Что такое Полимеры?

Полимер представляет собой большую молекулу или макромолекулу, которая по существу является комбинацией нескольких субъединиц. Термин «полимер» в переводе с греческого означает «много частей». Полимеры можно найти вокруг нас. От нити нашей ДНК, которая является естественным биополимером, до полипропилена, который используется во всем мире как пластик.

Полимеры встречаются в природе в растениях и животных (природные полимеры) или могут быть искусственными (синтетические полимеры). Различные полимеры обладают рядом уникальных физических и химических свойств, благодаря которым они находят применение в повседневной жизни.

Содержание

• Обзор
• Классификация полимеров
• Структура
• Типы
• Свойства
• Полимеры и их мономеры
• Реакции полимеризации
• Использование полимеров

Все полимеры создаются путем процесса полимеризации, в котором их составляющие элементы, называемые мономерами, взаимодействуют друг с другом с образованием полимерных цепей, то есть трехмерных сетей, образующих полимерные связи.

Тип используемого механизма полимеризации зависит от типа функциональных групп, связанных с реагентами. В биологическом контексте почти все макромолекулы либо полностью полимерные, либо состоят из крупных полимерных цепей.

Классификация полимеров.

Полимеры не могут быть отнесены к одной категории из-за их сложной структуры, различного поведения и широкого применения. Поэтому мы можем классифицировать полимеры, основываясь на следующих соображениях.

Классификация полимеров на основе источника. В этой категории есть три группы: природные, синтетические и полусинтетические полимеры.

• Природные (натуральные) полимеры: Они встречаются в природе в растениях и животных. Например, белки, крахмал, целлюлоза и каучук. Кроме того, у нас также есть биоразлагаемые полимеры, которые называются биополимерами.
• Полусинтетические полимеры: Их получают из природных полимеров и подвергаются дальнейшей химической модификации. Например, нитрат целлюлозы, ацетат целлюлозы.
• Синтетические полимеры: Это искусственные полимеры. Пластик является наиболее распространенным и широко используемым синтетическим полимером. Используется в промышленности и в упаковочных материалах. Например, нейлон-6 и полиэфир.

Классификация полимеров на основе структуры мономерной цепи. Эта категория имеет следующие классификации:

• Линейные полимеры. Структура этих полимеров, содержит длинные и прямые цепи. ПВХ, то есть поливинилхлорид, широко используется для изготовления труб, а электрические кабели являются примером линейного полимера.
• Полимеры с разветвленной цепью. Когда линейные цепи полимера образуют разветвления, такие полимеры классифицируются как полимеры с разветвленной цепью. Например, полиэтилен низкой плотности.
• Сшитые полимеры. Они состоят из бифункциональных и трифункциональных мономеров. Они имеют более прочную ковалентную связь по сравнению с другими линейными полимерами. Бакелит и меламин являются примерами полимеров в этой категории.

Классификация на основе полимеризации:

• Полимеризация с добавлением: пример, полиэтан, тефлон, поливинилхлорид (ПВХ)
• Конденсационная полимеризация: пример, нейлон-6, перилен, полиэфиры.

Классификация на основе мономеров:

• Гомомер: в этом типе присутствует единичный тип мономерной единицы. Например, полиэтилен;
• Гетерополимер или сополимер: он состоит из разных типов мономерных звеньев. Например, нейлон-6

Классификация на основе молекулярных сил:

• Эластомеры: это резиноподобные твердые вещества, присутствуют слабые силы взаимодействия. Например, резина.
• Волокна: Сильные, прочные, высокая прочность на разрыв и присутствуют большие силы взаимодействия. Например, нейлон-6.
• Термопласты: они имеют промежуточные силы притяжения. Например, поливинилхлорид.
• Термореактивные полимеры: эти полимеры значительно улучшают механические свойства материала. Обеспечивает повышенную химическую стойкость и термостойкость. Например, фенольные смолы, эпоксидные смолы и силиконы.

Структура полимеров

Большинство полимеров вокруг нас состоят из  углеводородного каркаса. Углеводородная основа является длинной цепью связанных атомов углерода и водорода, возможно из-за природы четырехвалентного углерода.

Несколько примеров углеводородного основного каркаса представляют собой полипропилен, полибутилен, полистирол. Также существуют полимеры, которые вместо углерода имеют другие элементы в своей основной цепи. Например, нейлон, который содержит атомы азота в повторяющемся звене основной цепи.

Типы полимеров

На основе типа основной цепи полимеры можно разделить на:

• Органические полимеры: углеродная основа.
• Неорганические полимеры: основная цепь, состоящая из элементов, отличных от углерода.

Типы полимеров на основании их синтеза:

• Натуральные полимеры
• Синтетические полимеры

Биоразлагаемые полимеры. Полимеры, которые распадаются и разлагаются микроорганизмами, такими как бактерии, называются как биоразлагаемые полимеры. Эти типы полимеров используются в хирургических повязках, покрытиях капсул и в хирургии. Например, Поли (3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат) [PHBV]

Высокотемпературные полимеры. Эти полимеры стабильны при высоких температурах. Из-за их высокой молекулярной массы они не разрушаются даже при очень высоких температурах. Они широко используются в здравоохранении, для изготовления стерилизационного оборудования и в производстве жаропрочных и ударопрочных предметов.

Некоторые из важных полимеров:

Полипропилен: это тип полимера, который размягчается при температуре выше определенной, позволяя ему формоваться и при охлаждении затвердевать. Благодаря своей способности легко формоваться в различные формы, он имеет множество применений. Некоторые из них относятся к стационарному оборудованию, автомобильным компонентам, колонкам для многоразовых контейнеров и многому другому. Благодаря своей относительно низкоэнергетичной поверхности, полимер плавится в процессе сварки при этом не используется клей.

Полиэтен: это самый распространенный вид пластика, который можно найти вокруг нас. В основном используется для упаковки от пластиковых пакетов до пластиковых бутылок. Существуют различные типы полиэтилена, но их общая формула (C₂H₄)_n.

Свойства полимеров

Физические свойства

• По мере увеличения длины цепи и сшивания увеличивается предел прочности полимера;
• Полимеры не плавятся, они меняют состояние с кристаллического на полукристаллическое.

Химические свойства

• По сравнению с молекулами у обычных полимеров, у полимеров с различными боковыми ответвлениями молекул, полимер обладает водородными и ионными связями, что приводит к лучшей прочности сшивки.
• Диполь-дипольные связи боковых цепей обеспечивают полимеру высокую гибкость.
• Известно, что полимеры с  ван-дер-ваальсовыми силами, связывающими цепи, являются слабыми, но дают полимеру низкую температуру плавления.

Оптические свойства

• Благодаря своей способности изменять свой показатель преломления с температурой, как в случае с органическим стеклом (PMMA) и гидроксиэтилметакрилатом (HEMA): Метилметакрилат (MMA), они используются в лазерах для применения в спектроскопии и аналитических применениях.

Некоторые полимеры и их мономеры

• Полипропен, состоит из мономерного пропена;
• Полистирол — это ароматический полимер, естественно прозрачный, состоящий из мономера стирола;
• Поливинилхлорид (ПВХ) представляет собой пластичный полимер, изготовленный из мономера винилхлорида;
• Мочевиноформальдегидная смола представляет собой непрозрачный пластик, полученный нагреванием формальдегида и мочевины;
• Глиптал состоит из мономеров этиленгликоля и фталевой кислоты.
• Бакелит или полиоксибензилметиленгликольангидрид представляет собой пластик, который состоит из мономеров фенола и альдегида.

Типы реакций полимеризации

Дополнительная полимеризация. Это также называется цепной полимеризацией. При этом небольшие мономерные звенья соединяются, образуя гигантский полимер. На каждом шаге длина цепи увеличивается. Например, полимеризация этана в присутствии пероксидов.

Конденсационная полимеризация. В этом типе небольшие молекулы, такие как H₂O, CO, NH₃, удаляются во время полимеризации (ступенчатая полимеризация роста). Обычно органические соединения, содержащие бифункциональные группы, такие как идолы, -диалы, диамины, дикарбоновые кислоты, подвергаются реакции полимеризации этого типа. Например, производство нейлона-6.

Сополимеризация. В этом процессе два разных мономера соединяются, образуя полимер. С помощью этой полимеризации получают синтетические каучуки. Например, стирол-бутадиен или стирол-бутадиеновый каучук

Использование полимеров

Здесь мы перечислим некоторые важные области применения полимеров в нашей повседневной жизни.

• Полипропен находит применение в широком спектре отраслей промышленности. Например, он используется в таких изделиях как текстиль, упаковка, канцелярские товары, пластмасса, авиация, строительство, игрушки и в веревках;
• Полистирол является одним из наиболее распространенных пластиков, активно используемых в упаковочной промышленности. Бутылки, игрушки, контейнеры, подносы, одноразовые стаканы и тарелки, корпуса телевизоров и крышки являются некоторыми примерами изделий из полистирола. Он также используется в качестве изоляторов;
• Наиболее важным применением поливинилхлорида является производство канализационных труб. Он тоже используется в качестве изолятора в электрических кабелях;
• Поливинилхлорид используется в одежде и мебели, и в последнее время он также стал популярным материалом при изготовлении дверей и окон. Он также используется в виниловых покрытиях;
• Мочевиноформальдегидные смолы используются для изготовления клеев, форм, ламинированных листов и неразрушаемых контейнеров.
• Глиптал используется для изготовления красок, покрытий и лаков.
• Бакелит используется для изготовления электрических выключателей, кухонных изделий, игрушек, ювелирных изделий, огнестрельного оружия, изоляторов и компьютерных дисков.

Коммерческое использование полимеров