Vargu ar galima įsivaizduoti šių dienų gyvenimą be polimerų - sudėtingų sintetinių medžiagų, plačiai naudojamų įvairiose žmogaus veiklos srityse. Polimerai yra natūralios ar sintetinės kilmės didelės molekulės junginiai, sudaryti iš monomerų, sujungtų cheminiais ryšiais. Monomeras yra pasikartojanti grandinės grandis, kurioje yra pradinė molekulė.
Organiniai makromolekuliniai junginiai
Dėl savo unikalių savybių, didelės molekulinės junginiai sėkmingai pakeičia tokias natūralias medžiagas kaip medis, metalas, akmuo įvairiose gyvenimo srityse, užkariaudami naujas taikymo sritis. Norint susisteminti tokią plačią medžiagų grupę, priimamas polimerų klasifikavimas pagal įvairius kriterijus. Tai apima sudėtį, gamybos metodą, erdvinę konfigūraciją ir kt.
Klasifikuojant polimerus pagal cheminę sudėtį, jie skirstomi į tris grupes:
- Organinės makromolekulės medžiagos.
- Organinių elementų junginiai.
- Neorganiniai makromolekuliniai junginiai.
Didžiausią grupę atstovauja organiniai IUD - dervos, kaučiukai, augaliniai aliejai, tai yra gyvūninės ir augalinės kilmės produktai. Šių medžiagų makromolekulės pagrindinėje grandinėje kartu su anglies atomais turi deguonies, azoto ir kitų elementų atomus.
Jų savybės:
- turi galimybę pakeisti deformaciją, tai yra, elastingumą esant mažoms apkrovoms;
- mažoje koncentracijoje gali sudaryti klampius tirpalus;
- pakeisti fizines ir mechanines savybes veikiant minimaliam reagento kiekiui;
- mechaniškai veikiant, jų makromolekulės gali būti kryptingai orientuojamos.
Organinių elementų junginiai
Organoelementiniai IUD, kurių makromolekulėse, be neorganinių elementų atomų - silicio, titano, aliuminio, ir organinių angliavandenilių radikalų, yra sukurti dirbtinai, o gamtoje jų nėra. Klasifikuojant polimerus, jie padalijami į tris grupes.
- Pirmoji grupė yra medžiagos, kurių pagrindinę grandinę sudaro tam tikrų elementų atomai, apsupti organinių radikalų.
- Antroji grupė apima medžiagas, kurių pagrindinė grandinė turi kintamus anglies atomus ir tokius elementus kaip siera, azotas ir kiti.
- Trečiajai grupei priklauso medžiagos, turinčios organinius stuburus, apsuptos įvairių organoelementų grupių.
Pavyzdys yra silicio organiniai junginiai, ypač silikonas, kuris turi aukštą atsparumą dilimui.
Neorganiniuose makromolekuliniuose junginiuose pagrindinėje grandinėje yra silicio ir metalų oksidų - magnio, aliuminio ar kalcio. Jie neturi šoninių organinių atomų grupių. Pagrindinių grandinių jungtys yra kovalentinės ir jonvalentinės, o tai lemia jų aukštą stiprumą ir atsparumą šilumai. Tai apima asbestą, keramiką, silikatinį stiklą, kvarcą.
„Carbochain“ ir „heterochain“ laivynas
Polimerai klasifikuojami pagal pagrindinės polimerų grandinės cheminę sudėtį, todėl šios medžiagos turi būti suskirstytos į dvi dideles grupes.
- Carbochain, kuriame pagrindinę IUD makromolekulės grandinę sudaro tik anglies atomai.
- Hetero grandinė, kurioje pagrindinėje grandinėje kartu su anglies atomais yra kiti atomai, suteikiantys šiai medžiagai papildomų savybių.
Kiekvieną iš šių didelių grupių sudaro šie pogrupiai, kurie skiriasi grandinės struktūra, pakaitalų skaičiumi, jų sudėtimi ir šoninių šakų skaičiumi:
- junginiai su sočiųjų jungčių grandinėmis, pavyzdžiui, polietilenas arba polipropilenas;
- polimerai su nesočiaisiais ryšiais pagrindinėje grandinėje, pavyzdžiui, polibutadienas;
- halogenu pakeistais makromolekuliniais junginiais - teflonu;
- polimeriniai alkoholiai, kurių pavyzdys yra polivinilo alkoholis;
- IUD, pagrįsti alkoholio dariniais, pavyzdys yra polivinilacetatas;
- junginiai, gauti iš aldehidų ir ketonų, tokie kaip poliakroleinas;
- polimerai, gauti iš karboksirūgščių, iš kurių tipinė yra poliakrilo rūgštis;
- medžiagos, gautos iš nitrilų (PAN);
- iš aromatinių angliavandenilių gaunamos makromolekulinės medžiagos, pavyzdžiui, polistirenas.
Padalijimas pagal heteroatomo pobūdį
Polimerų klasifikacija taip pat gali priklausyti nuo heteroatomų pobūdžio: jis apima keletą grupių:
- su deguonies atomais pagrindinėje grandinėje - paprasti ir sudėtingi poliesteriai ir peroksidai;
- junginiai, kurių pagrindinėje grandinėje yra azoto atomų - poliaminai ir poliamidai;
- medžiagos, turinčios deguonies ir azoto atomus pagrindinėje grandinėje, pavyzdžiui, poliuretanai;
- IUD su sieros atomais pagrindinėje grandinėje - politioesteriai ir politetrasulfidai;
- junginiai, kuriuose fosforo atomai yra pagrindinėje grandinėje.
Natūralūs polimerai
Šiuo metu polimerai klasifikuojami pagal kilmę ir cheminį pobūdį, padalinant juos taip:
- Natūralūs, jie taip pat vadinami biopolimerais.
- Dirbtinės medžiagos, turinčios didelę molekulinę masę.
- Sintetiniai junginiai.
Natūralus karinis jūrų laivynas yra gyvenimo Žemėje pagrindas. Svarbiausi iš jų yra baltymai - gyvų organizmų „plytos“, kurių monomerai yra aminorūgštys. Baltymai dalyvauja visose biocheminėse organizmo reakcijose, be jų imuninė sistema negali veikti, kraujo krešėjimo procesai, kaulų ir raumenų audinių formavimasis, energijos virsmo darbai ir dar daugiau. Be nukleorūgščių neįmanoma išsaugoti ir perduoti paveldimos informacijos.
Polisacharidai yra didelės molekulinės masės angliavandeniliai, kurie kartu su baltymais dalyvauja metabolizme. Polimerų klasifikavimas pagal kilmę leidžia pasirinkti natūralias makromolekulines medžiagas specialioje grupėje.
Dirbtiniai ir sintetiniai polimerai
Dirbtiniai polimerai gaunami iš natūralių įvairiais cheminio modifikavimo būdais, kad būtų suteiktos jiems būtinos savybės. Pavyzdys yra celiuliozė, iš kurios gaunama daug plastikų. Polimerai pagal kilmę klasifikuojami kaip dirbtinės medžiagos. Sintetiniai IUD gaunami chemiškai, naudojant polimerizacijos arba polikondensacijos reakcijas. Jų savybės, taigi ir apimtis, priklauso nuo makromolekulės ilgio, tai yra, nuo molekulinės masės. Kuo jis didesnis, tuo tvirtesnė medžiaga. Labai patogu klasifikuoti polimerus pagal kilmę. Pavyzdžiai tai patvirtina.
Linijinės makromolekulės
Bet kokia polimerų klasifikacija yra gana savavališka ir kiekviena turi savo trūkumų, nes ji negali parodyti visų šios medžiagų grupės savybių. Nepaisant to, tai padeda juos kažkaip susisteminti. Klasifikuojant polimerus makromolekulių pavidalu, jie suskirstomi į šias tris grupes:
- linijinis
- šakotas;
- erdviniai, kurie dar vadinami tinkleliu.
Ilgos, išlenktos arba spiralės formos linijinės IUD grandinės suteikia medžiagoms keletą unikalių savybių:
- dėl tarpmolekulinių jungčių atsiradimo formuoja stiprius pluoštus;
- jie yra pajėgūs didelėms ir ilgoms, bet tuo pat metu grįžtamosioms deformacijoms;
- svarbi savybė yra jų lankstumas;
- ištirpus, šios medžiagos sudaro tirpalus su dideliu klampumu.
Šakotos makromolekulės
Šakiniai polimerai taip pat turi linijinę struktūrą, tačiau su daugeliu šoninių šakų yra trumpesni nei pagrindiniai.Tuo pačiu keičiasi ir jų savybės:
- šakotų medžiagų tirpumas yra didesnis nei linijinis, atitinkamai jos sudaro mažesnio klampumo tirpalus;
- didėjant šoninių grandinių ilgiui, tarpmolekulinės jėgos silpnėja, o tai lemia medžiagos minkštumo ir elastingumo padidėjimą;
- kuo didesnis išsišakojimo laipsnis, tuo fizikinės tokios medžiagos savybės artėja prie paprastų mažos molekulinės masės junginių savybių.
Trimatės makromolekulės
Tinklinės makromolekulinės jungtys yra plokščios (laiptų ir parketo tipo) ir trimatės. Plokščią gumą sudaro natūralus kaučiukas ir grafitas. Erdviniuose polimeruose tarp grandinių yra kryžminiai „tilteliai“, sudarantys vieną didelę trijų matmenų makromolekulę, kuri turi nepaprastą kietumą.
Pavyzdys yra deimantas arba keratinas. Tinkliniai makromolekuliniai junginiai yra kaučiuko, kai kurių plastikų rūšių, taip pat klijų ir lakų pagrindas.
Termoplastikai ir termosetatai
Polimerai klasifikuojami pagal kilmę ir atsižvelgiant į kaitinimą, kad būtų galima apibūdinti šių medžiagų elgesį su temperatūra. Atsižvelgiant į procesus, vykstančius kaitinant, gaunami skirtingi rezultatai. Jei susilpnėja tarpmolekulinė sąveika ir padidėja molekulių kinetinė energija, tada medžiaga suminkštėja, tapdama klampia būsena. Kai temperatūra mažėja, ji grįžta į normalią būseną - jos cheminė prigimtis nesikeičia. Tokios medžiagos vadinamos termoplastiniais polimerais, pavyzdžiui, polietilenu.
Kita junginių grupė vadinama termoreaktingu. Procesų, vykstančių juose kaitinimo metu, mechanizmas yra visiškai skirtingas. Esant dvigubiems ryšiams ar funkcinėms grupėms, jie sąveikauja tarpusavyje, pakeisdami cheminę medžiagos prigimtį. Jis negali atkurti savo pirminės formos aušinant. Pavyzdys yra įvairios dervos.
Polimerizacijos metodas
Kitas polimerų klasifikavimas atliekamas pagal paruošimo būdą. Yra tokie būdai, kaip gauti IUS:
- Polimerizacija, kuri gali vykti naudojant joninės reakcijos mechanizmą ir laisvuosius radikalus.
- Polikondensacija
Polimerizacija yra makromolekulių susidarymo procesas nuosekliai sujungiant monomerų vienetus. Paprastai tai yra mažos molekulinės masės medžiagos su daugybiniais ryšiais ir ciklinėmis grupėmis. Reakcijos metu dviguba jungtis arba jungtis ciklinėje grupėje nutrūksta ir tarp šių monomerų susidaro naujos. Jei reakcijoje dalyvauja tos pačios rūšies monomerai, tai vadinama homopolimerizacija. Kai naudojami skirtingų tipų monomerai, įvyksta kopolimerizacijos reakcija.
Polimerizacijos reakcija yra grandininė reakcija, kuri gali įvykti savaime, tačiau tam paspartinti naudojamos aktyviosios medžiagos. Taikant laisvųjų radikalų mechanizmą, procesas vyksta keliais etapais:
- Iniciacija. Šiame etape dėl šviesos, šilumos, cheminės ar kitokios įtakos sistemoje susidaro aktyvios grupės - radikalai.
- Grandinės ilgio augimas. Šis etapas apibūdinamas tuo, kad prie radikalų pridedami šie monomerai, kad susidarytų nauji radikalai.
- Atvira grandinė gaunama veikiant aktyvioms grupėms ir susidarant neaktyvioms makromolekulėms.
Neįmanoma valdyti grandinės pasibaigimo momento, todėl susidariusios makromolekulės skiriasi skirtingais molekuliniais svoriais.
Polimerizacijos reakcijos joninio mechanizmo principas yra tas pats, kaip laisvųjų radikalų. Tačiau katijonai ir anijonai veikia kaip aktyvūs centrai, todėl išskiriama katijoninė ir anijoninė polimerizacija. Pramonėje svarbiausi polimerai gaunami radikalios polimerizacijos būdu: polietilenas, polistirenas ir daugelis kitų. Jonų polimerizacija naudojama gaminant sintetines gumas.
Polikondensacija
Didelės molekulinės masės junginio susidarymo procesas, kai atskiriamos kai kurios mažos molekulinės masės medžiagos kaip šalutinis produktas, yra polikondensacija, kuri skiriasi nuo polimerizacijos tuo, kad susidariusios makromolekulės elementinė sudėtis neatitinka pradinių reakcijoje dalyvaujančių medžiagų sudėties. Juose gali dalyvauti tik junginiai su funkcinėmis grupėmis, kurie, sąveikaudami, skaido paprastos medžiagos molekulę ir sudaro naują jungtį. Bifunkcinių junginių polikondensacija sukuria linijinius polimerus. Kai reakcijoje dalyvauja polifunkciniai junginiai, susidaro šakotosios ar net erdvinės struktūros IUD. Reakcijos metu susidariusios mažos molekulinės masės medžiagos taip pat sąveikauja su tarpiniais produktais, sukeldamos grandinės nutraukimą. Todėl geriau juos pašalinti iš reakcijos zonos.
Tam tikrų polimerų negalima gauti žinomais polimerizacijos ar polikondensacijos metodais, nes nėra būtinų pradinių monomerų, galinčių juose dalyvauti. Tokiu atveju polimero sintezė atliekama dalyvaujant didelės molekulinės masės junginiams, turintiems funkcines grupes, gebančias reaguoti tarpusavyje.
Polimerų klasifikacija kiekvieną dieną tampa sudėtingesnė, nes atsiranda vis daugiau naujų šių nuostabių medžiagų, turinčių iš anksto nulemtų savybių, rūšių ir žmogus nebegalvoja apie savo gyvenimą be jų. Tačiau iškyla dar viena, ne mažiau svarbi problema - galimybė jas lengvai ir pigiai sunaikinti. Šios problemos sprendimas yra labai svarbus planetos egzistavimui.
