Термин “полимер” (от греческого poly, означающего “много”, и mer, означающего «единица») обозначает длинноцепочечную или сетчатую структуру макромолекул, которые образуются либо естественным путем, либо человеком. Последние называются синтетическими полимерами. Определение полимеров подтверждает, что эти вещества состоят из большого числа молекул.
Основные повторяющиеся молекулы вещества в различных сочетаниях:
- водород;
- азот;
- кислород;
- углерод.
Они являются основным материалом для пластмасс, часто называют смолами и применяются в различных сферах промышленности и в быту.
Полимеры, используемые для инженерных применений, состоят из относительно длинных молекул, чтобы обеспечить удовлетворительные уровни долговременной прочности, пластичности и вязкости.
Полимеры являются продуктом химического производства и большинство видов полимеров изготавливают из нефтепродуктов: нефти и газа.
Размер молекулы обозначается молекулярной массой, которая представляет собой сумму атомных масс всех элементов в молекуле. Поскольку все молекулы в полимере не имеют одинакового размера, степень полимеризации обычно выражается средней молекулярной массой полимера.
Свойства зависят от структуры молекул
Свойства полимеров зависят от внутренней структуры и характера взаимодействия между молекулами. Характер распределения молекулярных размеров оказывает значительное влияние на ряд физико-механических свойств. Используемые в бытовом оборудовании термопласты, как правило, имеют относительно высокую молекулярную массу (обычно более 100 000) и относительно узкое распределение молекулярной массы. Однако молекулярная масса не может быть настолько большой, чтобы привести к вязкости расплава, настолько высокой, чтобы препятствовать правильному изготовлению конечного продукта.
Другим параметром молекулярной структуры является длина и частота более коротких молекулярных цепей, которые иногда разветвляются от основной полимерной цепи. Эти ответвления помогают определить, насколько близко молекулы полимера могут располагаться рядом друг с другом, что оказывает влияние на физико-механические свойства полимера.
Длина и частота полимерных ответвлений могут регулироваться условиями химической реакции, используемыми катализаторами и сополимеризацией с другим мономером, отличным от основного. Например, полимеры полиэтиленовых труб на самом деле представляют собой сополимеры этилена с небольшими количествами других олефиновых мономеров, таких как пропилен, бутен, пентен и гексен. Хотя количество других используемых мономеров невелико, и, таким образом, полимер все еще подпадает под классификацию полиэтилена.
Определение полимеров как сложной молекулярной структуры оказывает значительное влияние на технические свойства. Многие коммерческие полимеры, включая полипропилен и полибутилен, также являются частичными сополимерами (несколько структурных звеньев).
Химическая геометрия
Химическая геометрия, иногда называемая архитектурой полимера, также помогает определить относительное физическое расположение молекул друг к другу и, тем самым, физические свойства полимера. Как правило, длинные молекулы в полимерах имеют тенденцию выстраиваться рядом друг с другом в случайной симметрии, аналогичной спагетти в миске. Это случайное расположение называется аморфным состоянием. Близость молекул полимера друг к другу и их физическое переплетение приводит к возникновению механических сил, которые в значительной степени определяют механические свойства полимера. Поливинилхлорид (ПВХ) и акрилонитрил, бутадиеновый каучук и стирол (АБС) — это полимеры, которые по существу являются аморфными материалами.
Кристаллические термопластичные материалы
Некоторые полимеры являются частично кристаллическими материалами. Части их полимерных цепей организуются в тесные и очень хорошо упорядоченные структуры, называемые кристаллитами, другие части лежат в аморфных областях. Более прочные физические связи в хорошо упорядоченных, плотно упакованных кристаллических областях оказывают значительное влияние на механические свойства, такие как прочность, жесткость и вязкость. Степень кристаллизации, размер и природа кристаллических областей, а также природа сети взаимосвязей молекул, идущих от одной кристаллической области к другой, — все это можно в некоторой степени контролировать, адаптируя молекулярную архитектуру.
Множество возможных вариаций структуры полимера в сочетании с различными типами и количествами добавок, которые могут быть использованы, приводят к большому разнообразию композиций пластмасс, даже в пределах определенной группы полимеров, таких как поливинилхлорид (ПВХ) или полиэтилен (ПЭ). Определение и классификация таких композиций, по понятным причинам, является непростой задачей.
