Полимеризация

Мономеры

Это простые молекулы одного и того же химического соединения, которые подвергаются процессу полимеризации. Такие молекулы должны отвечать определенным критериям:

1. Они должны содержать многочисленные связи, обычно двойные, которые могут быть разорваны, в результате чего получается два электрона, которые позволяют образовывать новые связи;
2. Они должны содержать в своей структуре две функциональные группы, способные вступать в реакцию.

С другой стороны, мером называется наименьшая повторяющаяся часть полимерной цепи. Общее уравнение реакции полимеризации можно записать в виде:

_{МОНОМЕР                           ПОЛИМЕР                         МЕР}

Виды полимеризации

Реакции, в результате которых образуются полимеры, можно классифицировать в зависимости от механизма. Таким образом, различаем:

• цепную полимеризацию;
• полиприсоединение;
• конденсационную полимеризацию.

Цепная полимеризация

Чаще всего является радикальной реакцией и происходит исключительно для мономеров, содержащих в своей структуре множественные связи, способные образовывать радикалы при разрыве. Эти радикалы характеризуются способностью объединяться в длинные цепи. Реакция заключается в многократном повторении присоединения частиц мономера к одному и тому же активному центру. Такая реакция всегда должна инициироваться химическими соединениями, обладающими способностью производить высокоэнергетические радикалы с коротким временем жизни и слабой резонансной стабильностью, в результате теплового распада, светового кванта или окислительно-восстановительных реакций. Очень большая часть полимеров (>70 % виниловых полимеров), производимых в промышленных масштабах, получена этим методом, поскольку он обладает такими преимуществами, как высокий выход, простота технологии, высокая устойчивость к примесям, возможность применения общедоступного растворителя — воды, и легко предсказуемая кинетика процесса. Реакция цепной полимеризации делится на несколько этапов: инициирование, распространение — рост цепи, перенос цепи и завершение. Помимо радикальной полимеризации, цепной механизм может протекать анионно или катионно. В случае анионной полимеризации применяется индуктивный эффект заместителей, например, в виниловых полимерах. Группа, способная притягивать электроны, в состоянии индуцировать положительный заряд, присутствующий на соседних атомах, за счет более прочного связывания электронной пары двойной связи. Для катионной полимеризации необходимо применять мономеры, имеющие донорную группировку, например, виниловые эфиры.

Полиприсоединение

Иначе известное как ступенчатая полимеризация, основано на перегруппировке атомов между молекулами мономеров таким образом, что не возникали никакие побочные продукты, как при цепной полимеризации. Однако, в отличие от нее, оно носит ступенчатый характер.

Конденсационная полимеризация

Это тип реакции, происходящей исключительно для мономеров, имеющих в своей структуре минимум две функциональные группы, способные вступать в реакцию с выделением побочного продукта, чаще всего в виде воды. Существует два возможных типа такой конденсации. Гетерополиконденсация, если мономер содержит две различные функциональные группы, реагирующие друг с другом, или гомополиконденсация в случае, когда мономер состоит из двух одинаковых функциональных групп. Они могут реагировать исключительно с сомономером, т. е. вторым присутствующим в реакции мономером, содержащим другие функциональные группы.

Классификация полимеров в зависимости от их физических и химических свойств

1. Эластомеры — высокоэластичные, резиноподобные полимеры, обладающие способностью многократно растягиваться и возвращаться к своим исходным размерам, например, сшитый полибутадиен.
2. Дюромеры — превосходные строительные материалы. Они характеризуются твердостью, отсутствием гибкости и очень высокой механической прочностью. Твердоплавкие полимеры такого вида называются дюропластами и включают бакелит и эпоксидные смолы.
3. Пластомеры, иначе называемые термопластами — немного менее жесткие, чем дюромеры. Их можно обрабатывать плавлением, но повторная термическая обработка отрицательно сказывается на их механических и функциональных свойствах. К этой группе полимеров относятся полиэтилен, полипропилен, полиметилметакрилат и другие.

Классификация полимеров по происхождению

1. Природные полимеры, как следует из названия, представляют собой полисоединения, встречающиеся в природе. Они могут быть применены непосредственно или модифицированы. К наиболее часто применяемым относятся:
   a) натуральный каучук — полиизопрен, который при вулканизации с серой образует резину (около 3 % серы), применяемую во всевозможных видах прокладок, шин, игрушек, эластичных тканей и бытовых товаров, и эбонит (около 25–30 % серы), применяемый в аккумуляторных ящиках, химической аппаратуре и изоляционных материалах;
   b) полисахариды — такие как рибоза, глюкоза и фруктоза, а также и крахмал, целлюлоза. Это очень часто применяемые материалы, состоящие из молекул моносахаридов, соединенных гликозидной связью. Целлюлоза применяется в производстве бумаги, клея или искусственного шелка, а крахмал — практически во всех отраслях промышленности, включая текстильную, фармацевтическую и косметическую;
   c) белки — их мономерами являются α-аминокислоты, такие как глицин, цистеин и фенилаланин. Они являются основными строительными блоками всех живых организмов с различными биологическими функциями. Остатки аминокислот соединены пептидными связями. В основном они применяются в пищевой промышленности и в медицине.

2. Искусственные полимеры — это искусственные соединения, получаемые путем химического синтеза. Полимеризация может происходить цепным способом, полиприсоединения и поликонденсации. К ним относятся, например:
   a) цепные полимеры, такие как: полиэтилен, применяемый в производстве пленки, упаковки и игрушек, полипропилен, применяемый в изоляционных материалах, водопроводных трубах и деталях кузова автомобилей, и поливинилхлорид, применяемый в производстве покрытий, электроизоляционных материалов, дверей и окон;
   b) синтетические каучуки, в том числе полибутадиен, применяемый в прокладках, латексных красках и клеях, и полихлоропрен, применяемый в спасательных шлюпках, водолазных костюмах и реабилитационных бандажах;
   c) полиприсоединительные полимеры, такие как полиуретаны, применяемые в мебельной, автомобильной и обувной промышленности, а также эпоксидные смолы, находящиеся в ламинатах, клеях и различных композитах, применяемых в авиа- и автомобилестроении, постройке деревянных судов;
   d) конденсационные полимеры, такие как полиэфиры, наиболее часто применяемые в виде ПЭТФ, т. е. полиэтилентерефталата, для производства посуды, бутылок, упаковок и волокон; полиамиды, главным образом нейлон, широко применяемый в качестве компонента чулок, колготок, веревок, зубных щеток и кевлара; поликарбонаты, представляющие собой прозрачные термопласты с очень хорошими механическими свойствами, часто применяемые для изготовления слоев ударопрочного стекла, шлемов и CD/DVD-дисков; фенопласты, применяемые главным образом в виде бакелита; аминопласты и силиконы.

Читайте также об эмульсионной полимеризации.