» » Структурные особенности высокомолекулярных соединений

Структурные особенности высокомолекулярных соединений

29.08.2016

Образование молекулы Mn полимерного материала представляет собой цепное соединение большого количества n простых отдельных молекул (мономеров) M в результате реакции полимеризации или поликонденсации:
nМ→Мn.

Co структурной точки зрения полимерная молекула образуется путем «сшивания» элементарных молекул (мономеров М) в длинную макромолекулярную цепочку (рис. 2.1). Такое строение обеспечивает молекуле полимера высокую молекулярную массу и гибкость ее звеньев, определяет свойства и особенности материала в целом.
Для высокомолекулярных соединений (ВМС) характерны два типа связей: химические (энергия ~400 кДж/моль) и межмолекулярные (до 5 кДж/моль), резко различающиеся по энергии и длине. В цепи мономеры соединяются между собой прочными химическими связями длиной 1—1,5 А, а между цепями — значительно более слабыми межмолекулярными (длиной 3—4 А).
В производственных условиях полимеры получают искусственно, обычно из материалов органического происхождения, чаще всего на основе углерода (С), фтора (F), азота (N) или их комбинации (сополимеры). Однако большинство полимерных материалов, в том числе общеизвестные полиолефины — полиэтилены, полипропилены, поликарбонаты и др., изготавливаются на основе углеродного мономера.
Изображенная на рис. 2.1 схема представляет собой упрощенный вид линейной молекулы полимера. Часто полимерные молекулы связаны в цепочку нe только линейными, но и поперечными связями.
К примеру, в молекуле полипропилена
Структурные особенности высокомолекулярных соединений

Молекулы полиамидов в отличие от чисто углеводородных связей имеют в основных звеньях повторяющиеся элементы азота:
Структурные особенности высокомолекулярных соединений

В полимерную цепочку может быть связано весьма большое количество молекул мономеров (до 300 тыс). Однако применяемые на практике полимерные материалы имеют в своих звеньях в основном 1000—3000 молекул. Соответственно этому количеству устанавливается и молекулярный вес вещества.
Прочные цепочные связи в линейной ориентации ВМС приводят к возможности получения в осевом направлении свойств, близких к физико-механическим свойствам твердых тел, тогда как в поперечном направлении они приближаются к свойствам жидкостей. Другой особенностью ВМС является структурная двузначность молекулы, состоящей из цепи и ее звеньев. Это приводит к высокой гибкости материала, способствующей созданию и возможности регулирования многих новых, качественно отличных свойств.
Надо при этом заметить, что механические и физические свойства ВМС зависят не только от строения, состава, размеров и гибкости полимерных макромолекул, но и от их надмолекулярной структуры, т. е. взаимного расположения в изделии. Выпрямленные макромолекулы, агрегатируя друг с другом, образуют продолговатые пачки, ориентированные в пространстве и существующие длительно. Однако отдельные гибкие макромолекулы могут принимать свернутые формы, образуя глобулы надмолекулярной структуры. По отношению к глобулам пачки становятся первичными структурными элементами, определяющими основные свойства материала.
Такие структурные особенности и композиционное построение полимерных материалов дают возможность обеспечить весьма широкий диапазон механических, химических, электрических, тепловых и других свойств в зависимости от исходных эксплуатационных требований, предъявляемых к условию работы соответствующего изделия. Возможность синтеза свойств и обоснованного подбора полимерных материалов, отвечающих одновременно нескольким различным техническим требованиям, позволяет достичь экономичности, равнопрочности, компактности, выигрыша во времени и в качестве исполнения изделия или технологического процесса.
Например, такое отличительное свойство полимеров, как способность к проявлению ярко выраженной анизотропии свойств, обеспечивает формообразование из них синтетических волокон, пленок и других изделий с направленными свойствами. При создании из полимерных материалов растворов гибкие и длинные полимерные молекулы в них как бы диссоциируют, приобретая внешние признаки коллоидных растворов (лиофильные коллоиды) с присущими этим растворам свойствами диффузии и некоторых термодинамических явлений. Это обстоятельство используется при создании твердеющих полимерных композиций для упрочнения горных пород и некоторых других целей.