Глава 12.1. Материалы на основе полимеров / 12.1.1. Строение и свойства полимеров / 12.1.1.1. Общие сведения
Общие сведения. Полимеры — высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой 105... 107 а.е.м. Основа структуры полимеров — макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев — мономеров. В качестве примера приведем полиэтилен. Мономером полиэтилена является молекула этилена С2Н4. При соединении множества мономеров в молекулярную цепь образуется полимер — полиэтилен, его структурная формула: [—СН2—СН2—]n, где n — количество элементарных звеньев-мономеров, знак «» означает активную связь. Мономер полиэтилена имеет две активные связи. По свойствам полимеры резко отличаются от мономеров. Так, этилен в отличие от полиэтилена — газ.
Структура макромолекул полимера может быть линейной, разветвленной, пространственной (рис. 12.1); встречаются и другие виды. Истинная длина вытянутой молекулы весьма велика, но из-за наличия витков и петель расстояние между концами молекулы значительно меньше. Так, например, молекула полистирола, состоящая из 5000 звеньев, имеет длину 122 мкм, для сравнения период решетки a-железа равен 0,286 нм. Мономеры в макромолекуле связаны между собой сильной ковалентной связью.
У полимеров с линейной и разветвленной структурой связь между макромолекулами обусловлена только силами Ван-дер-Ваальса и, таким образом, достаточно слабая (см. подразд. 1.5). Поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размягчаются, становятся пластичными. Это термопластичные полимеры — термопласты. После охлаждения они вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства. Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.
Рис. 12.1. Различные типы структур полимеров: а — линейная; 6 — разветвленная; в — пространственная
Полимеры с пространственно замкнутой (сетчатой) структурой образованы мономерами, имеющими более двух активных связей, в этом случае и макромолекулы соединены сильными ковалентными связями (см. подразд. 1.3). На первой стадии образования такие полимеры получают линейную структуру. Пространственная структура образуется на второй стадии в процессе отверждения под воздействием температуры, давления, отвердителей вследствие необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей (сшивание) между ранее разобщенными макромолекулами. Такие полимеры называются термореактивными или реактопластами. Отвержденное состояние полимеров является термостабильным. В зависимости от количества связей между макромолекулами различают густосетчатые (с большим количеством связей) и редкосетчатые (с малым количеством связей) реактопласты.
Термопласты при нагреве сначала размягчаются, а затем образуют высоковязкие жидкости. Густосетчатые реактопласты практически не размягчаются и не изменяют своих свойств при нагреве до температуры термического разложения (температуры деструкции Тл), они практически нерастворимы в растворителях. Редкосетчатые реактопласты размягчаются при нагреве и набухают в растворителях.