Атлас

Химические реакции и деструкция полимеров

Полимер можно химически менять, не разрушая цепь, а можно, наоборот, рвать цепь на куски. Целлюлоза и лигнин постоянно проходят через оба типа реакций: при варке, отбелке, крашении и старении бумаги.

Химические превращения полимеров делят на реакции без изменения степени полимеризации (полимераналогичные), реакции с её увеличением (сшивание, прививка, блок-сополимеризация) и реакции с её уменьшением (деструкция).

Два пути деструкции: случайный разрыв связей внутри цепи и отщепление звеньев с конца. Двигайте ползунок.

средняя СП
потеря массы

Полимераналогичные превращения

Можно заменить группы на звеньях цепи, а саму цепь сохранить. Так из целлюлозы получают ацетат, а из поливинилацетата поливиниловый спирт.

Полимераналогичные превращения затрагивают функциональные группы при сохранении основной цепи и степени полимеризации: этерификация и образование простых эфиров целлюлозы (на практике нередко с некоторым снижением СП), омыление (в промышленности метанолиз) поливинилацетата до поливинилового спирта. Реакционная способность групп в полимере может отличаться от их поведения в низкомолекулярных аналогах из-за соседних звеньев, доступности и конформаций.

Сшивание и прививка

Цепи можно связать мостиками, и полимер станет сеткой. Так из сырого каучука делают резину. Можно и прирастить к цепи новые ветви из другого полимера.

Сшивание (структурирование) образует поперечные связи между макромолекулами: вулканизация каучука серой, отверждение смол, сшивание целлюлозы формальдегидом и поликарбоновыми кислотами при несминаемой отделке тканей. Прививка присоединяет к макромолекуле боковые цепи другого состава, например при привитой сополимеризации виниловых мономеров на целлюлозу.

Деструкция и её причины

Цепь рвут тепло, свет, кислород, кислоты, щёлочи, механическое усилие и микробы. Каждый разрыв укорачивает цепи, и материал слабеет.

По действующему фактору различают термическую, механическую, фотохимическую, окислительную, гидролитическую (кислотную, щелочную) и биологическую деструкцию. По механизму различают разрывы по закону случая и деполимеризацию с концов цепи. Для целлюлозы главные пути это кислотный и ферментативный гидролиз гликозидных связей, окислительная деструкция, щелочное ступенчатое отщепление звеньев с восстанавливающего конца и щелочной гидролиз при высоких температурах варки.

Случай или с конца

Если цепь рвётся в случайных местах, средняя длина падает очень быстро, а масса почти не теряется. Если звенья отщепляются по одному с конца, длина падает медленно, зато уходит много массы. Схема на странице показывает оба пути.

При случайной деструкции линейной цепи степень полимеризации снижается быстро при малой потере массы: число разрывов на исходную молекулу s = DP0/DPt - 1 (по среднечисловым СП). При деполимеризации с концов (реакция отщепления у полисахаридов в щелочи, распад полиметилметакрилата до мономера) СП меняется медленно, а потеря массы велика. В щелочной варке отщепление прекращается, когда концевое звено превращается в устойчивую метасахариновую кислоту (реакция стабилизации).

Особенности реакций целлюлозы

Целлюлоза реагирует неравномерно: сначала в рыхлых аморфных участках, потом, если вообще, в плотных кристаллических. Поэтому при кислотном гидролизе цепи быстро укорачиваются до определённой длины, а дальше процесс резко замедляется.

Реакции целлюлозы обычно гетерогенны, и их скорость определяется доступностью: аморфные области реагируют быстрее кристаллических. При гетерогенном кислотном гидролизе СП быстро снижается до предельной (level-off) степени полимеризации, после чего деструкция замедляется; для целлюлозы древесины предельная СП составляет порядка 100-300, у хлопка 200-300. Для равномерных превращений целлюлозу активируют (набухание в щелочи, растворение).

Главное в цифрах

полимераналогичные
СП сохраняется
сшивание
СП растёт до сетки
деструкция
СП падает
случайные разрывы
s = DP0/DPt - 1
с конца цепи
много массы, СП медленно
предельная СП
порядка 100-300

Источники главы

  1. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров: учебник. 2-е изд. СПб.: Лань, 2010.
  2. Евстигнеев Э.И. и др. Химия древесины и синтетических полимеров. Ч. 1. Строение, свойства, химические реакции и производные целлюлозы: учебно-методическое пособие. СПб.: СПбГТУРП, 2010.
  3. Sjöström E. Wood Chemistry: Fundamentals and Applications. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1993.