вони не можуть існувати у високо еластичному стані, крихкі і погано переносять динамічні навантаження. Неорганічні полімери можуть мати природне (азбест) і штучне (кераміка) походження.

Макромолекули  можуть     бути побудовані  з  однакових  по  хімічному  складу (мономери) або різних (сополімери) складових ланок.

В макромолекулах полімерних речовин існують наступні види зв'язків: ковалентні (хімічні) і водневі зв'язки, а також Ван-дер-ваальсова взаємодія. Ковалентні  і  водневі  зв'язки  реалізуються  між  атомами  основного  ланцюга;  Ван-дер-ваальсова взаємодія розповсюджується на атоми основного ланцюга і бічних груп також на зв'язок макромолекул в цілому.

 

Макромолекули полімерів утворюють певну просторову конфігурацію. По виду цієї конфігурації розрізняють чотири групи будови полімерів: лінійну, розгалужену, стрічкову (сходову) і сітчасту (рис. 6). Просторова конфігурація макромолекул визначає фізичні стани і властивості полімерів.

 

Рисунок 6. – Форми макромолекул полімерів: а – лінійна; б – розгалужена;  в

– сходова (стрічкова); г – сітчаста.

Лінійні макромолекули полімеру є довгими зигзагоподібними або закрученими в спіраль ланцюжками (глобули).

Розгалужені макромолекули, будучи також лінійними, відрізняються наявністю бічних відгалужень, що перешкоджає їх щільній упаковці (поліізобутилен).

Полімери, що мають лінійну або розгалужену конфігурації макромолекул (поліетилен, полівінілхлорид, полістирол і ін.), при нагріванні володіють здатністю розм'якшуватися, а при охолоджуванні тверднути називають термопластичні. Лінійній конфігурації макромолекул відповідають високо  еластичний  (макромолекула  володіє  здатністю  згинатися)  і  в'язкий (вся макромолекула рухома) стани.

Макромолекула стрічкового полімеру складається з двох ланцюгів, сполучених хімічними зв'язками. Сходові полімери мають більш жорсткий основний ланцюг і володіють підвищеною теплостійкістю,   більшою жорсткістю,   вони  не розчинні в   стандартних   органічних   розчинниках (кремнійорганічні полімери).

 

Полімери з сітчастою просторовою конфігурацією макромолекул утворюються при з'єднанні макромолекул між собою в поперечному напрямі