Структура полимеров


Их сбережет пластмасса

Пластмасса, пластмасса, пластмасса... Это слово встречается чаще, чем «чугун», «сталь», «дерево». Подсчитано, что только на стройках нашей страны в ближайшее время пластмассы смогут заменять каждый год около 12 млн. м3 пиломатериалов, свыше 9 млрд. шт. кирпича, 140 тыс. Т стали и 15 тыс. Т цветных металлов. Общая сумма экономии составит от этого 3,5 млрд. руб. А на эти деньги можно будет каждый год строить 1000 больших домов, в которые смогут въехать сотни тысяч новоселов.

В больших молекулах все обстоит как раз наоборот. Для разрыва молекулы на две части достаточно все тех же 80 ккал, но вот для перемещения молекул друг относительно друга нужно уже столько раз по полкилокалории, сколько одно и то же метиленовое зерно повторяется в большой молекуле. А таких повторений могут быть сотни и даже тысячи. В этом случае гораздо легче разорвать молекулу, чем оторвать две молекулы друг от друга. Иначе говоря, новая совокупность молекул обеспечивает материалу и новое качество — повышенную прочность.

Прежде всего молекулы простых, исходных веществ, на основе которых мы хотели бы получить те или иные полимеры, должны содержать группы, способные присоединять молекулы того или другого мономера. Такими способностями наделены группы, содержащие двойную или тройную связь между атомами углерода или углерода и азота.

Однако присутствие двойной или тройной связи в молекуле мономера — не единственное условие, указывающее на возможность ее участия в процессах полимеризации. Эту способность могут приобрести вещества, содержащие другие группировки, например кольца, способные к размыканию. Разомкнув подобное кольцо и полимеризовав мономеры, содержащие эти группировки, получают уже упоминавшиеся полиамидные смолы, из которых изготовляются капрон, нейлон и др.

Далеко не все химические реакции происходят в результате непосредственного взаимодействия молекул реагирующих веществ. В определенных условиях молекулы могут отщеплять атомы или группы атомов с образованием ионов — электрически заряженных частиц пли свободных радикалов — нестойких заряженных частиц. Многие реакции полимеризации происходят по так называемому цепному механизму, при котором непрерывно образуются способные к реакции радикалы.

Для того чтобы мог начаться рост цепи полимера, необходимо привести хотя бы небольшую часть молекул мономера в возбужденное состояние, или, как выражаются химики, «активизировать» их. С этой целью применяют активаторы или инициаторы реакции (чаще всего различные перекиси). Иногда активация молекулы достигается другим путем, например действием света или радиоактивных излучений, повышением температуры.

Некоторые примеры применения пластических масс
Некоторые примеры применения пластических масс

Наряду с полимеризацией для получения полимеров широко применяют и метод поликонденсации. У мономеров, которые участвуют в этом процессе, отсутствуют двойные связи, но есть химически активные группы. Поэтому в процессе химической реакции одновременно с образованием полимера выделяются и низкомолекулярные вещества, спирт или вода.

Присутствие в молекуле полимера фтора или кремния делает получаемый материал весьма устойчивым к химическим воздействиям. Например, полимер тетрафторэтилена — фторопласт один из самых замечательных синтетических материалов. Без заметного снижения механической прочности он выдерживает нагревание до 300°; на него не действуют ни горячая азотная кислота, ни кипящая щелочь, ни «царская водка». Он даже более стоек, чем платина.

Кремнийорганические полимеры, благодаря сочетанию «скелета» из чередующихся атомов кремния и кислорода (что их сближает с кварцем и песком) и органических групп на основе атомов углерода в боковых цепях, обладают замечательными свойствами. Они совмещают теплостойкость, характерную для песка и кварца, с мягкостью, эластичностью и растворимостью органических смол. На основе кремнийорганических полимеров получают не только твердые, жесткие или гибкие смолы для жаростойких пластмасс и лаковых покрытий, электроизоляции и каучуков для резин, но и водоотталкивающие покрытия, жидкие и вязкие масла, которые не замерзают при очень низких температурах. Кремнийорганическая изоляция увеличивает продолжительность работы различных электромашин, аппаратов и других электротехнических устройств. Она позволяет повысить плотность тока в обмотках электрических машин и аппаратов, благодаря ее применению удается сократить вес оборудования на 35-40%. При этом значительно уменьшаются размеры электрооборудования; если же они сохраняются, то повышается мощность электрических машин и аппаратов. В кабельной промышленности пластмассы заменят за семилетку около миллиона тонн свинца.

Огромное значение кремнийорганических материалов для новой техники хорошо видно на одном характерном примере. Мы уже упоминали органические заменители хрупкого силикатного стекла — плексиглас и полпвинилбутираль. Оба эти полимера оказались непригодными для ветровых стекол самолетов, летающих со сверхзвуковыми скоростями. Как известно, при этих скоростях на поверхности самолета возникают области высоких температур. Между тем уже при температуре +83° прослойка из поливинилбутираля становится мягкой, теряет сопротивление к сдвигам, пузырится. При температуре —53° эта прослойка становится такой же хрупкой, как и стекло. А прозрачный кремнийорганический каучук обеспечивает и прочность и прозрачность ветровых стекол в промежутке температур от —53° до +177°.

Использование крекинг-газов для получения полимерных материалов.
Использование крекинг-газов для получения полимерных материалов.

Включение в полимерные молекулы металлов позволяет создавать удивительные пластмассы, обладающие электрическими свойствами. Их можно использовать также и в качестве полупроводников. Металлоорганические полимеры позволят заменить германий и селен, широко применяемые для изготовления полупроводниковых приборов.

Разработано много способов объединения в одну полимерную конструкцию разнохарактерных цепей. Это обусловливает подчас причудливое сочетание свойств полимерных материалов.

Разными способами (начиная от механического перетирания и кончая воздействием радиоактивных излучений) на конце или на любом другом участке полимерной цепи создают свободные радикалы, на которые наращивают новые цепи. Так получают не только разветвленные конструкции полимера одного состава, но и своеобразные «гибриды» из разных полимерных цепей, «складывающих» свои полезные свойства.

Например, сополимеры (таково более строгое химическое название этих «привитых», или «гибридных», полимерных форм) стирола с поливинилхлоридом приводят к получению материала, близкого к полистиролу по своим ценным свойствам электроизолятора и одновременно обладающего значительно большей огнестойкостью и бензомаслостойкостью, чем этот важный для техники полимер. В другом случае на молекулы кремнийорганического каучука, который теплостоек, но неустойчив в среде бензина и масел, при воздействии гамма-лучей удалось «привить» боковые ветви бензо-маслостойкого полиакрилнитрила.

В этой же связи можно вернуться к вопросу об облагораживании натуральных целлюлозных волокон. Такое облагораживание связано в первую очередь с прививкой на поверхность целлюлозных волокон синтетических полимеров, в особенности того же акрилнитрила. Подобные прививки изменяют упругие свойства волокон, уменьшают их смачивание, поверхностное трение, а следовательно, и износ, улучшают окрашиваемость. Изделия из таких обработанных волокон устойчивы, не мнутся, стойко сохраняют свою форму; их не нужно гладить после стирки.

Уже открылись реальные возможности создания полимерных красителей, физиологических активных веществ, новых ионообменных смол и т. д.

Ныне — с расширением круга веществ, вовлекаемых в технический обиход, и в результате овладения широчайшими возможностями, которые таят в себе полимеры,— реально созданы предпосылки для создания любых материалов с любыми свойствами, которые могут понадобиться новейшей технике.