Was sind synthetische Polymere? natürliche und synthetische Polymere. Einteilung nach der Art des Heteroatoms

Wie Sie am Beispiel der Betrachtung organischer Verbindungen lebender Natur sehen konnten, sind viele von ihnen polymerer Natur.

Polymere Substanzen und darauf basierende Materialien sind fest in das tägliche Leben eines Menschen eingetreten. Eine Vielzahl von Anwendungsbereichen erfordert es, diesen Stoffen Eigenschaften zu verleihen, die natürliche Polymere nicht haben.

Chemiker haben Wege gefunden, natürliche Polymere chemisch zu modifizieren. In diesem Fall ändert sich die Hauptkette der Makromoleküle nicht, aber in der Zusammensetzung der Substanz treten neue Atomgruppen auf, die ihr neue physikalische und chemische Eigenschaften verleihen.

Schematisch lässt sich die Herstellung künstlicher Polymere wie folgt darstellen:

Künstliche Polymere werden zur Herstellung von Kunststoffen, Fasern und anderen Materialien verwendet.

Polymer und Kunststoff sind nicht dasselbe. Jeder Kunststoff enthält ein Polymer, aber zusätzlich können auch andere Komponenten in seiner Zusammensetzung enthalten sein: Farbstoffe (geben dem Material Farbe), Füllstoffe (geben die Steifigkeit des Kunststoffs), Weichmacher (machen das Material elastischer, flexibler ), etc.

Das vielleicht bequemste natürliche Polymer für die chemische Rekonstruktion seiner Moleküle ist Zellulose.

Der erste Kunststoff wurde Ende des 19. Jahrhunderts erhalten. in Amerika. Bei der Behandlung von Cellulose mit konzentrierter Salpetersäure in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure werden zwei Hydroxylgruppen in der Struktureinheit durch Nitrogruppen ersetzt. Die resultierende Substanz heißt Cellulosedinitrat:

Cellulose + HNO 3 → Cellulosedinitrat + Wasser.

Wenn Campher (als Weichmacher) zu Cellulosedinitrat hinzugefügt wird, erhält man einen milchig-weißen, elfenbeinähnlichen Kunststoff. Dieser Kunststoff wird Zelluloid genannt.

Billardkugeln waren die ersten Produkte aus Zelluloid, dann kleine Haushaltsgegenstände: Kämme, Spielzeug, Lineale. Filme und fotografische Filme wurden aus Cellulosenitraten hergestellt.

Der große Nachteil von Zelluloid ist seine Brennbarkeit. Aufgrund der erhöhten Brandgefahr ist der Anwendungsbereich von Zelluloid mittlerweile eingeschränkt. Derzeit werden aus diesem Material Tennisbälle und schöne, glänzende Verkleidungen von Musikinstrumenten hergestellt. Auf Basis von Cellulosenitrat werden Leim und Lacke hergestellt.

Die Menschen haben gelernt, viele Nachteile von Substanzen in Vorteile umzuwandeln. Cellulosedinitrat kann noch brennbarer gemacht werden, indem es in Trinitrat umgewandelt wird. Cellulosetrinitrat wird als Schießpulver verwendet und heißt Pyroxylin.

Auf Basis künstlicher Polymere werden nicht nur Kunststoffe, sondern auch Fasern gewonnen.

Zellulose selbst ist ein faseriges Material. Dies ist leicht zu überprüfen, indem man ein Stück medizinische Watte untersucht. Baumwoll- und Leinenstoffe werden aus Zellulosefasern hergestellt. Neben den unbestreitbaren Vorteilen haben Baumwoll- und Leinenprodukte erhebliche Nachteile. Sie sind nicht stark genug (besonders wenn sie nass sind), knittern leicht, haben keinen Glanz und werden durch einen Pilz beschädigt.

Diese Mängel sind bei Produkten aus der gebräuchlichsten Kunstfaser - Acetatseide - nicht vorhanden.

Der Prozess zur Gewinnung eines Polymers für die Herstellung von Acetatfäden ist dem Gewinnen von Cellulosedinitrat sehr ähnlich. Nur in diesem Fall wird die Cellulose nicht mit Salpetersäure, sondern mit Essigsäure behandelt. An der Veresterungsreaktion nehmen alle drei Hydroxylgruppen der Struktureinheit der Cellulose teil. Als Ergebnis entsteht ein Polymer mit drei Estergruppen - Cellulosetriacetat:

Zellulose + CH 3 COOH → Zellulosetriacetat + Wasser.

Cellulosetriacetat hat im Gegensatz zum ursprünglichen natürlichen Polymer keine faserige Struktur. Wie macht man Fäden daraus? Dafür wurde ein spezielles technologisches Verfahren erfunden.

Cellulosetriacetat wird in einem organischen Lösungsmittel zu einer zähflüssigen Lösung gelöst und unter hohem Druck durch Kappen mit vielen winzigen Löchern – den sogenannten Spinndüsen – gepresst. Mit warmer Luft werden Strahlen der Lösung geblasen, das Lösungsmittel verdunstet, das Polymer härtet zu feinsten Fäden aus (Abb. 83).

Rns. 83.
Faserbildungsschema:
1 - sterben; 2 - Faserbündel

Stoffe aus Acetatfasern (Acetatseide) sind sehr schön, leicht zu färben und multifunktional: Sie eignen sich gleichermaßen für Futterstoffe und elegante Ballkleider.

Zu den Kunstfasern gehören neben Acetatseide auch Viskose, Kupfer-Ammoniak-Fasern.

Viskose wird auch auf der Basis von Cellulose durch aufeinanderfolgende Behandlung mit einer Alkalilösung, Schwefelkohlenstoff CS 2 , einer Säurelösung erhalten. Viskosefaser ist fast so schön wie Naturfaser, sie ist auch hygienisch (lässt Feuchtigkeit raus) und vor allem viel billiger als Naturfaser.

Kann bei der Herstellung von Kunststoffen und Fasern vollständig auf natürliche polymere Rohstoffe verzichtet werden? Für die moderne Chemie ist nichts unmöglich! Synthetische Polymere werden im nächsten Abschnitt diskutiert.

Neue Wörter und Konzepte

1. künstliche Polymere.
2. Kunststoffe.
3. Zelluloid.
4. Fasern.
5. Acetatfaser, Viskose, Kupfer-Ammoniak-Faser.

Fragen und Aufgaben

1. Welche Polymere werden als künstlich bezeichnet? Wie unterscheiden sie sich von natürlichen?
2. Kunststoffe werden manchmal auch als Verbundwerkstoffe bezeichnet. Erklären Sie die Herkunft dieses Begriffs.
3. Welcher Kunststoff heißt Zelluloid? Wie und woraus wird es gewonnen? Geben Sie den Nachteil dieses Polymers an. Listen Sie die Verwendungen von Zelluloid auf.
4. Auf Verpackungen mit Nitrozellulose-Kleber wird auf die Einhaltung der Brandschutzmaßnahmen beim Umgang damit hingewiesen. Womit ist es verbunden?
5. Was sind Fasern? Welche Naturfasern (tierischen und pflanzlichen Ursprungs) und Kunstfasern kennen Sie?
6. Welche Art von Reaktion ist die Herstellung von Cellulosetriacetat? Zu welcher Klasse organischer Verbindungen gehört das Produkt dieser Reaktion?
7. Wie wird Cellulosetriacetat zu Fasern geformt? Wofür werden Acetatseidenstoffe verwendet?

Hochmolekulare Verbindungen (HMCs) sind Substanzen, die aus großen Molekülen bestehen. Es ist allgemein anerkannt, dass Verbindungen mit einem Molekulargewicht von mehr als 5000 als hochmolekular gelten, aber oft kann es mehrere Millionen erreichen (insbesondere bei natürlichen Spiralen). Es gibt keine scharfe Grenze zwischen Verbindungen mit hohem und niedrigem Molekulargewicht. Einige Tannine mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 verhalten sich also wie typische Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, und Paraffine mit demselben Molekulargewicht haben alle Eigenschaften von Verbindungen mit hohem Molekulargewicht. Der Übergang von niedermolekularen zu hochmolekularen Verbindungen ist nicht mit der Molekulargewichtsänderung selbst verbunden, sondern mit der dadurch bedingten qualitativen Eigenschaftsänderung (Umwandlung von Quantität in Qualität).

Die Größe der IUP-Moleküle ist sehr groß im Vergleich zur Größe gewöhnlicher Moleküle. Die Länge der Zellulosemoleküle erreicht also 25 * -50 * (25.000-50.000 E) mit einer Größe im Durchmesser von 3,5 * -7 * cm (3,5-7 E).

HMCs werden manchmal als Hochpolymere (oder einfach Polymere) bezeichnet. Aber genau genommen ist der zweite Begriff enger gefasst. Alle Polymere sind HMCs, aber nicht alle HMCs können Polymere sein. Im Polymermolekül müssen die Reste der Ausgangssubstanz, des Monomers, chemisch gebunden und regelmäßig wiederholt werden. Ein großes Polymermolekül wird als Makromolekül oder Polymerkette bezeichnet, und die Reste selbst werden als elementare (monomere, sich wiederholende) Verknüpfungen oder einfach als Verknüpfungen bezeichnet. Im Gegensatz zu einem Molekül einer Verbindung mit niedrigem Molekulargewicht ist ein Makromolekül nicht das kleinste Teilchen - der Träger der chemischen Eigenschaften einer Substanz, denn wenn das Makromolekül in kürzere Ketten zerlegt wird, bleiben diese Eigenschaften erhalten.

Die Anzahl der Glieder in der Kette wird als Polymerisationsgrad bezeichnet (bezeichnet mit n, P oder SP).

Beim Schreiben von Summenformeln von Polymeren werden aufgrund ihres großen Molekulargewichts (M) Endeinheiten nicht berücksichtigt, beispielsweise die Summenformel von Cellulose (, Kautschuk (.

Jedes Polymer besteht immer aus Makromolekülen unterschiedlicher Länge. Daher wurde in der Chemie makromolekularer Substanzen das Konzept der Polymerhomologen eingeführt, was Verbindungen gleicher chemischer Struktur bedeutet, die sich im Molekulargewicht unterscheiden. Jede Polymerverbindung ist eine Mischung aus Polymerhomologen – Verbindungen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Verknüpfungen im Makromolekül, d. h. mit unterschiedlichen Kettenlängen. Polymerhomologe bilden eine polymerhomologe Reihe, d. h. eine Reihe von Verbindungen, in denen sich jedes nachfolgende Mitglied vom vorherigen durch eine Gruppe von Atomen unterscheidet - eine elementare Verknüpfung.

Daher sind Polymere immer durch ein mittleres Molekulargewicht gekennzeichnet. Das durchschnittliche Molekulargewicht ist das Produkt aus der durchschnittlichen Anzahl von Einheiten (durchschnittlicher SP) mal dem Molekulargewicht der Einheit. Die Heterogenität des IUP in Bezug auf das Molekulargewicht wird als molekulare Heterogenität, Polydispersität oder Polymolekularität bezeichnet. Es wird durch die Methode der Fraktionierung von IUPs nach Molekulargewicht bestimmt. Es sollte betont werden, dass viele der physikalisch-mechanischen Eigenschaften von IUPs – die Fähigkeit zu quellen und sich aufzulösen, die Eigenschaften von Lösungen – weitgehend nicht nur vom durchschnittlichen Molekulargewicht der IUPs abhängen, sondern auch von ihrer Polydispersität.

Die Eigenschaften von IUPs werden durch die chemische Zusammensetzung, die molekulare Struktur, das durchschnittliche Molekulargewicht und die molekulare Heterogenität, die Form der Makromoleküle, ihre gegenseitige Anordnung (physikalische Struktur) usw. bestimmt. Abhängig von diesen Faktoren können die Eigenschaften von HMS stark variieren, jedoch sind einige gemeinsame Eigenschaften für alle HMS charakteristisch. Alle IUPs sind aufgrund ihres hohen Molekulargewichts nicht flüchtig und können nicht destilliert werden. Die meisten HCMs haben keinen bestimmten Kontrollpunkt und erweichen beim Erhitzen allmählich, während einige HCMs beim Erhitzen nicht sofort erweichen und sich zersetzen können. Daher sind solche Verfahren zur Isolierung und Reinigung chemischer Verbindungen wie Destillation und Umkristallisation nicht auf Polymere anwendbar. IUPs sind oft sehr empfindlich gegenüber äußeren Faktoren und zerfallen leicht unter der Wirkung zerstörerischer Mittel.

Der Unterschied zwischen Polymeren und Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht ist besonders deutlich in den mechanischen Eigenschaften. Die mechanischen Eigenschaften von Polymeren sind eine Kombination der Eigenschaften von Feststoffen und Flüssigkeiten. Polymere haben eine hohe Festigkeit und die Fähigkeit zu erheblichen reversiblen Verformungen.

Eine der wichtigen Eigenschaften von IUPs ist ihre Löslichkeit. Aber im Gegensatz zu niedermolekularen Verbindungen lösen sie sich viel langsamer auf. Der Auflösung des IUP geht notwendigerweise eine Schwellung voraus. Einige Polymere lösen sich überhaupt nicht in Lösungsmitteln.

Polymere weisen in Lösungen besondere Eigenschaften auf (hohe Viskosität, einige thermodynamische Anomalien).

Auch Reaktionen chemischer Umwandlungen makromolekularer Verbindungen weisen charakteristische Merkmale auf. Diese Verbindungen reagieren viel langsamer mit verschiedenen Reagenzien, und die meisten Reaktionen laufen in der Regel nicht vollständig ab. In einigen Fällen treten neben der Hauptreaktion Nebenreaktionen auf, die den Hauptprozess stören.

Nach der Art der Glieder in den Ketten werden Polymere in Homopolymere und Copolymere eingeteilt. Bei Homopolymeren bestehen Makromoleküle aus denselben Elementareinheiten, bei Heteropolymeren oder Copolymeren aus zwei oder mehr verschiedenen Elementareinheiten.

Je nach chemischer Zusammensetzung und chemischer Struktur von Makromolekülen werden IUPs in organische, anorganische und Organoelemente unterteilt. Organische Polymere werden weiter in zwei Klassen unterteilt: Kohlenstoffketten- und Heterokettenpolymere. Die Ketten von Kohlenstoffkettenpolymeren sind nur aus Kohlenstoffatomen aufgebaut, die Ketten von Heterokettenpolymeren sind aus Kohlenstoffatomen und Heteroatomen (Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel) aufgebaut. Carbochain-Polymere werden gemäß der in der organischen Chemie akzeptierten Klassifikation weiter unterteilt.

Entsprechend der räumlichen Struktur werden alle Polymere in lineare, verzweigte und räumliche unterteilt.

Abbildung 1.1 - Schematische Darstellung von linearen (a), verzweigten (b) und vernetzten (c) Polymermolekülen

In linearen Polymeren sind Makromoleküle lange Ketten (a). Die Länge von Makromolekülen solcher Polymere übersteigt die Querabmessung deutlich. Lineare Polymere können geschmolzen und in geeigneten Lösungsmitteln gelöst werden. Einige natürliche lineare Polymere sind faserig (Cellulose), andere sind sehr elastisch (Gummi).

In verzweigten Polymeren (b) sind die Makromoleküle lange Ketten mit Verzweigungen. Die Verzweigung muss eine oder mehrere Monomereinheiten enthalten. Die Anzahl und Länge der Äste kann stark variieren. Verzweigte Polymere schmelzen und lösen sich typischerweise auf. Ihre Eigenschaften hängen jedoch vom Verzweigungsgrad ab. Hochverzweigte Polymere sind pulverförmige Substanzen (Stärke).

Räumliche Polymere werden als Polymere bezeichnet, die aus langen Ketten aufgebaut sind, die im Raum durch transversale chemische Bindungen oder kurze Ketten verbunden sind, um ein Netzwerk zu bilden (c). Solche Polymere werden auch als Netzwerk, vernetzt, dreidimensional bezeichnet. Räumliche Polymere schmelzen oder lösen sich nicht auf.

Je nach Art des Wechsels der Glieder in der Kette werden Polymere in regelmäßig und unregelmäßig unterteilt. Bei regulären linearen Polymeren wird der korrekte Wechsel der Glieder in der Kette beobachtet, bei unregelmäßigen Polymeren ist die Ordnung in der Kette gestört. Verzweigte Polymere erfahren auch Unregelmäßigkeiten aufgrund von Unterschieden in der Anzahl und Länge der Seitenketten sowie im Ort ihrer Bindung an die Hauptkette. Viele Eigenschaften von Polymeren sind von großem praktischem Wert und bestimmen ihre breite praktische Anwendung. Nach Herkunft werden die IUPs in drei Typen unterteilt:

• 1. Natürlich, isoliert von natürlichen Metallen. (Vor kurzem wurden natürliche Polymere mit biologischer Aktivität – Proteine, Nukleinsäuren, einige Polysaccharide und gemischte Polymere – in eine separate Gruppe biologischer Polymere oder Biopolymere getrennt.)
• 2. Künstlich, erhalten durch chemische Modifikation natürlicher Polymere.
• 3. Synthetisch, synthetisiert aus niedermolekularen Verbindungen. Je nach Herstellungsverfahren werden sie in Polymerisations- und Polykondensationspolymere eingeteilt.

In einer separaten Gruppe ist es üblich, Polyacetale zu isolieren. Dazu gehören verschiedene Polysaccharide (Stärke, Cellulose und ihre Derivate, Hemicellulosen etc.) und Polyuronsäuren.

Beispielsweise ist Cellulose ein Polysaccharid, dessen Makromoleküle aus β-D-Glucopyranose-Einheiten bestehen, die durch glucosidische Einheiten 1-4 verbunden sind.

Strukturformel des Zellulose-Makromoleküls:

n ist der Polymerisationsgrad gleich 6000-14000.

Besonderheiten

Besondere mechanische Eigenschaften:

• Elastizität - die Fähigkeit zu hohen reversiblen Verformungen bei relativ geringer Belastung (Gummi);
• geringe Sprödigkeit von glasigen und kristallinen Polymeren (Kunststoffe, organisches Glas);
• die Fähigkeit von Makromolekülen, sich unter der Einwirkung eines gerichteten mechanischen Feldes zu orientieren (wird bei der Herstellung von Fasern und Filmen verwendet).

Eigenschaften von Polymerlösungen:

• hohe Lösungsviskosität bei niedriger Polymerkonzentration;
• die Auflösung des Polymers erfolgt durch das Quellstadium.

Besondere chemische Eigenschaften:

• die Fähigkeit, seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften unter Einwirkung kleiner Mengen eines Reagenz (Gummivulkanisation, Ledergerbung usw.) dramatisch zu verändern.

Die besonderen Eigenschaften von Polymeren erklären sich nicht nur durch ihr großes Molekulargewicht, sondern auch dadurch, dass Makromoleküle eine Kettenstruktur haben und flexibel sind.

Einstufung

Entsprechend der chemischen Zusammensetzung werden alle Polymere unterteilt in organisch, Organoelement, anorganisch.

• organische Polymere.
• Organoelement-Polymere. Sie enthalten anorganische Atome (Si, Ti, Al) kombiniert mit organischen Resten in der Hauptkette der organischen Reste. Sie kommen in der Natur nicht vor. Ein künstlich gewonnener Vertreter sind Organosiliciumverbindungen.

Zu beachten ist, dass in technischen Werkstoffen häufig Kombinationen verschiedener Polymergruppen eingesetzt werden. Das kompositorisch Materialien (z. B. Glasfaser).

Entsprechend der Form von Makromolekülen werden Polymere in lineare, verzweigte (ein Sonderfall - sternförmig), bandförmige, flache, kammförmige Polymernetzwerke usw. unterteilt.

Polymere werden nach ihrer Polarität klassifiziert (beeinflusst die Löslichkeit in verschiedenen Flüssigkeiten). Die Polarität der Polymereinheiten wird durch das Vorhandensein von Dipolen in ihrer Zusammensetzung bestimmt - Moleküle mit einer getrennten Verteilung positiver und negativer Ladungen. Bei unpolaren Verbindungen kompensieren sich die Dipolmomente der Atombindungen gegenseitig. Polymere, deren Einheiten eine signifikante Polarität aufweisen, werden genannt hydrophil oder Polar-. Polymere mit unpolaren Einheiten - unpolar, hydrophob. Polymere, die sowohl polare als auch unpolare Einheiten enthalten, werden genannt amphiphil. Es wird vorgeschlagen, Homopolymere zu nennen, bei denen jede Verknüpfung sowohl polare als auch unpolare große Gruppen enthält amphiphile Homopolymere.

In Bezug auf das Erhitzen werden Polymere unterteilt in Thermoplast und Duroplast. Thermoplast Polymere (Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol) erweichen beim Erhitzen, schmelzen sogar und härten beim Abkühlen aus. Dieser Vorgang ist reversibel. Duroplast Beim Erhitzen unterliegen Polymere einem irreversiblen chemischen Abbau, ohne zu schmelzen. Moleküle von duroplastischen Polymeren haben eine nichtlineare Struktur, die durch Vernetzen (zum Beispiel Vulkanisation) von Kettenpolymermolekülen erhalten wird. Die elastischen Eigenschaften duroplastischer Polymere sind höher als die von Thermoplasten, duroplastische Polymere fließen jedoch praktisch nicht, wodurch sie eine geringere Bruchspannung aufweisen.

Natürliche organische Polymere werden in pflanzlichen und tierischen Organismen gebildet. Die wichtigsten davon sind Polysaccharide, Proteine ​​und Nukleinsäuren, aus denen die Körper von Pflanzen und Tieren zu einem großen Teil bestehen und die das Funktionieren des Lebens auf der Erde sicherstellen. Es wird angenommen, dass das entscheidende Stadium bei der Entstehung des Lebens auf der Erde die Bildung komplexerer makromolekularer Moleküle aus einfachen organischen Molekülen war (siehe Chemische Evolution).

Typen

synthetische Polymere. Künstliche Polymermaterialien

Der Mensch verwendet seit langem natürliche Polymermaterialien in seinem Leben. Dies sind Leder, Pelze, Wolle, Seide, Baumwolle usw., die zur Herstellung von Kleidung verwendet werden, verschiedene Bindemittel (Zement, Kalk, Ton), die bei entsprechender Verarbeitung dreidimensionale Polymerkörper bilden, die als Baumaterialien weit verbreitet sind. Die industrielle Produktion von Kettenpolymeren begann jedoch Anfang des 20. Jahrhunderts, obwohl die Voraussetzungen dafür schon früher vorlagen.

Fast sofort entwickelte sich die industrielle Produktion von Polymeren in zwei Richtungen - durch die Verarbeitung natürlicher organischer Polymere zu künstlichen Polymermaterialien und durch die Gewinnung synthetischer Polymere aus organischen Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht.

Im ersten Fall basiert die Großkapazitätsproduktion auf Zellulose. Das erste polymere Material aus physikalisch modifizierter Zellulose – Celluloid – wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts gewonnen. Die großtechnische Produktion von Celluloseethern und -estern wurde vor und nach dem Zweiten Weltkrieg organisiert und dauert bis heute an. Auf ihrer Basis werden Filme, Fasern, Farben und Lacke sowie Verdickungsmittel hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Entwicklung von Kino und Fotografie nur durch das Auftreten eines transparenten Films aus Nitrocellulose möglich war.

Die Produktion synthetischer Polymere begann 1906, als L. Baekeland das sogenannte Bakelitharz patentieren ließ - ein Kondensationsprodukt aus Phenol und Formaldehyd, das sich beim Erhitzen in ein dreidimensionales Polymer verwandelt. Es wird seit Jahrzehnten zur Herstellung von Gehäusen für Elektrogeräte, Batterien, Fernseher, Steckdosen usw. verwendet und wird heute häufiger als Bindemittel und Klebstoff verwendet.

Dank der Bemühungen von Henry Ford begann vor dem Ersten Weltkrieg die rasante Entwicklung der Automobilindustrie, zunächst auf Basis von Natur-, dann auch Synthesekautschuk. Die Produktion des letzteren wurde am Vorabend des Zweiten Weltkriegs in der Sowjetunion, England, Deutschland und den USA gemeistert. In den gleichen Jahren wurde die industrielle Produktion von Polystyrol und Polyvinylchlorid, die hervorragende elektrische Isoliermaterialien sind, sowie von Polymethylmethacrylat beherrscht – ohne organisches Glas namens „Plexiglas“ wäre der Massenflugzeugbau in den Kriegsjahren nicht möglich gewesen.

Nach dem Krieg wurde die vor dem Krieg begonnene Produktion von Polyamidfasern und -geweben (Kapron, Nylon) wieder aufgenommen. In den 50er Jahren. 20. Jahrhundert Polyesterfaser wurde entwickelt und die Herstellung von Stoffen auf ihrer Basis namens Lavsan oder Polyethylenterephthalat beherrscht. Polypropylen und Nitron - Kunstwolle aus Polyacrylnitril - schließen die Liste der synthetischen Fasern ab, die moderne Menschen für Kleidung und industrielle Aktivitäten verwenden. Im ersten Fall werden diese Fasern sehr oft mit natürlichen Cellulose- oder Proteinfasern (Baumwolle, Wolle, Seide) kombiniert. Ein epochales Ereignis in der Welt der Polymere war die Entdeckung Mitte der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts und die rasche industrielle Entwicklung von Ziegler-Natta-Katalysatoren, die zur Entstehung von Polymermaterialien auf Basis von Polyolefinen und vor allem Polypropylen und Niedrig führte -Druckpolyethylen (davor die Herstellung von Polyethylen bei einem Druck von etwa 1000 atm), sowie stereoreguläre Polymere, die zur Kristallisation befähigt sind. Dann wurden Polyurethane in die Massenproduktion eingeführt - die gebräuchlichsten Dichtstoffe, Klebstoffe und porösen weichen Materialien (Schaumgummi) sowie Polysiloxane - elementorganische Polymere, die im Vergleich zu organischen Polymeren eine höhere Wärmebeständigkeit und Elastizität aufweisen.

Die Liste wird durch die sogenannten einzigartigen Polymere geschlossen, die in den 60-70er Jahren synthetisiert wurden. 20. Jahrhundert Dazu gehören aromatische Polyamide, Polyimide, Polyester, Polyesterketone usw.; ein unverzichtbares Merkmal dieser Polymere ist das Vorhandensein aromatischer Zyklen und (oder) aromatischer kondensierter Strukturen. Sie zeichnen sich durch eine Kombination aus hervorragenden Werten von Festigkeit und Hitzebeständigkeit aus.

Feuerfeste Polymere

Viele Polymere wie Polyurethane, Polyester und Epoxidharze neigen zum Entzünden, was in der Praxis oft nicht akzeptabel ist. Um dies zu verhindern, werden verschiedene Additive verwendet oder halogenierte Polymere verwendet. Halogenierte ungesättigte Polymere werden synthetisiert, indem chlorierte oder bromierte Monomere wie Hexachlorendomethylentetrahydrophthalsäure (HCEMTFA), Dibromneopentylglykol oder Tetrabromphthalsäure in die Kondensation eingebaut werden. Der Hauptnachteil solcher Polymere besteht darin, dass sie beim Verbrennen Gase freisetzen können, die Korrosion verursachen, was sich nachteilig auf die Elektronik in der Nähe auswirken kann. Angesichts der hohen Anforderungen an die Umweltsicherheit wird besonderes Augenmerk auf halogenfreie Komponenten gelegt: Phosphorverbindungen und Metallhydroxide.

Die Wirkung von Aluminiumhydroxid beruht darauf, dass bei hoher Temperatureinwirkung Wasser freigesetzt wird, das eine Verbrennung verhindert. Um die Wirkung zu erzielen, ist es notwendig, große Mengen an Aluminiumhydroxid zuzugeben: 4 Gewichtsteile zu einem Teil ungesättigter Polyesterharze.

Ammoniumpyrophosphat funktioniert nach einem anderen Prinzip: Es verursacht eine Verkohlung, die zusammen mit einer glasigen Pyrophosphatschicht den Kunststoff vom Sauerstoff isoliert und so die Ausbreitung von Feuer hemmt.

Ein neuer vielversprechender Füllstoff sind geschichtete Alumosilikate, deren Herstellung

Anwendung

Aufgrund ihrer wertvollen Eigenschaften werden Polymere im Maschinenbau, in der Textilindustrie, in der Landwirtschaft und Medizin, im Automobil- und Schiffsbau, im Flugzeugbau und im Alltag (Textil- und Lederwaren, Geschirr, Kleber und Lacke, Schmuck und andere Gegenstände) verwendet. Auf Basis makromolekularer Verbindungen werden Gummi, Fasern, Kunststoffe, Folien und Lackschichten hergestellt. Alle Gewebe lebender Organismen sind makromolekulare Verbindungen.

Polymerwissenschaft

Die Wissenschaft der Polymere begann sich mit Beginn des Zweiten Weltkriegs als eigenständiges Wissensgebiet zu entwickeln und bildete sich in den 50er Jahren als Ganzes heraus. XX Jahrhundert, als die Rolle von Polymeren bei der Entwicklung des technischen Fortschritts und der lebenswichtigen Aktivität biologischer Objekte erkannt wurde. Sie ist eng verwandt mit der Physik, physikalischen, kolloidalen und organischen Chemie und kann als eine der grundlegenden Grundlagen der modernen Molekularbiologie angesehen werden, deren Untersuchungsgegenstand Biopolymere sind.

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Heutzutage ist die Verwendung einer Vielzahl von Polymeren vielleicht undenkbar, die sich sowohl in der Schwerindustrie und im Bauwesen als auch in der Leicht- und Lebensmittelindustrie einen dominierenden Platz erobert haben. Was ist dieses wunderbare Material?

Was sind polymere

Ein Polymer ist ein makromolekularer Stoff, der aus sich periodisch wiederholenden Kettenstrukturen (Monomeren) besteht. Es kann eine unglaublich große Anzahl solcher Glieder in der Polymerkette geben. Ihre Wechselwirkung untereinander wird durchgeführt, mit deren Hilfe sie zur Bildung von Makromolekülen beitragen.

Polymere sind organischen oder anorganischen Ursprungs. In organischen Molekülverbindungen ist die Anwesenheit von Kohlenstoff zwingend, was für anorganische oder synthetische Strukturen nicht grundlegend ist. Organische Polymerverbindungen sind Organoelement, Carbochain und Heterochain.

Darüber hinaus werden Polymere weiter in natürliche, künstliche und synthetische Polymere unterteilt. Darüber hinaus werden mit Hilfe bestimmter chemischer Reaktionen auch künstliche makromolekulare Verbindungen aus organischen Monoketten gewonnen. So werden beispielsweise Wolle oder Baumwolle durch einen chemischen Prozess zu künstlichen Polymerfasern.

Und was sind die Unterscheidungsmerkmale von Synthetik? Moderne ermöglichen es, Polymere ohne die Verwendung von organischem Material, dh die Bildung aus künstlichen Materialien, künstlich herzustellen oder zu synthetisieren. Synthetische Polymere werden durch Synthese einfacher niedermolekularer Substanzen oder aus anderen synthetischen polymeren Substanzen erhalten.

Klassifizierung von Polymeren

Die bedingte Systematisierung unterteilt sie in die folgenden Gruppen:

1. Natürliche tierische Polymere, die von der Menschheit seit langem verwendet werden. Beispiele sind die folgenden: Gelatine, Glykogen.

2. Natürliche Pflanzenpolymere, die uns ebenfalls vertraut sind. Dies sind Stärke, Kautschuk, Lignin und Zellulose.

3. Natürliche mineralische Polymere sind ein weit verbreitetes Kieselsäure- oder Quarzmineral namens Farbiger Kristall wird zu Edelstein - Amethyst. In zerkleinerter Form wird es für uns zum üblichen Sand.

4. Künstliche Polymere aus organischen Monomeren. Durch Auslaugen werden aus der Substanz Zellulose Polyester hergestellt: Ethylzellulose, Benzylzellulose sowie Methylzellulose, die in der Farben- und Lackindustrie verwendet werden. Viele dieser Stoffe werden aus Wolle, Leder, Pelz, Seide usw. hergestellt.

5. Synthetische Polymere, die in vielen Branchen weit verbreitet sind, sind weit verbreitet. In der Leichtindustrie werden beispielsweise Stoffe und Strickwaren aus synthetischen Fasern wie Lavsan, Nylon, Polypropylen und Nitron hergestellt. Sie sind sehr langlebig und nahezu unauslöschlich. Synthetische Polymere, die den Hauptbestandteil der Fasern dieser Stoffe darstellen, werden durch Polykondensation bestimmter chemischer Säuren mit Stoffen wie Ethylenglykol, Hexamethylendiamin, Polyolefin oder Polyacrylnitril gewonnen. Daher werden die Haupteigenschaften der „Vorläufer“-Polymere auf völlig neue Polycompounds übertragen. Als Ergebnis erhalten wir sehr leichte und elastische Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, beständig gegen chemische, physikalische und atmosphärische Einflüsse.

Aufgrund vieler wertvoller Eigenschaften haben synthetische Polymere nicht nur in der Textilindustrie, sondern auch in der Medizin, Kosmetik und Parfümerie, Landwirtschaft, Automobil, Bau, Haushalt und anderen Bereichen Anwendung gefunden.

Polymere sind eine spezielle Klasse chemischer Verbindungen, deren spezifische Eigenschaften auf der großen Länge, Kettenstruktur und Flexibilität ihrer Makromoleküle beruhen.

Unter einem Makromolekül wiederum versteht man eine Menge von Atomen oder Atomgruppen unterschiedlicher oder gleicher Zusammensetzung und Struktur, die durch chemische Bindungen zu einer linearen oder verzweigten Struktur verbunden sind, mit ausreichend hohem Molekulargewicht. Die kleinste, sich wiederholende Gruppierung von Atomen in einer Kette wird als Makromolekülglied bezeichnet.

Je nach Anwesenheit in den Makromolekülen eines oder mehrerer Zerfalls. Arten von Monomereinheiten werden unterschieden Homo- und Copolymere, bestehend aus einer und mindestens zwei (oder mehr) Arten von Links.

Polymerisation ist der Prozess der Umwandlung eines Monomers oder einer Mischung von Monomeren in ein Polymer.

Der Polymerisationsgrad ist die Anzahl der Monomereinheiten in einem Polymermolekül.

Klassifikation der Marine

1) nach Herkunft: a) natürlich (Cellulose), b) künstlich (halbsynthetisch), c) synthetisch 2) Nach der Geometrie des Skeletts des Polymer-Makromoleküls

Linear (A)- die Hauptkette von Makromolekülen, die aus sich wiederholenden Gliedern besteht, die in einer linearen Struktur miteinander verbunden sind. Visuelles Modell: eine lange Kette, die an einer Stelle zerrissen ist.

Verzweigt (B, C, D) Polymere bestehen aus Makromolekülen, deren Hauptkette im Gegensatz zu linearen Seitenzweigen zufällig angeordnete Seitenäste enthält, deren Länge von mehreren Atomen bis zur Größe der Hauptkette reicht. ( sternförmig (S), stellen eine Reihe von Ketten dar, die von einem Zentrum ausgehen; kammförmig (G) Polymere mit kurzen Verzweigungen in jedem Glied, wie Polyhexadecylacrylat:

(-CH 2 -CH-(COOS 16 H 33) -) n

Genäht oder Mesh- Makromoleküle, bilden ein räumliches Gitter. Unter vernetzten Polymeren gibt es dicht und schwach vernetzt, unterscheiden sich stark in ihren Eigenschaften. Die vernetzten werden manchmal als sogenannte „ Treppe„(E) Polymere, deren zwei parallele Ketten an jedem Glied vernetzt sind.

Copolymere wiederum werden je nach Art der Anordnung der Verknüpfungen unterteilt in:

a) statistisch– zufällig entlang der Kette angeordnete Monomereinheiten; (-A-B-B-A-B-A-A-B-A-B-B-)

b) abwechselnd - mit strengem Wechsel der Glieder in der Kette; (A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-)

in) Block (Blockcopolymere) - lineare Makromoleküle, die aus abwechselnd ausgedehnten Sequenzen von Verknüpfungen (Blöcken) bestehen, die sich in Zusammensetzung oder Struktur unterscheiden; -(A)-n -(B)-m

G) geimpft Copolymere, verzweigte Makromoleküle, die aus mehreren chemisch verknüpften Sequenzen von Monomereinheiten bestehen - der Hauptkette und den Seitenzweigen, die sich in Zusammensetzung oder Struktur unterscheiden. -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-

Natürliche und synthetische Polymere

Polymere werden in natürliche (Biopolymere: Proteine, Nukleinsäuren, Naturharze) und synthetische (Polyethylen, Polypropylen, Phenol-Formaldehyd-Harze) unterteilt.

Biopolymere sind eine Klasse natürlich vorkommender Polymere, die Bestandteil lebender Organismen sind: Proteine, Nukleinsäuren, Polysaccharide. Biopolymere bestehen aus identischen (oder unterschiedlichen) Einheiten – Monomeren. Monomere von Proteinen - Aminosäuren, Nukleinsäuren - Nukleotide, in Polysacchariden - Monosaccharide.

Es gibt zwei Arten von Biopolymeren – regulär (einige Polysaccharide) und irregulär (Proteine, Nukleinsäuren, einige Polysaccharide). Gemischte Biopolymere - Glykoproteine, Lipoproteine, Glykolipide. Biopolymere können nach ihrer chemischen Struktur eingeteilt werden:

1. Polykohlenwasserstoffe (Polyisopren, (-CH 2 -C (CH 3) \u003d CH-CH 2 -) n, gefunden im Milchsaft (Latex) von Hevea, Kok-Saghyz (mehrjährige krautige Pflanze der Gattung Löwenzahn)

2. Kohlenhydrate (Polysaccharide: Cellulose, Stärke, Glykogen, Chitin, Chitosan)

3. Proteine ​​(Polyamide, Polymere von α-Aminosäuren).

4. DNA und RNA.

Synthetische Polymere sind nicht natürliche Polymermaterialien, die hergestellt werden, um natürliche Materialien zu ersetzen. Synthetische Polymere entstehen durch Polymerisation und Polykondensation. Unter den synthetischen Polymeren gibt es eine eigene Gruppe, die Kautschuke und kautschukähnliche Polymere umfasst. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch erstaunliche Verformbarkeit und hochelastische Eigenschaften aus, weshalb ihnen der Name Elastomer gegeben wurde. Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts wurde das erste Material aus physikalisch modifizierter Zellulose hergestellt, und bis heute werden Fasern, Folien, Verdickungsmittel und Lacke aus demselben Material hergestellt. Es erhielt den Namen Zelluloid, das allen als Zellulose bekannt ist.

Nomenklatur der Marine

1) Trivial

Beispiele umfassen Polytetrafluorethylen, das allgemein als Teflon bekannt ist; Poly-1,4-Betaglukon = Zellulose.

2) Vernünftig

Das Präfix „poly-“ wird dem Namen des Monomers vorangestellt; enthält der Name des Monomers mehrere Wörter, wird er in Klammern gesetzt:

3) Systematisch (vorgeschlagen von IUPAC)

Basierend auf der Beschreibung der Struktur einer zusammengesetzten Wiederholungseinheit einer Polymerkette (CCR) in Übereinstimmung mit bestimmten Regeln

Der Name des Polymers beginnt mit dem Präfix „Poly-“, gefolgt vom Namen des SDR in Klammern.

Um einem Polymer einen Namen zu geben, ist es daher notwendig: ​​den SDR zu identifizieren, den SCR auszurichten, dem SCR den Namen zu geben. SDR kann einfach sein oder aus mehreren Untereinheiten bestehen. Als Untereinheit wird die größte Atomgruppe (bzw. Zyklen der Hauptkette) gewählt, die nach den IUPAC-Nomenklaturregeln für niedermolekulare organische Verbindungen benannt werden kann. Atome und Untereinheiten sind im SDR in absteigender Rangfolge von links nach rechts angeordnet, der Weg zwischen den Untereinheiten sollte der kürzeste sein. Die Vorrangregeln lauten wie folgt:

1. Alle Heteroatome sind gegenüber Kohlenstoff erstrangig. Unter ihnen wird das Dienstalter durch die Position im Periodensystem bestimmt, es nimmt ab, wenn man sich gruppenweise von der oberen rechten Ecke des Periodensystems in die untere linke Ecke bewegt. Die Dienstaltersreihe beginnt mit Fluor, das Dienstalter nimmt in der Reihenfolge ab: F, Cl, Br, ... , O, S, Se, ... , N, P, As, Sb, ..., Fr.

2. Die Seniorität von Untereinheiten wird durch Folgendes bestimmt: Heterocyclen > Heteroatome oder lineare Untereinheiten, einschließlich Heteroatome > Carbocyclen > acyclische Untereinheiten. Die Anwesenheit von Stellvertretern ändert nichts an der Rangfolge der Untereinheiten. Wenn alle anderen Dinge gleich sind, haben diejenigen mit der kleinsten Substituentenposition den Vorteil.

3. Heterocyclen sind nach Rangfolge geordnet: stickstoffhaltige > Heterocyclen, die neben Stickstoff weitere Heteroatome enthalten, deren Rangfolge nach Absatz 1 bestimmt wird > Systeme mit der größten Ringzahl > Systeme mit dem größten Ring > Zyklus mit der größten Anzahl an Heteroatomen > Systeme mit der größten Anzahl an Heteroatomen > Systeme mit der größten Auswahl an Heteroatomen. Unter sonst gleichen Bedingungen haben ungesättigte Zyklen einen Vorteil.

4. Unter den carbocyclischen Gruppen dominieren die mit der größten Anzahl an Zyklen, gefolgt von Systemen: mit dem größten Einzelzyklus > mit der größten Anzahl gemeinsamer Atome aller Zyklen > mit der kleinsten Zahl, die die Knotenpunkte der Zyklen kennzeichnet, > Systeme mit der größten Ungesättigtheit.

Wenn in der Hauptkette gleichartige Atome und Zyklen vorhanden sind, wird die Reihenfolge ihrer Anordnung durch die alphabetische Reihenfolge der Namen der Substituenten bestimmt, zum Beispiel:

In einigen Fällen können neben der von der IUPAC empfohlenen systematischen Nomenklatur auch andere Nomenklaturen verwendet werden. So kann für ein Polymer mit der systematischen Bezeichnung Polyoxyethyleniminomethylenthioethylenamino-1,3-cyclohexen die sogenannte Substitutionsnomenklatur angewendet werden. Danach erhält das SDR der Hauptkette einen Namen in Anlehnung an die acyclischen Kohlenwasserstoffatome, ähnlich in Anzahl und Reihenfolge der Nummerierung, mit den entsprechenden Präfixen an den Heteroatomen „Aza“, „Oxa“, „Thia“ etc . Gemäß dieser Nomenklatur wird das Polymer als Poly-1-oxa-6-thia-4,9-diazanonamethylen-1,3-cyclohexen bezeichnet.