Атлас

Что такое полимер

Полимер это очень длинная молекула, собранная из множества повторяющихся или похожих кусочков, как бусы из бусин. Целлюлоза, лигнин, пластмассы, резина и белки устроены именно так.

Полимеры, или высокомолекулярные соединения, состоят из макромолекул, построенных из многократно повторяющихся составных звеньев. Свойства полимера определяются не только химическим строением звена, но и длиной цепей, их формой и взаимным расположением.

Форма макромолекул и типы сополимеров. Бусины условно обозначают звенья.

Макромолекула и звено

Маленькая молекула, из которой строят полимер, называется мономером. Когда мономеры соединяются, каждый становится звеном цепи. Число звеньев в цепи называют степенью полимеризации: у целлюлозы древесины это тысячи.

Мономер это низкомолекулярное соединение, из которого образуется полимер. Составное повторяющееся звено это наименьший фрагмент, повторением которого описывается цепь. Степень полимеризации равна числу звеньев в макромолекуле; молярная масса макромолекулы равна произведению степени полимеризации на массу звена плюс массу концевых групп. Олигомеры содержат небольшое число звеньев, и их свойства заметно меняются при добавлении каждого нового звена.

Природные, искусственные, синтетические

Одни полимеры делает природа: целлюлозу, лигнин, крахмал, белки. Другие получают, химически изменяя природные: так из целлюлозы делают ацетат и вискозу. Третьи целиком создаёт химик из мономеров: полиэтилен, капрон, фенолоформальдегидные смолы.

По происхождению полимеры делят на природные (полисахариды, лигнин, белки, натуральный каучук), искусственные, полученные химической модификацией природных (эфиры целлюлозы, вискоза), и синтетические, полученные из мономеров. По составу главной цепи различают карбоцепные (цепь из атомов углерода, как у полиэтилена) и гетероцепные полимеры (в цепи есть кислород, азот и другие атомы, как у целлюлозы, полиэфиров, полиамидов).

Форма цепи

Цепь может быть прямой нитью, может ветвиться как дерево, а может срастаться с соседями в сплошную сетку. От формы зависит главное: плавится ли полимер и растворяется ли он.

Различают линейные, разветвлённые и сетчатые (сшитые, трёхмерные) полимеры. Линейные и разветвлённые полимеры при подходящих условиях растворяются, а многие и плавятся (целлюлоза разлагается раньше, чем плавится); сетчатые не растворяются, а только ограниченно набухают, и не переходят в вязкотекучее состояние. В древесине все три типа рядом: линейная целлюлоза, разветвлённые гемицеллюлозы и лигнин, который в учебниках описывают как трёхмерный (сильно разветвлённый и частично сшитый) полимер.

Гомополимеры и сополимеры

Если все звенья одинаковые, это гомополимер. Если в цепи два или больше разных звеньев, это сополимер. Звенья могут чередоваться, стоять вперемешку, идти длинными блоками или висеть боковыми цепочками.

Сополимеры классифицируют по распределению звеньев: статистические, чередующиеся, блок-сополимеры и привитые сополимеры (боковые цепи одного состава привиты к главной цепи другого). Природные гетерополисахариды, например глюкоманнаны, по сути являются сополимерами. Прививка синтетических цепей к целлюлозе используется для модификации её свойств.

Термопласты и реактопласты

Одни пластмассы при нагреве размягчаются и их можно переплавить: это термопласты. Другие при нагреве один раз твердеют навсегда, потому что их цепи сшиваются в сетку: это реактопласты. Смолы для фанеры и ДСП относятся ко вторым.

Термопластичные полимеры (полиэтилен, поливинилхлорид, поливинилацетат) обратимо размягчаются при нагревании. Термореактивные полимеры при отверждении образуют сетчатую структуру и необратимо теряют способность плавиться и растворяться; к ним относятся отверждённые фенолоформальдегидные, карбамидоформальдегидные и эпоксидные смолы.

Главное в цифрах

мономер → полимер
звено повторяется
целлюлоза
линейная
гемицеллюлозы
разветвлённые
лигнин
трёхмерный, частично сшитый
термопласт
можно переплавить
реактопласт
сшит необратимо

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. Odian G. Principles of Polymerization. 4th ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2004.
  4. IUPAC. Compendium of Polymer Terminology and Nomenclature (IUPAC Recommendations 2008). Cambridge: RSC Publishing, 2009.