Как классифицируются полимеры по происхождению
Как классифицируются полимеры по происхождению
Классифицируются полимеры по различным признакам: составу, форме макромолекул, полярности, отношению к нагреву и т.д.
1. По составу основной цепи
— гомополимеры — полимеры, построенные из одинаковых мономеров:
(целлюлоза, состоящая из остатков β-D-глюкозы);
— сополимеры — полимеры, цепочки молекул которых состоят из двух или более различных структурных звеньев:
(нуклеиновая кислота, гиалуроновая кислота, белки);
— блок-сополимеры, состоящие из нескольких полимерных блоков:
Сополимеры получаются в результате реакций сополимеризации.
2. По строению главной цепи
— гомоцепные
— гетероцепные
Гомоцепные полимеры имеют главную цепь, состоящую из одинаковых атомов. Если она состоит из атомов углерода, то такие полимеры называют карбоцепными (полиэтилен, полистироли др.).
Гетероцепными называют такие полимеры, главная цепь которых состоит из различных атомов. К гетероцепным полимерам относятся простые эфиры, например, полиэтиленгликоль.
3. По регулярности строения цепи
— регулярные (стереорегулярные и стереонерегулярные) (присоединение мономерных звеньев по схеме «голова к хвосту» («головой» называется часть звена без заместителя, а «хвостом», соответственно, часть звена с заместителем);
— нерегулярные (беспорядочное чередование мономеров различного химического состава).
Однако в большинстве случаев присоединение звеньев идет по типу «голова к хвосту» и при таком строении полимерная цепь довольно регулярна.
4. По форме макромолекулы
— линейные;
— разветвленные;
— пространственные (сшитые)
Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры «сшиванием» с помощью света, радиации или под действием химических реагентов.
5. По химическому составу
По химическому составу полимеры подразделяются на органические, элементоорганические и неорганические.
Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Органические полимеры в главной цепи кроме атомов углерода, могут содержать также и другие элементы — кислород, азот, серу и т.д. Органическими полимерами являются смолы и каучуки.
Элементоорганические соединения в природе не встречаются. Этот класс материалов полностью создан искусственно.
Элементоорганические полимеры содержат в основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу, прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. Представителями их являются кремнийорганические соединения.
Неорганические полимеры построены из атомов кремния, алюминия, германия, серы и др. и не содержат органические боковые радикалы. Неорганические полимеры являются основой керамики, стекол, ситаллов, слюдяных, асбестовых, углеграфитовых и других материалов.
6. По отношению к нагреванию
— термопластические;
— термореактивные
При нагревании термопластических полимеров их свойства постепенно изменяются и при достижении определенной температуры они переходят в вязкотекучее состояние. При охлаждении жидких термопластических полимеров наблюдаются обратные явления. Химическая природа полимера при этом не изменяется, процесс плавления и процесс отвердевания обратим.
К термопластическим полимерам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид.
При нагревании термореактивных полимеров (реактопласты) они приобретают сетчатую структуру. Такие полимеры не восстанавливают свои свойства при нагревании и последующем охлаждении. Примером таких полимеров служат фенолформальдегидные смолы, мочевиноальдегидные, полиэфирные, эпоксидные и карбамидные смолы. Они содержат обычно различные наполнители.
7. По развитию деформации (при комнатных температурах)
— пластомеры;
— эластомеры
Полимеры, которые легко деформируются при комнатной температуре, называют эластомерами, трудно деформируемые – пластомерами (пластиками).
8. По природе (происхождению)
— природные;
— искусственные;
— синтетические
Полимеры, встречающиеся в природе – органические вещества растительного (хлопок, шелк, натуральный каучук, целлюлоза и др.) и животного (кожа, шерсть и др.) происхождения, а также минеральные вещества (слюда, асбест, естественный графит, природный алмаз, кварц и др.).
Искусственные полимеры получают из природных полимеров путем их химической модификации. Одним из наиболее распространенных природных полимеров, который непрерывно регенерируется в процессе фотосинтеза, является целлюлоза.
Нитроцеллюлоза и ацетатцеллюлоза – продукты химической модификации целлюлозы – искусственные полимеры. Они растворимы в ацетоне, хлороформе и др. растворителях.
Эфиры целлюлозы используют для получения фотопленки и волокон.
Вискозная нить получается растворением природной целлюлозы в сероуглероде со щелочью с последующим ее выделением. Вискозная нить и целлюлоза природная имеют различную кристаллическую структуру, пластмасса целлулоид получается обработкой нитроцеллюлозы камфарой в присутствии спирта.
Синтетические полимеры получают из простых веществ путем химического синтеза. Основным преимуществом синтетических полимеров перед природными являются неограниченные запасы исходного сырья и широкие возможности синтеза полимеров с заранее заданными свойствами. Исходным сырьем для получения синтетических полимеров являются продукты химической переработки нефти, природного газа и каменного угля.
9. По полярности
— полярные;
— неполярные
Неполярные не содержат полярных групп атомов — ПЭ (полиэтилен), ПП (полипропилен) и др.
Классификация полимеров
Существуют разные классификации полимеров.
I. По происхождению полимеры делят на:
5. Искусственные – полученные из природных полимеров путем их химических превращений (целлулоид, волокна: ацетатное, медноамиачное, вискозное).
6. Синтетические – полученные из мономеров: каучуки, волокна, пластмассы.
Примечание: Волокна – высокомолекулярные вещества, имеющие линейное строение и сформированные в виде нитей.
Каучуки – продукты полимеризации алкадиенов и их производных.
Пластмассы – высокомолекулярные соединения, в состав которых входят также вещества улучшающие физические свойства полимера: стабилизаторы (повышают стойкость к свету), пластификаторы (улучшают эластичность, морозостойкость, огнестойкость), красители.
II. По составу полимеры подразделяют на:
2. Элементорганические (поликарбораны, кремнийорганические);
3. Неорганические полимерные (олово, селен, теллур, аморфная сера, черный фосфор, кварц, корунд, алюмосиликаты).
III. По химическому составу:
1. Гомополимеры (макромолекулы содержат одинаковые структурные звенья);
2. Гетерополимеры (состоят из разных остатков мономеров). Такие полимеры называют также сополимеры.
IV. По структуре макромолекулы:
1. Линейные (высокоэластичные)
В макромолекулах линейных полимеров структурные звенья последовательно соединены друг с другом в длинные цепи. Цепи изгибаются в различных направлениях или сворачиваются клубком. Именно эта особенность строения придает эластичность полимерам. Из природных полимеров линейное строение имеют целлюлоза, амилоза (составная часть крахмала) натуральный каучук, а из синтетических – полиэтилен низкого давления, капрон, найлон и многие другие полимеры.
Макромолекулы разветвленных полимеров – это длинные цепи с короткими боковыми ответвлениями. Такое строение имеют, например полиэтилен высокого давления, амилопектин (компонент крахмала).
3. Сетчатые (низкоэластичные)
Макромолекулы сетчатых полимеров представляют собой длинные цепи, связанные (сшитые) поперечными связями. Такая макромолекула имеет три измерения в пространстве. Высокомолекулярными соединениями с пространственной структурой являются: шерсть, фенолформальдегидные полимеры, резина.
V. По пространственному строению:
Определенное чередование элементарных звеньев разной пространственной конфигурации делит полимеры на: стереорегулярные (или изотактические) инестереорегулярные (или атактические).
Изоатактический полимер – полимер, в котором заместители расположены в пространстве по одну сторону от основной полимерной цепи.
Атактический полимер – полимер, в котором заместители расположены беспорядочно (по одну и по другую сторону от основной полимерной цепи).
Стереорегулярность полимера определяет высокие прочносные свойства, нестереорегулярный полимер представляет более мягкий материал, напоминающий каучук.
VI. По физическим свойствам:
Полимеры могут иметь аморфное или кристаллическое строение. Это определяет его физические и другие свойства.
Аморфное строение имеют полимеры, макромолекулы которых расположены неупорядоченно, хаотично. Аморфные полимеры при механической деформации в зависимости от температуры могут существовать в следующих физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. При низкой температуре полимер находится в стеклообразном состоянии, в котором он ведет себя как упругое тело (не деформируется при нагрузках). При повышении температуры полимер переходит в высокоэластичное состояние (изменяет свою форму под действием силы, а потом возвращается в исходное состояние).
Это обусловлено подвижностью звеньев и соответственно гибкостью макромолекул. Высокоэластичное состояние полимеров проявляется в интервале от температуры стеклования (tст) до температуры текучести (tт). Если данный температурный интервал tст – tт достаточно широк, то такие полимеры называют эластомерами или каучуками. Значительное повышение температуры (выше температуры текучасти) ведет к разрушению полимера. Вещество в вязкотекучем состоянии течет как вязкая жидкость, причем деформация полимера является необратимой Аморфные полимеры – мягкие, эластичные материалы.
Кристаллическое строение имеют полимеры только стереорегулярной структуры макромолекул. Кристаллические полимеры содержат области, в которых отдельные участки макромолекул имеют плотную упаковку. Эти участки называют кристаллитами. Кристаллические полимеры состоят из большого числа кристаллитов, между которыми находятся участки с неупорядоченной структурой (аморфные области). Кристаллические участки делают полимер более жестким, они снижают его способность к удлинению, поэтому полимеры имеют более высокую твердость, чем аморфные. Кристаллические полимеры характеризуются температурой плавления, а аморфные областью температур размягчения.
VII. По отношению к нагреванию.Полимеры могут быть термопластичными и термореактивными. К термопластичным (термопластам) относят полимеры с линейной и разветвленной структурой. Они размягчаются при нагревании, а при охлаждении снова затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные (реактопласты) – это тоже линейные полимеры или разветвленные полимеры, но с большим числом активных функциональных групп. При нагревании эти группы вступают в химические взаимодействия – происходит «сшивание» полимеров. Так образуются твердые неплавкие вещества с пространственной структурой. Полученные полимеры уже не могут быть переведены в пластичное состояние.
VIII. По способу получения полимеры бывают:
Классификация полимеров по происхождению
С трудом можно представить себе сегодняшнюю жизнь без полимеров – сложных синтетических веществ, которые получили широкое распространение в различных областях человеческой деятельности. Полимеры – это высокомолекулярные соединения природного либо синтетического происхождения, состоящие из мономеров, соединенных химическими связями. Мономером является повторяющееся звено цепи, которое содержит исходную молекулу.
Органические высокомолекулярные соединения
Благодаря своим уникальным свойствам высокомолекулярные соединения успешно заменяют в различных сферах жизнедеятельности такие натуральные материалы, как дерево, металл, камень, завоевывая новые области применения. Для систематизации такой обширной группы веществ принята классификация полимеров по различным признакам. К ним относится состав, способ получения, пространственная конфигурация и так далее.
Классификация полимеров по химическому составу подразделяет их на три группы:
Самую большую группу представляют органические ВМС – смолы, каучуки, растительные масла, то есть продукты животного, а также растительного происхождения. Макромолекулы этих веществ в главной цепи наряду с атомами углерода имеют атомы кислорода, азота и других элементов.
Элементоорганические соединения
Примером могут служить кремнийорганические соединения, в частности силикон, обладающий высокой износоустойчивостью.
Неорганические высокомолекулярные соединения в главной цепочке содержат оксиды кремния и металлов – магния, алюминия или кальция. У них нет боковых органических атомных групп. Связи в главных цепочках ковалентные и ионно-ковалентные, что обусловливает их высокую прочность и термостойкость. К ним относятся асбест, керамика, силикатные стекла, кварц.
Карбоцепные и гетероцепные ВМС
Классификация полимеров по химическому составу основной полимерной цепи предполагает деление этих веществ на две большие группы.
Каждая из этих больших групп состоит из следующих подгрупп, отличающихся строением цепочки, количеством заместителей, их составом, числом боковых ветвей:
Деление по природе гетероатома
Классификация полимеров может зависеть и от природы гетероатомов, она включает несколько групп:
Природные полимеры
В настоящее время принята также классификация полимеров по происхождению, по химической природе, которая делит их следующим образом:
Природные ВМС составляют основу жизни на Земле. Важнейшими из них являются белки – «кирпичики» живых организмов, мономерами которых выступают аминокислоты. Белки участвуют во всех биохимических реакциях организма, без них невозможна работа иммунной системы, процессы свертывания крови, образование костной и мышечной ткани, работа по преобразованию энергии и многое другое. Без нуклеиновых кислот невозможны хранение и передача наследственной информации.
Полисахариды – это высокомолекулярные углеводороды, которые вместе с белками участвуют в обмене веществ. Классификация полимеров по происхождению позволяет выделить природные высокомолекулярные вещества в особую группу.
Искусственные и синтетические полимеры
Искусственные полимеры получают из природных различными способами химической модификации для придания им необходимых свойств. Примером может служить целлюлоза, из которой получают многие пластмассы. Классификация полимеров по происхождению характеризует их как искусственные вещества. Синтетические ВМС получают химическим путем с помощью реакций полимеризации или поликонденсации. Их свойства, а следовательно и область применения, зависят от длины макромолекулы, то есть от молекулярного веса. Чем он больше, тем прочнее полученный материал. Очень удобна классификация полимеров по происхождению. Примеры подтверждают это.
Линейные макромолекулы
Любая классификация полимеров достаточно условна, и каждая имеет свои недостатки, так как не может отобразить все характеристики данной группы веществ. Тем не менее она помогает каким-то образом их систематизировать. Классификация полимеров по форме макромолекул представляет их в виде следующих трех групп:
Длинные, изогнутые или спиралеобразные цепочки линейных ВМС придают веществам некоторые уникальные свойства:
Разветвленные макромолекулы
Разветвленные полимеры тоже имеют линейное строение, но со множеством боковых ветвей, более коротких, чем основная. При этом изменяются и их свойства:
Трехмерные макромолекулы
Сетчатые высокомолекулярные соединения бывают плоскими (лестничного и паркетного типа) и трехмерными. К плоским можно отнести натуральный каучук и графит. В пространственных полимерах имеются поперечные связи-«мостики» между цепями, образующие одну большую трехмерную макромолекулу, обладающую необычайной твердостью.
Примером может служить алмаз или кератин. Сетчатые высокомолекулярные соединения являются основой резин, некоторых видов пластмасс, а также клеев и лаков.
Термопласты и реактопласты
Классификация полимеров по происхождению и по отношению к нагреванию призвана охарактеризовать поведение этих веществ при изменении температуры. В зависимости от процессов, происходящих при нагревании, получаются разные результаты. Если межмолекулярное взаимодействие ослабевает и увеличивается кинетическая энергия молекул, то вещество размягчается, переходя в вязкое состояние. При снижении температуры оно возвращается в обычное состояние – его химическая природа остается неизменной. Такие вещества называют термопластическими полимерами, например полиэтилен.
Другая группа соединений получила название термореактивных. Механизм происходящих в них при нагревании процессов совершенно другой. При наличии двойных связей или функциональных групп они взаимодействуют между собой, меняя химическую природу вещества. Оно не может восстановить свою первоначальную форму при охлаждении. Примером могут служить различные смолы.
Способ полимеризации
Еще одна классификация полимеров – по способу получения. Существуют такие способы получения ВМС:
Полимеризацией называется процесс образования макромолекул путем последовательного соединения мономерных звеньев. Ими обычно являются низкомолекулярные вещества с кратными связями и циклическими группами. Во время реакции следует разрыв двойной связи или связи в циклической группе, и происходит образование новых между этими мономерами. Если в реакции участвуют мономеры одного вида, она называется гомополимеризацией. При использовании разных видов мономеров происходит реакция сополимеризации.
Реакция полимеризации – это цепная реакция, которая может протекать самопроизвольно, однако для ее ускорения применяются активные вещества. При свободнорадикальном механизме процесс протекает в несколько стадий:
Невозможно контролировать момент обрыва цепи, и поэтому образующиеся макромолекулы отличаются разной молекулярной массой.
Принцип действия ионного механизма реакции полимеризации такой же, как и свободнорадикального. Но здесь в качестве активных центров выступают катионы и анионы, поэтому различают катионную и анионную полимеризацию. В промышленности радикальной полимеризацией получают важнейшие полимеры: полиэтилен, полистирол и многие другие. Ионная полимеризация применяется при производстве синтетических каучуков.
Поликонденсация
Процесс образования высокомолекулярного соединения с отделением в качестве побочного продукта каких-то низкомолекулярных веществ – поликонденсация, которая отличается от полимеризации еще тем, что элементный состав образующейся макромолекулы не соответствует составу начальных веществ, участвующих в реакции. В них могут участвовать только соединения с функциональными группами, которые, взаимодействуя, отщепляют молекулу простого вещества и образуют новую связь. При поликонденсации бифункциональных соединений образуются линейные полимеры. Когда в реакции участвуют полифункциональные соединения, образуются ВМС с разветвленной или даже пространственной структурой. Образующиеся в процессе реакции низкомолекулярные вещества тоже взаимодействуют с промежуточными продуктами, вызывая обрыв цепи. Поэтому их лучше удалять из зоны реакции. 
Определенные полимеры нельзя получить известными способами полимеризации или поликонденсации, так как нет требуемых исходных мономеров, способных участвовать в них. В этом случае синтез полимера ведется с участием высокомолекулярных соединений, содержащих функциональные группы, которые способны реагировать друг с другом.
С каждым днем усложняется классификация полимеров, так как появляется все больше новых видов этих удивительных веществ с заранее заданными свойствами, и человек уже не мыслит своей жизни без них. Однако возникает другая проблема, не менее важная – возможность их легкой и дешевой утилизации. Решение этой проблемы очень важно для существования планеты.
Полимеры их классификация
Полимеры — вещества, состоящие из повторяющихся групп атомов (звеньев, 
мономеров), из которых собираются длинные макромолекулы.
Термин «полимер» был предложен шведским химиком и минералогом И. Берцелиусом еще в 19-м веке для определения веществ, которые при одинаковом химическом составе обладали разной молекулярной массой, например, для кислорода и озона. Сейчас этот термин применяется немного в другом значении. Истинные полимеры были открыты примерно в тоже самое время — в середине 19-го века (полистирол, поливинилденхлорид, целлулоид).
Наука о полимерах
По-настоящему заниматься исследованиями структуры полимеров начали только в 20-м веке. Первоначально считалось, что природные полимеры типа крахмала и целлюлозы состоят из особых, но обычных по длине молекул, которые обладают способностью образовывать коллоидные растворы. Автором принципиально другой точки зрения, высказавшим предположении об необычно длинных макромолекулах, был немецкий химик Герман Штаудингер.
Необходимость найти замену натуральному каучуку для бурно развивающейся автомобильной промышленности стимулировала развитие науки о полимерах, которая окончательно сформировалась после Второй мировой войны.
Основные характеристики полимеров
— Химический состав
— Молекулярная масса одного химического звена и всей молекулы
— Степень полимеризации (количество мономеров в молекуле)
— Молекулярно-массовое распределение (показывает однородность длины молекул)
— Степень разветвленности и гибкости молекул
— Стереорегулярность (отражает однородность составляющих молекулу стереоизомеров или их равномерное чередование)
Классификация полимеров
В зависимости от молекулярной массы (ММ), полимеры делятся на:
— мономеры (с небольшой ММ);
— олигомеры (с ММ менее 540);
— полимеры (высокомолекулярные, с ММ от пяти тысяч до пятисот тысяч);
— сверхвысокомолекулярные полимеры с ММ более полумиллиона.
По степени разветвленности молекул:
— линейные (молекула состоит из цепочки мономеров), к ним относится натуральный каучук, эластомеры и другие полимеры высокой эластичности;
— разветвленные (цепочка из звеньев имеет боковые ответвления), например, амилопектин;
— сетчатые или сшитые (между соседними макромолекулами существуют поперечные связи), нерастворимые и неэластичные полимеры, например, эпоксидные смолы в стадии отверждения.
По составу мономеров:
— гомополимеры, состоящие из одного вида звеньев, например, ПВХ, целлюлоза;
— сополимеры, состоящие из звеньев разного строения (многие полимеры с улучшенными свойствами).
В зависимости от того, как полимеры реагирует на нагревание, их разделяют на:
— термопласты, после охлаждения возвращающиеся в исходное 
состояние без потери физических свойств (этими качествами обладают линейные и разветвленные полимеры);
— реактопласты, после нагревания частично и необратимо разрушаются и не восстанавливают исходных свойств (сетчатые пространственные полимеры).
По структуре полимеры разделяют на:
— кристаллические, содержащие более 2/3 кристаллических структур (полиэтилен низкого давления, полипропилен, тефлон);
— аморфные, содержащие не более нескольких процентов кристаллических структур (акриловое стекло, полистирол и все сетчатые полимеры);
— аморфно-кристаллические, содержащие от 25 до 70% кристаллических структур (полиэтилен высокого давления).
По происхождению:
— природные (белки, коллоидная сера, натуральный каучук, целлюлоза, крахмал);
— синтетические (фенолформальдегидные смолы, полистирол).
По химическому составу:
— органические;
— неорганические, не содержащие органических звеньев ни в главной цепи, ни в ответвлениях макромолекулы (пластическая сера, кристаллы кварца);
— элементоорганические, макромолекулы которых состоят из углеводородных групп и неорганических звеньев (кремний-, боро-, фосфорорганические полимеры и др.).