Неорганические полимеры

Классификация синтетических полимеров

Существует несколько классификационных групп полимеров, в зависимости от определяющего признака. В первую очередь, это:

• Искусственные полимеры, созданные на основе природных органических полимеров (целлюлоза – целлулоид, каучук – резина);
• Синтетические полимеры, в основе которых синтез из низкомолекулярных соединений (стирол – полистирол, этилен – полиэтилен).

По химическому составу деление таково:

• Органические, имеющие в составе преимущественно углеводородные цепочки;
• Элементоорганические, включающие в органические цепочки неорганические атомы (кремний, алюминий). Наиболее яркий пример – кремнийорганические композиции.

В зависимости от типов цепочек молекулярного состава, можно указать следующие виды структуры полимеров:

• Линейные, у которых мономеры соединены в длинные прямые цепочки;
• Разветвленные;
• С сеточной структурой.

Варианты структуры полимеров

Все полимерные соединения по-разному характеризуются по отношению к температуре. Таким образом, их делят на две группы:

• Термопластичные, для которых воздействие температуры оказывает обратимые изменения – нагрев, плавление;
• Термореактивные, необратимо изменяющие свою структуру при нагреве. В большинстве случаев этот процесс происходит без стадии плавления.

Существует еще несколько типов классификации полимеров, к примеру, по полярности молекулярных цепочек. Но данная квалификация необходима только узким специалистам.

Многие типы полимеров используются в самостоятельном виде (полиэтилен, полиамид), но значительное количество применяется в качестве композиционных материалов, где выполняет роль связующего элемента между органической и неорганической основой – пластики на основе стеклянных или углеродных волокон. Часто можно встретить комбинацию полимер – полимер (текстолит, у которого полимерная ткань пропитана полимерным связующим).

Классификация полимеров

По составу все полимерные материалы делятся на неорганические, органические и элементоорганические. Первые из них (силикатное стекло, слюда, асбест, керамика и др.) не содержат атомарный углерод. Их основой являются оксиды алюминия, магния, кремния и т. д. Органические полимеры составляют наиболее обширный класс, они содержат атомы углерода, водорода, азота, серы, галогена и кислорода. Элементоорганические полимерные материалы – это соединения, которые в составе основных цепей имеют, кроме перечисленных, и атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, способных сочетаться с органическими радикалами. В природе такие комбинации не возникают. Это исключительно синтетические полимеры. Характерными представителями этой группы являются соединения на кремнийорганической основе, главная цепь которых строится из атомов кислорода и кремния.

Для получения полимеров с необходимыми свойствами в технике зачастую используют не «чистые» вещества, а их сочетания с органическими или неорганическими компонентами. Хорошим примером служат полимерные строительные материалы: металлопласты, пластмассы, стеклопластики, полимербетоны.

Неорганические полимер

Неорганические полимеры имеют неорганические основные цепи и не содержат органических боковых радикалов. Их классифицируют по тем же признакам, что и органические полимеры: па конфигурации – линейные, разветвленные и пространственные; по происхождению – природные и синтетические, по составу основной цепи – гомо – и гетероцепные. Неорганические гомо – и гетера атомные цепи способны образовывать элементы групп III – VI Периодической системы. Такие гетероатомные частично ионные связи обычно прочнее чисто ковалентных. В отличие от органических полимеров неорганические ВМС не имеют длинных цепей и соответственно для них не характерно эластичное состояние. Так как, кроме углерода, другие элементы не могут образовывать ненасыщенных соединений, то синтез неорганических полимеров осуществляется, главным образом, путем поли-конденсации. Некоторую способность образовывать гомоцепные неорганические полимеры имеют бор, сера, олово. Большинство же элементов образуют гетероцепные полимеры, и в основном трех мерной структуры. Наиболее типичными представителями гетеро-цепных неорганических полимеров являются оксиды, которые можно считать продуктами поликонденсацин гндроксидов.
 

Неорганические полимеры отличаются по химическим и физическим свойствам от органических или элементоорганических полимеров, прежде всего, вследствие различной электронной структуры главной цепи и отсутствия органических обрамляющих групп. Электронная структура определяет возможность образования цепей полимерной молекулы. Обрамляющие группы модифицируют электронную структуру, защищают главную цепь полимеров от атаки нуклеофильными или электрофильны-ми реагентами и определяют характер меж.
 

Неорганические полимеры отличаются от органических и элементоорганических полимеров высокоупорядоченной кристаллической структурой. Они имеют больший модуль упругости и обладают повышенной стойкостью к термической и термоокислительной деструкции. Их температуры размягчения и плавления, а также нагревостойкость и термостойкость значительно выше, чем органических и элементоорганических полимеров.
 

Неорганические полимеры, относящиеся к группе сетчатых, широко распространены в земной коре в виде минералов. Часть их перерабатывается и используется в виде неорганических стекол или керамических материалов.
 

Неорганические полимеры находят все более широкое применение в качестве высокотемпературных материалов: покрытий, волокон, наполнителей для пластиков. Прочность на растяжение волокна из АЬОз составляет 70500 кГ / см2, а волокно из ZrO2 выдерживает повторные нагревания до 2480 С.
 

Неорганические полимеры построены из неорганических цепей.
 

Неорганические полимеры обладают не только термостойкостью и твердостью, но и, подобно органическим, могут быть эластичными. Например, стеклянное волокно не горит, не гниет, не впитывает влагу, не боится действия большинства кислот и щелочей; или синтетический асбест, отличающийся от природного большим постоянством свойств и химического состава, а также более высокой термостойкостью; или полученный полимер сульфида кремния, имеющий асбестоподобную структуру. Ныне твердо установлено, что неорганическая природа многих больших молекул не исключает эластичности и других типичных свойств органических полимеров. Таким образом, на границе органической и неорганической химии оформилась и успешно развивается новая ветвь – неорганические полимеры. Все новые и новые открытия совершаются в этой области.
 

Неорганические полимеры еще очень мало изучены, и в настоящее время расположение их в какие-либо классы затруднительно.
 

Неорганические полимеры еще очень мало изучены, и в настоящее время разделение их на классы затруднительно. Поэтому ниже перечислены только некоторые неорганические полимеры.
 

Неорганические полимеры состоят из неорганических атомов и не содержат органических боковых радикалов.
 

Неорганические полимеры – это полимеры, не содержащие углерод. В нефтепромысловой практике в основном используют органические и элементоорганические полимеры.
 

Неорганические полимеры имеют неорганические основные цепи и не содержат органических боковых радикалов.
 

Неорганические полимеры привлекают внимание многих исследователей при создании материалов, обладающих высокими техническими свойствами.
 

Неорганические полимеры отличаются от органических и элементоорганических полимеров высокоупорядоченной кристаллической структурой. Они имеют большой модуль упругости и повышенную стойкость к термоокислительной деструкции.
 

Неорганические полимеры, содержащие галогенные группы, обсуждаются в разд.
 

Где используются полимеры?

Благодаря своим свойствам, полимеры используются сейчас во многих отраслях. Их используют для производства множества материалов.

Например, в строительстве — как материал для электротехнических конструкций, кабелей, проводов, труб, изоляционных эмалей и лаков. Полимеры химическим путём добавляют в состав бетона и железобетона, чтобы улучшить их качества. Полимеры используют при производстве плёнок и защитных покрытий, сеток и ограждений.

Полимеры также используют в автомобилестроении. Из них делают детали для машин: резину, решётки радиаторов, колпаки для колёс, чехлы для сидений, вентиляционные решётки, коврики; их добавляют в лаки и краски. Они используются также при производстве клея.

В нефтегазовой промышленности также используются полимеры: при производстве оборудования, например насосов, камер и т. д.

В медицине полимеры применяют для изготовления капсул для лекарств. Полимер поликарбонат используют даже при разработке искусственного сердца. А гиалуроновая кислота, которая также является полимером, используется в процессе наращивания тканей.

Виды неорганических полимеров

Асбест – один из самых распространенных полимеров. По своей структуре это тонковолоконный материал – силикат. В своем составе он включает молекулы железа, магния, кальция и натрия. Производство этого полимера относится к числу вредных для человека, но изделия из него абсолютно безопасны.

Силикон также нашел свое применение благодаря тому, что по многим характеристикам превосходит природный каучук. Прочность и эластичность обеспечивает соединение кислорода и кремния. Полисиликонсан выдерживает механические, температурные, деформационные воздействие. При этом форма и структура остается неизменной.

Карбин пришел на смену алмазу. Он также прочен, что необходимо во многих отраслях промышленности. Для этого полимера характерна способность выдерживать температуру до 5 000 ºC. Особенность – увеличение электропроводности под воздействием световых волн.

Графит известен всем, кто когда-либо брал в руки карандаш. Особенность углеводородистых полимеров – плоскостная структура. Они проводят электрические разряды, тепло, но полностью поглощают световую волну.

Также производятся полимеры, в основе которых применен селен, бор и другие элементы, что обеспечивает разнообразие характеристик.

Полимеры бора

Если вас спросят о том, какие неорганические полимеры вам известны, смело отвечайте – полимеры бора (-BR-). Это достаточно обширный класс НП, широко применяемый в промышленности и науке.

Карбид бора – его формула правильнее выглядит так (B12C3)n. Его элементарная ячейка – ромбоэдрическая. Каркас образуют двенадцать ковалентно связанных атомов бора. А в середине его – линейная группа из трех ковалентно связанных атомов углерода. В результате образуется очень прочная конструкция.

Бориды – их кристаллы образованы подобно вышеописанному карбиду. Наиболее стойкий из них HfB2, который плавится только при температуре 3250 °C. Наибольшей химической стойкостью отмечается TaB2 – на него не действуют ни кислоты, ни их смеси.

Нитрид бора – его часто называют белым тальком за сходство. Это сходство действительно лишь внешнее. Структурно он аналогичен графиту. Получают его, нагревая бор или его оксид в атмосфере аммиака.

Химические волокна и пластмассы

Полимеры и пластмассы на их основе являются ценными заменителями многих природных материалов (металлов, дерева, кожи, клеев и т. п.). Синтетические волокна успешно заменяют натуральные — шелковые, шерстяные, хлопчатобумажные

При этом важно подчеркнуть, что по ряду свойств материалы на основе синтетических полимеров часто превосходят природные. Можно получать пластические массы, волокна и другие соединения с комплексом заданных технических свойств

Это позволяет решать многие задачи современной техники, которые не могли быть решены при использовании только природных материалов.

На нашем сайте представлены более 10000 рефератов и статей по полимерам отличного качества. Найти их можно через карту сайта, воспользовавшись алфавитным указателем.

Типы полимеров

По химическому составу различают:

• органические;
• элементоорганические;
• неорганические.

Органические полимеры:

• природные;
• искусственные (модифицированные);
• синтетические.

Природные полимеры

Такие полимеры можно найти в природе. Человек не участвует в производстве таких полимеров. В качестве примера можно привести белки, крахмал, натуральный каучук, хлопок, шерсть и др.

Искусственные полимеры

Чтобы получить такие полимеры, человек проводит химические опыты. Например, чтобы получить модифицированный полимер, который затем будет применён при производстве красок, химики добавляют в раствор стирола в толуоле или ксилоле льняное или касторовое масло и нагревают его.

Пример такого полимера — целлюлоза.

Синтетические полимеры

Произвести такие полимеры можно с помощью химического синтеза (т. е. химическим путём). В синтезе участвуют высокомолекулярные органические продукты. Например, чтобы получить синтетический полимер лавсан нужно поликонденсировать (т. е. провести химический опыт) терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Пример — капрон, нейлон, полиэтилен, полипропилен, полистирол, фенолформальдегидные смолы.

Элементоорганические полимеры

Содержат атомы других химических элементов, например кремния, алюминия, титана и др. Выделяют:

• термостойкие полимеры;
• полимеры с высокой электропроводностью и полупроводниковыми свойствами;
• вещества с высокой твёрдостью и эластичностью;
• биологические активные полимеры и др.

Химики получают такие полимеры при взаимодействии определённых органических веществ с солями или заменяя некоторые атомы углерода в молекулах на другие составляющие. Пример — полисилоксаны, полититаноксаны и др.

Неорганические полимеры

Полимеры, молекулы которых построены из неорганических боковых цепей (или неорганических радикалов). Неорганические полимеры можно обнаружить в составе земной коры.

Полимеры могут отличаться составом мономерных звеньев. Мономерное звено — это составная часть макромолекулы полимера. Различают:

• гомополимеры;
• гетерополимеры (или сополимеры).

Гомополимеры

Это такие полимеры, у которых одинаковые мономерные звенья. Например: полихлорвинил, поливинилацетат и полистирол.

Гетерополимеры

Это полимеры, которые имеют различные мономерные звенья. Например: сополимер хлористого винила с винилацетатом, сополимер стирола с бутадиеном.

Полимеры могут также подразделяются также на карбоцепные (или гомоцепные) и гетероцепные полимеры.

Гетероцепные полимеры

Главные цепи макромолекул таких полимеров включают не только атомы углерода, но ещё и атомы кислорода, азота и серы. Например: простые эфиры (например, полиэтиленгликоль), сложные эфиры (глифталевые смолы, полипептиды (белки) и др.).

Полимеры также могут подразделяться в зависимости от расположения мономерных цепей в пространстве. Различают:

• стереорегулярные (полимеры с линейной структурой);
• нестереорегулярные (или атактические).

Строение макромолекул полимеров может быть различным. Таким образом, есть полимеры:

• линейные;
• разветвлённые;
• лестничные;
• трёхмерные сшитые (сетчатые, пространственные).

Полимеры можно получить разными способами:

• если полимер получают с помощью поликонденсации, то такой полимер называют поликонденсационным (или реактопластами);
• если с помощью полимеризации — речь идёт о полимеризационном полимере.

В зависимости от реакции полимера на нагревание выделяют:

• термопластичные (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол);
• термореактивные полимеры (полиэфиры, эпоксидные, меламиновые и фенольные смолы).

Полимеризация

Степень полимеризации — это число, показывающее сколько молекул мономера соединилось в макромолекулу. 

Степень полимеризации обычно обозначается индексом «n» за скобками, включающими в себя структурное (мономерное) звено:  (–CH₂–CH₂–)_n

Катализаторами полимеризации могут быть: металлический натрий, пероксиды, кислород, металлоорганические соединения, комплексные соединения.

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Например, схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Важнейшие синтетические полимеры

Изображение с портала orgchem.ru

Важнейшие синтетические полимеры, получаемые реакцией полимеризации, и области их применения:

Физические свойства полимеров

Коэффициент теплопроводности по­лимеров значительно ниже, чем других твердых тел,—около 0,2 … 0,3 В/(м*К), поэтому они являются теплоизоляторами. Вследствие относительной подвижности связей и смены конфор­маций полимеры имеют высокий ТКЛР (10-4 … 10-5 К-1 ).

Мож­но было бы поэтому полагать, что они плохо совместимы с ма­териалами, имеющими меньший ТКЛР,—металлами и полупровод­никами. Однако высокая эластичность полимеров и сравнительно небольшой интервал рабочих температур позволяет широко при­менять их в виде пленок, нанесенных на поверхность любых ма­териалов.

Диапазон температур, при которых можно эксплуатировать полимеры без ухудшения их механических свойств, ограничен. Нагревостойкость большинства полимеров, к сожалению, очень низка — лишь 320…400 К и ограничивается началом размягче­ния (деформационная стойкость). Помимо потери прочности по­вышение температуры может вызвать и химические изменения в составе полимера, которые проявляются как потеря массы.

Спо­собность полимеров сохранять свой состав при нагревании коли­чественно характеризуется относительной убылью массы при на­греве до рабочей температуры. Допустимым значением убыли массы считается 0,1 … 1%. Полимеры, стойкие при 500 К, счи­таются нагревостойкими, а при 600…700 К — высоконагревостойкими. Их разработка, расширение выпуска и применения приносят большой народнохозяйственный эффект.

Таблица. Физические свойства полимеров.