Органические полимеры. Полимеры

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые состоят из множества мономеров. Полимеры стоит отличать от такого понятия как олигомеры, в отличие от которых при добавлении еще одного номерного звена свойства полимера не меняются.

Связь между звеньями мономеров может осуществляться с помощью химических связей, в таком случае они называются реактопластами, или благодаря силе междумолекулярного воздействия, что характерно для так называемых термопластов.

Соединение мономеров при образовании полимера может происходить в результате реакции поликонденсации или полимеризации.

В природе встречается множество подобных соединений, наиболее известные из которых: белки, каучук, полисахариды и нуклеиновая кислота. Такие материалы называются органическими.

На сегодняшний день большое количество полимеров производятся синтетическим путем. Такие соединения называются неорганическими полимерами. Неорганические полимеры получают путем соединения природных элементов с помощью реакции поликонденсации, полимеризации и химического превращения. Это позволяет заменить дорогие или редкие природные материалы, или создать новые, не имеющие аналоги в природе. Главное условие, чтобы полимер не содержал в составе элементов органического происхождения.

Неорганические полимеры, благодаря своим свойствам, обрели широкую популярность. Спектр их использования достаточно широк, при этом постоянно находят новые сферы применения и разрабатываются новые виды неорганических материалов.

Основные характеристики

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, как природных, так и синтетических, которые обладают различными составом, свойствами, сферой применения и агрегатного состояния.

Современный уровень развития химической промышленности позволяет производить неорганические полимеры в больших объемах. Чтобы получить такой материал нужно создать условия повышенного давления и высокой температуры. Сырьем для производства выступает чистое вещество, которое поддается процессу полимеризации.

Неорганические полимеры характерны тем, что обладают повышенной прочностью, гибкостью, тяжело поддаются воздействию химических веществ и устойчивы к высоким температурам. Но некоторые виды могут быть хрупкими и не обладать эластичностью, но при этом достаточно прочными. Наиболее известными из них считаются графит, керамика, асбест, минеральное стекло, слюда, кварц и алмаз.

Наиболее распространенные полимеры в основе имеют цепочки таких элементов, как кремний и алюминий. Это связано с распространенностью этих элементов в природе, особенно кремния. Наиболее известные среди них такие неорганические полимеры как силикаты и алюмосиликаты.

Свойства и характеристики разнятся не только в зависимости от химического состава полимера, но и от молекулярной массы, степени полимеризации, строения атомной структуры и полидисперсности.

Полидисперсность – это присутствие в составе макромолекул разной массы.

Большинство неорганических соединений характеризуются такими показателями:

1. Эластичность. Такая характеристика, как эластичность, показывает возможность материала увеличится в размерах под воздействием сторонней силы и вернутся в изначальное состояние после снятия нагрузки. Например, каучук способен увеличиться в семь-восемь раз без изменения структуры и различных повреждений. Возврат формы и размеров возможен благодаря сохранению расположения макромолекул в составе, перемещаются лишь отдельные их сегменты.
2. Кристаллическая структура. От расположения в пространстве составных элементов, что называется кристаллической структурой, и их взаимодействия зависят свойства и особенности материала. Исходя из этих параметров, полимеры разделяют на кристаллические и аморфные.

Кристаллические имеют стабильную структуру, в которой соблюдается определенное расположение макромолекул. Аморфные состоят из макромолекул ближнего порядка, которые только в отдельных зонах имеют стабильную структуру.

Структура и степень кристаллизации зависит от нескольких факторов, таких как температура кристаллизации, молекулярная масса и концентрированность раствора полимера.

1. Стеклообразность. Это свойство характерно для аморфных полимеров, которые при снижении температуры или повышении давления обретают стеклообразную структуру. В таком случае прекращается тепловое движение макромолекул. Температурные интервалы, при которых происходит процесс стеклообразования, зависит от типа полимера, его структуры и свойств структурных элементов.
2. Вязкотекучее состояние. Это свойство, при котором происходят необратимые изменения формы и объема материала под воздействием сторонних сил. В вязотекущем состоянии структурные элементы перемещаются в линейном направлении, что становится причиной изменения его формы.

Строение неорганических полимеров

Такое свойство очень важно в некоторых сферах промышленности. Наиболее часто его используют при переработки термопластов с помощью таких методов как литье под давлением, экструзия, вакуум-формирования и других. При этом полимер расплавляется при повышенных температурах и высоком давлении.

Виды неорганических полимеров

На сегодняшний день существуют определенные критерии, по которым классифицируются неорганические полимеры. Основные из которых:

• природа происхождения;
• виды химических элементов и их разнообразие;
• количество мономерных звеньев;
• строение полимерной цепи;
• физические и химические свойства.

В зависимости от природы происхождения классифицируют синтетические и натуральные полимеры. Натуральные формируются в природных условиях без участия человека, а синтетические производятся и модифицируются в промышленных условиях для достижения необходимых свойств.

На сегодняшний день существует множество видов неорганических полимеров, среди которых выделяются наиболее широко используемые. К таким относится асбест.

Асбест – тонковолокнистый минерал, который относится к группе силикатов. Химический состав асбеста представлен силикатами магния, железы, натрия и кальция. Асбест обладает канцерогенными свойствами, поэтому очень опасен для здоровья человека. Он очень опасен для работников, занятых на его добычи. Но в виде готовых изделий он достаточно безопасен, так как не растворяется в различных жидкостях и не вступает с ними в реакцию.

Силикон – один из наиболее распространенных синтетических неорганических полимеров. Его легко встретить в повседневной жизни. Научное название силикона – полисилоксан. Его химический состав представляет собой связь кислорода и кремния, которая придает силикону свойства высокой прочности и гибкости. Благодаря этому, силикон способен выдержать высокие температуры и физические нагрузки не теряя прочности, сохраняя форму и структуру.

Полимеры углерода очень распространены в природе. Существует также множество видов, синтезирующихся человеком в промышленных условиях. Среди природных полимеров выделяется алмаз. Этот материал невероятно прочный и обладает кристально чистой структурой.

Карбин – это синтетический углеродный полимер, который обладает повышенными свойствами прочности, не уступающими алмазу и графену. Производится в виде черного морошка мелкокристаллической структуры. Обладает свойствами электропроводимости, которая увеличивается под воздействием света. Способен выдержать температуру в 5000 градусов не теряя свойств.

Графит – углеродный полимер, структура которого отличается плоскостной ориентацией. Из-за этого структура графита слоистая. Этот материал проводит электричество, тепло, но не пропускает свет. Его разновидностью является графен, который состоит из одного слоя молекул углерода.

Полимеры бора отличаются высокой твердостью, не сильно уступая алмазам. Способны выдержать температуру более 2000 градусов, что намного больше пограничной температуры алмаза.

Полимеры селена – довольно широкий ряд неорганических материалов. Наиболее известный из них – карбид селена. Карбид селена – прочный материал, имеющий вид прозрачных кристаллов.

Полисиланы обладают особыми свойствами, которые отличают их от других материалов. Этот вид проводит электричество и выдерживает температуру до 300 градусов.

Применение

Неорганические полимеры применяются практически во всех сферах нашей жизни. В зависимости от вида, они обладают различными свойствами. Главная их особенность в том, что искусственные материалы обладают улучшенными свойствами в сравнении с органическими материалами.

Асбест применяется в различных сферах, в основном, в строительстве. Из смесей цемента с асбестом производят шифер и различные типы труб. Также асбест применяют для снижения кислотного влияния. В легкой промышленности асбест применяется для пошива противопожарных костюмов.

Силикон применяется в различных сферах. Из него производят трубки для химической промышленной, элементы, используемые в пищевой промышленности, а также используют в строительстве в качестве герметика.

В целом, силикон один из наиболее функциональных неорганических полимеров.

Алмаз наиболее известен как ювелирный материал. Он очень дорогой благодаря своей красоте и сложности добычи. Но алмазы также используются в промышленности. Это материал необходим в режущих устройствах для распила очень прочных материалов. Он может использоваться в чистом виде как резец или в виде напыления на режущие элементы.

Графит широко используется в различных сферах, из него делают карандаши, он применяется в машиностроении, в атомной промышленности и в виде графитовых стержней.

Графен и карбин пока малоизучены, поэтому сфера их применения ограничена.

Полимеры бора используются для производства абразивных материалов, режущих элементов и . Инструменты из такого материала необходимы для обработки металла.

Карбид селена применяется для производства горного хрусталя. Его получают путем нагрева до 2000 градусов кварцевого песка и угля. Хрусталь используют для производства высококачественной посуды и предметов интерьера.

Теоретически возможно существование неорганических полимеров, образованных химическими элементами III-VI групп системы элементов.

Наиболее важным химическим элементом для создания неорганических полимеров является кислород - самый распространенный на земле элемент. Он легко создает гетероцепные элементооксановые высокомолекулярные соединения, поэтому полиэлементооксаны являются основным классом гетероцепных безуглеродных, или неорганических, полимеров.

К неорганическим полимерам относят все безуглеродные полиэлементооксаны со связями типа Р-О, В-О, S-О, Si-О, А1-О и др., а также многие безуглеродные гетероядерные соединения типа боридов, сульфидов, силицидов, карбидов и др.

Общепринято, что к высокомолекулярным соединениям относятся вещества, состоящие из атомов, связанных в макромолекулярную структуру ковалентными связями. Установлено, что содержание ковалентных связей в неорганических полимерах составляет от 50 до 80%.

Макромолекулы неорганических полимеров могут быть не только гетероцепными, но и гомоатомными. Хорошо известны органические гомоатомные полимеры углерода - алмаз и графит, о которых говорилось выше (гл. 4).

Менее известны гомоатомные неорганические полимеры серы, селена, теллура. Гомоатомные полимеры серы имеют молекулярную массу от 5000 до 300 000, температуру стеклования 248-250 К и проявляют высокоэластические свойства при температуре 273-353 К. Но большинство химических элементов не способно к образованию устойчивых гомоатомных высокомолекулярных соединений.

Гетероцепные неорганические полимеры известны значительно шире. Благодаря своему строению они более стабильны и устойчивы к различным воздействиям.

Гетероцепные неорганические полимеры, так же как и органические, могут иметь линейное и сетчатое строение. К линейным относятся силикатные стекла на основе оксида кремния, полифосфаты и полибораты (соединения на основе солей полифосфорной и поли- борной кислот соответственно). Высокомолекулярную природу силикатов наш великий соотечественник Д.И. Менделеев предсказал еще в XIX в. и писал о кремнеземе как о полимере.

Другой неорганический гетероцепной полимер на основе диоксида кремния - кварц - имеет трехмерное сетчатое строение.

Хорошо известны другие природные неорганические полимерные материалы на основе силикатов - асбест, слюда, тальк. Разработаны технологии синтеза этих полимеров, причем технические характеристики искусственных материалов выше, чем природных.

Важнейшую группу неорганических гетероцепных полимерных материалов составляют керамики различного состава.

Что же позволяет считать эти материалы полимерными? Прежде всего, наличие высокой анизотропии макромолекулы и соединение атомов между собой прочными ковалентными связями. Наряду с этим для безуглеродных полимеров так же, как и для органических полимеров, неизвестно газообразное состояние. Так же как и органические высокомолекулярные соединения, безуглеродные полимеры делятся на термопласты (например, силикатные стекла) и реактопла- сты (например, оксидная керамика).

Растворы и расплавы неорганических полимеров по сравнению с растворами низкомолекулярных веществ имеют повышенную вязкость, которая возрастает с увеличением молекулярной массы. Сетчатые неорганические полимеры так же, как и сетчатые органические полимеры, не способны к растворению.

Неорганические полимерные материалы линейного строения способны находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. На рис. 17.1 показаны термомеханические кривые органических и неорганических полимеров. Кривые построены путем измерения при различных температурах угла кручения ф круглого стержня из исследуемого материала.

Из приведенных данных видно, что неорганические стекла, так же как и органические полимеры, имеют два температурных перехо-

Рис. 17.1. Термомеханические кривые органических и неорганических полимеров: 1 - оргстекла; 2- эбонита; 3, 4, 5 - силикатных стекол (свинцового, щелочного и малощелочного соответственно)

да, при которых их свойства (в данном случае угол закручивания стержня) резко изменяются, что связано с их переходами из стеклообразного в высокоэластическое и из высокоэластического в вязкотекучее состояние.

Многие неорганические полимеры имеют сетчатое строение и, как органические реактопласты, не могут проявить высокоэластич- ность. Для сетчатых неорганических полимеров, как и для органических, имеющих трехмерную сетку, понятие «макромолекула» теряет смысл, поскольку все их атомы соединены в единую сетчатую структуру, образующую гигантскую сверхмакромолекулу.

Технология получения неорганических высокомолекулярных соединений, так же как и органических, основана на полимеризации и поликонденсации. Синтез неорганических полимеров сетчатого строения и формование из них изделий происходят одновременно, так же как и при изготовлении изделий из реактопластов.

Пластификация неорганических полимеров производится низкомолекулярными веществами и позволяет снизить температуру стеклования, аналогично тому, как это происходит при пластификации органических полимеров органическими пластификаторами. В качестве пластификаторов неорганических полимеров используют воду, спирты, аммиак, газы - азот и кислород, позволяющие снизить уровень межмолекулярного взаимодействия и увеличить интервал между температурами стеклования и текучести.

Неорганические полимеры склонны к образованию надмолекулярных структур. Различными методами установлено, что в структуре стекол имеются микронеоднородности, обладающие строгой упорядоченностью. Один структурно-упорядоченный элемент в стекле приходится на объем 1(Г 28 см 3 . Размеры таких элементов, как правило, чрезвычайно малы (от 1 до 300 нм), поэтому существенного влияния на свойства стекол они не оказывают. В некоторых материалах с помощью зародышей кристаллизации специально создается двухфазная аморфно-кристаллическая структура, которая позволяет получать материалы с заданными свойствами.

На рис. 17.2 приведены фотографии микроструктуры неорганических полимеров на основе оксидов металлов, на которых отчетливо видны надмолекулярные образования, свидетельствующие о структурной упорядоченности этих материалов.

Рис. 17.2. Надмолекулярные структуры неорганических полимеров (х10 000): а - топливной таблетки U0 2 ; б - шпинели MgAl 2 0 4

Макромолекулы безуглеродных линейных полиэлементооксанов, так же как и органических полимеров, обладают гибкостью. Распространенное мнение об отсутствии гибкости у макромолекул неорганических полимеров основано на том, что большинство безуглеродных природных полимеров (силикатов) имеют трехмерную структуру, жестко ограничивающую сегментальную подвижность макромолекул.

Физические и химические свойства неорганических полимеров принципиально отличаются от свойств органических и элементоорганических полимеров, что является следствием различий в структуре главной цепи. Они обладают высокой прочностью и твердостью, тугоплавкостью и жаростойкостью, износостойкостью и отличными диэлектрическими свойствами, химически и биологически инертны.

Благодаря этим свойствам неорганические полимеры находят широкое применение в качестве огнеупорных, жаропрочных и сверхпрочных конструкционных материалов. Из них делают катализаторы и адсорбенты, клеи и герметики с высокой теплостойкостью, эти материалы применяются при изготовлении лазерного и электронного оборудования. Широко используются неорганические полимеры в качестве строительных материалов, а также в ортопедии и стоматологии. И это только начало.

Таблица 17.1. Прогноз развития исследований и разработок в области керамических материалов и стекла

В табл. 17.1 приведены прогнозы развития исследований в области неорганических полимерных материалов, которые показывают, что это направление материаловедческой науки должно привести к революционным изменениям в области создания новой техники.

Дальнейшее развитие использования этих материалов связано с необходимостью снижения их стоимости и расширения объемов производства.

Контрольные вопросы

• 1. Какие химические элементы могут образовывать неорганические полимерные материалы?
• 2. Какими связями соединены атомы в неорганических полимерных материалах?
• 3. Приведите примеры неорганических конструкционных материалов.
• 4. Какими важнейшими свойствами, присущими высокомолекулярным соединениям, обладают неорганические полимеры?
• 5. Какие физические состояния известны для неорганических полимеров?
• 6. Как можно классифицировать неорганические полимеры по отношению к нагреванию?
• 7. Можно ли пластифицировать неорганические полимеры?
• 8. Применимо ли понятие о надмолекулярной структуре к неорганическим полимерам?
• 9. Каковы отличительные свойства неорганических конструкционных материалов?

Полимеры с неорганической (не содержащей атомов углерода) главной цепью макромолекулы (См. Макромолекула). Боковые (обрамляющие) группы - обычно тоже неорганические; однако полимеры с органическими боковыми группами часто также относят к Н. п. (строгого деления по этому признаку нет).

Аналогично органическим полимерам Н. п. подразделяют по пространственной структуре на линейные, разветвленные, лестничные и сетчатые (двух- и трёхмерные), по составу главной цепи - на гомоцепные типа [-M-] n и гетероцепные типа [-M-M"-] n или [- М- M"- М"-] n (где М, M", М" - различные атомы). Например, полимерная сера [-S-] n - гомоцепной линейный Н. п. без боковых групп.

Многие неорганические вещества в твёрдом состоянии представляют собой единую макромолекулу, однако, для отнесения их к Н. п. необходимо наличие некоторой анизотропии пространственного строения (и, следовательно, свойств). Этим кристаллы Н. п. отличаются от полностью изотропных кристаллов обычных неорганических веществ (например, NaCI, ZnS). Большинство химических элементов не способно к образованию устойчивых гомоцепных Н. п., и лишь примерно 15 (S, Р, Se, Te, Si и др.) образуют не очень длинные (олигомерные) цепи, значительно уступающие по устойчивости гомоцепным олигомерам со связями С-С. Поэтому наиболее типичны гетероцепные Н. п., в которых чередуются электроположительные и электроотрицательные атомы, например В и N, Р и N, Si и О, образующие между собой и с атомами боковых групп полярные (частично ионные) химические связи.

Полярные связи обусловливают повышенную реакционную способность Н. п., прежде всего склонность к гидролизу. Поэтому многие Н. п. малоустойчивы на воздухе; кроме того, некоторые из них легко деполимеризуются с образованием циклических структур. На эти и др. химические свойства Н. п. можно отчасти влиять, направленно меняя боковое обрамление, от которого главным образом зависит характер межмолекулярного взаимодействия, определяющего эластичные и др. механические свойства полимера. Так, линейный эластомер Полифосфонитрилхлорид [-CI 2 PN-] n в результате гидролиза по связи Р-Сl (и последующей поликонденсации) превращается в трёхмерную структуру, не обладающую эластическими свойствами. Устойчивость к гидролизу этого эластомера можно повысить при замене атомов Cl на некоторые органические радикалы. Многие гетероцепные Н. п. отличаются высокой термостойкостью, значительно превышающей термостойкость органических и элементоорганических полимеров (например, полимерный оксонитрид фосфора n не изменяется при нагревании до 600 °С). Однако высокая термостойкость Н. п. редко сочетается с ценными механическими и электрическими свойствами. По этой причине число Н. п., нашедших практическое применение, сравнительно невелико. Однако Н. п. - важный источник получения новых термостойких материалов.

Е. М. Шусторович.

• - соли борных к-т: метаборной НВО 2, ортоборной Н 3 ВО 3 и не выделенных в своб. состоянии полиборных Н 3m-2n В mO3m-n. По числу атомов бора в молекуле делятся на моно-, ди-, тетра-, гексабораты и т. д. Бораты называют также...

  Химическая энциклопедия

• - соли угольной к-ты. Существуют средние карбонаты с анионом СО 32- и кислые, или гидрокарбонаты, с анионом HCO3-. К. - кристаллич...

  Химическая энциклопедия

• - клеи на основе клеящих в-в неорг. природы. Минеральные клеи производят в виде порошков, р-ров и дисперсий...

  Химическая энциклопедия

• - соли азотной к-ты HNO3. Известны почти для всех металлов; существуют как в виде безводных солей Mn , так и в виде кристаллогидратов Mn.x>H2O ...

  Химическая энциклопедия

• - соли азотистой к-ты HNO2. Используют прежде всего нитриты щелочных металлов и аммония, меньше-щел.-зем. и 3d-металлов, Рb и Ag. О Н. остальных металлов имеются только отрывочные сведения...

  Химическая энциклопедия

• - ярко-красные твердые соед. общей ф-лы Мn, где п заряд катиона М. Ион О -3 имеет симметричную треугольную конфигурацию; в молекуле RbO3 длина связи ОЧО 0,134 нм, угол ООО 114°...

  Химическая энциклопедия

• - см. Гидроксиды, Кислоты и основания...

  Химическая энциклопедия

• - см. Фосфаты конденсированные...

  Химическая энциклопедия

• - соли серной к-ты. Известны средние сульфаты с анионом, кислые, или гидросульфаты, с анионом, основные, содержащие наряду с анионом группы ОН, напр. Zn22SO4...

  Химическая энциклопедия

• - соед. серы с металлами, а также с более электроположит. неметаллами. Бинарные сульфиды могут рассматриваться как соли сероводородной к-ты H2S -средние, напр. , и кислые, или гидросульфиды, MHS, M2...

  Химическая энциклопедия

• - соли сернистой к-ты H2SO3. Различают средние сульфиты с анионом и кислые с анионом. Средние С.-кристаллич. в-ва. С. аммония и щелочных металлов хорошо раств. в воде; р-римость: 2SO3 40,0 , K2SO3 106,7 ...

  Химическая энциклопедия

• - ...

  Энциклопедический словарь нанотехнологий

• - см. Органические вещества...

  Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

• - К неорганическим относятся соединения всех химических элементов, за исключением большинства соединений углерода...

  Энциклопедия Кольера

• - неорганические вещества с функциональными свойствами. Различают металлические, неметаллические и композиционные материалы. Примеры - сплавы, неорганические стекла, полупроводники, керамика, керметы, диэлектрики...
• - НЕОРГАНИЧЕСКИЕ полимеры - полимеры, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых радикалов...

  Большой энциклопедический словарь

"Неорганические полимеры" в книгах

Глава 9 Полимеры вечны

Глава 9 Полимеры вечны Портовый город Плимут в юго-западной Англии уже не входит в число живописных городов Британских островов, хотя до Второй мировой войны он им являлся. За шесть ночей в марте и апреле 1941 года бомбы нацистов разрушли 75 тысяч зданий во время того, что

Полимеры