Особенности полимерного состояния вещества (стр. 2 из 4)
Синтетические полимеры получаются путем ступенчатой или цепной полимеризации низкомолекулярных соединений - мономеров. Ступенчатая полимеризация, называемая также поликонденсацией, осуществляется путем реакции функциональных групп мономеров, соединение которых часто сопровождается отщеплением низкомолекулярного продукта, например:
HO-R-OH + HOOC-R'-COOH → HO-R-O-C(O)R'-COOH + H2O
В этом случае чаще употребляется термин поликонденсация. В ходе ступенчатой полимеризации сначала образуются димеры, затем тримеры, тетрамеры и т.д. Эти промежуточные продукты могут быть выделены на любой стадии полимеризации.
Цепная полимеризация осуществляется путем последовательного присоединения к растущим цепям с активными центрами на конце мономеров в результате раскрытия содержащихся в них ненасыщенных связей или циклов. Характерным признаком цепной полимеризации является очень короткое время жизни (меньше секунды) растущей цепи, несущей активный центр, и невозможность выделить ее в неизменном состоянии. Активным центром в цепной полимеризации может быть радикал, катион или анион, в соответствии с чем различают радикальную, катионную и анионную полимеризации. Ниже приведена реакция присоединения этилена к растущей цепи, несущей на конце свободный радикал:
Из схемы видно, что присоединение мономера сопровождается регенерацией активного центра на конце цепи.
Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу - продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезив.
Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата - без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолетостроение в годы войны.
После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое еще до войны. В течение войны все это производство было переориентировано на выпуск парашютов. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон - искусственная шерсть из полиакрилонитрила замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шелк).
Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера - Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны - наиболее распространенные герметики, адгезивы и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны - элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.
Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфиркетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.
Период разработки и освоения производства основных полимерных материалов закончился в 70-х гг. К 90-м гг. XX в. ежегодное потребление полимерных материалов на душу населения (кг/год) достигло в развитых странах высокого уровня, который постоянно увеличивается на 2-3% в год:
полимер высокомолекулярное соединение
| Германия | США | Швеция | Япония | Италия | Франция |
| 101, 9 | 75, 8 | 67, 9 | 57, 8 | 53, 0 | 50, 6 |
До настоящего времени массовое производство полимерных материалов базируется на цепных полимерах, объемы производства важнейших из которых в начале 90-х г. XX в. составляли (млн т в год):
| полиэтилен | 31,9 | полиуретаны | 5,2 |
| поливинилхлорид | 21,0 | фенопласты | 3,5 |
| полистирол | 12,0 | аминопласты | 1,0 |
| полипропилен | 12,0 | эпоксидные смолы | 0,7 |
| полиамиды | 4,5 |
Природные органические полимеры. Природные органическое полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных (табл. 1. 1) и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных - высокомолекулярных.
Таблица 1. 1 Содержание различных веществ в теле человека
| Тип вещества | Массовый, % |
| Вода | 60-80 |
| Сухой остаток: | 20-40 |
| белки | 15-20 |
| жиры | 3-20 |
| полисахариды | 1-15 |
| низкомолекулярные соединения | <2 |
| нуклеиновые кислоты | <0,1 |
Полисахариды образуются из низкомолекулярных соединений общей формулы СnН2nOn, называемых сахарами или углеводами. Для Сахаров характерно наличие альдегидной или кетонной групп, в соответствии с этим первые называются альдозами, вторые - кетозами. Среди Сахаров с n = 6, называемых гексозами, имеется 16 изомерных альдогексоз и 16 кетогексоз. Однако только четыре из них (a-галактоза, d-манноза, d-глюкоза, d-фруктоза) встречаются в живой клетке. Биологическая роль Сахаров определяется тем, что они являются источником энергии, необходимой организму, которая выделяется при их окислении, и исходным материалом для синтеза макромолекул.
В последнем случае большое значение имеет способность Сахаров образовывать циклические структуры, что иллюстрируется ниже на примере глюкозы и фруктозы:
В водном растворе глюкоза содержит 99, 976% циклического изомера. У кетогексоз циклические изомеры пятичленные. Циклические молекулы моносахаридов могут связываться между собой с образованием так называемых гликозидных связей путем конденсации гидроксильных групп.
Наиболее распространены полисахариды, повторяющиеся звенья которых являются остатками a-D-глюкопиранозы или ее производных. Наиболее известна и широко применяема целлюлоза. В этом полисахариде кислородный мостик связывает 1- и 4-й атомы углерода в соседних звеньях, такая связь называется а-1, 4-гликозидной:
Химический состав, аналогичный целлюлозе, имеют крахмал, состоящий из амилозы и аминопектина, гликоген и декстран. Отличие первых от целлюлозы состоит в разветвленности макромолекул, причем амилопектин и гликоген могут быть отнесены к сверхразветвленным природным полимерам, т.е. дендримерам нерегулярного строения. Точкой ветвления обычно является шестой атом углерода a-D-глюкопиранозного кольца, который связан гликозидной связью с боковой цепью. Отличие декстрана от целлюлозы состоит в природе гликозидных связей - наряду с а-1,4-, декстран содержит также а-1,3- и а-1,6-гликозидные связи, причем последние являются доминирующими.
Химический состав, отличный от целлюлозы, имеют хитин и хитозан, но они близки к ней по структуре. Отличие заключается в том, что при втором атоме углерода a-D-глюкопиранозных звеньев, связанных а-1,4-гликозидными связями, ОН-группа заменена группами -NНСН3СОО в хитине и группой -NH2 в хитозане.
Целлюлоза содержится в коре и древесине деревьев, стеблях растений: хлопок содержит более 90 % целлюлозы, деревья хвойных пород - свыше 60 %, лиственных - около 40%. Прочность волокон целлюлозы обусловлена тем, что они образованы монокристаллами, в которых макромолекулы упакованы параллельно одна другой. Целлюлоза составляет структурную основу представителей не только растительного мира, но и некоторых бактерий.
В животном мире в качестве опорных, структурообразующих полимеров полисахариды «используются» лишь насекомыми и членистоногими. Наиболее часто для этих целей применяется хитин, который служит для построения так называемого внешнего скелета у крабов, раков, креветок. Из хитина деацетилированием получается хитозан, который, в отличие от нерастворимого хитина, растворим в водных растворах муравьиной, уксусной и соляной кислот. В связи с этим, а также благодаря комплексу ценных свойств, сочетающихся с биосовместимостью, хитозан имеет большие перспективы широкого практического применения в ближайшем будущем.