Классификация полимеров. 
Высокомолекулярные соединения

Существует несколько взаимодополняющих принципов классификации полимеров, что дает наиболее полное представление об их строении, структуре и составе.

По происхождению различают полимеры:

• природные, образующиеся в растительных и животных организмах, например:

нуклеиновые кислоты: ДНК (R — аденин, гуанин, цитозин, урацил; X — Н); РНК (R — аденин, гуанин, тимин, цитозин; X — ОН);

натуральный каучук (1,4-г^г/с-полиизопреп) и гуттаперча (1,4-транс-полиизопрен):

• искусственные, полученные химической модификацией природных, например:

• синтетические, полученные химическим синтезом из мономеров или химической модификацией синтетических полимеров, например полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат и т. д.

Химические формулы типичных представителей синтетических полимеров будут приведены ниже.

По химическому строению макромолекул, или по типу атомов в макромолекуле, полимеры делят на органические, элементоорганические и неорганические.

• Органические полимеры — полимеры, основная цепь которых построена из органических элементов (углерода, азота и кислорода).

Основные классы органических полимеров приведены ниже.

Диеновые полимеры — непредельные углеводороды. Например, упомянутый выше 1,4-полиизопрен, а также:

Виниловые, виниленовые и винилиденовые полимеры:

Полинитрилы:

Полимочевины:

• Элементоорганические полимеры — полимеры, основная цепь которых кроме органических элементов (углерод, кислород и азот) содержит другие элементы.

К элементоорганическим полимерам относятся, например:

• Неорганические полимеры — полимеры, основная цепь которых полностью построена из неорганических элементов (полисиланы, пластическая сера и селен, полимеры на основе германия и олова).

В зависимости от строения основной цепи, или типа атомов основной цепи, различают гомоцеиные и гетероцеиные полимеры.

Основная цепь гомоцепных полимеров включает только один тип атомов или один химический элемент. Среди них наиболее распространены органические карбоцеиные полимеры, основная цепь которых построена из атомов углерода. К ним относятся приведенные выше полиолефины, полидиены, ароматические углеводороды, (мет)акрилаты, виниловые, виниленовые и винилиденовые полимеры. Примерами природных карбоцепных органических полимеров являются натуральный каучук и гуттаперча.

Синтетические гомоцеиные полимеры делят на различные классы в зависимости от природы бокового заместителя. В качестве примеров приведем следующие классы синтетических гомоцепных полимеров.

Спирты и их производные:

Кислоты, типичные примеры которых (акриловая и метакриловые кислоты и их производные) показаны выше.

Альдегиды и кетоны:

Галогеипроизводпые, к которым относятся, например, рассмотренные выше 1,4-полихлоропрен, поливинилхлорид, поливиниленфторид, поливинил иденхлорид, а также политетрафторэтилен.

Неорганические гомоцепные полимеры представлены пластической серой и селеном.

Основная цепь таких полимеров построена из двух или более типов атомов или химических элементов. Данные полимеры классифицируют в зависимости от природы функциональной группы, повторяющейся в основной цепи (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Основные классы гетероцепных полимеров.

В зависимости от гетероатома, входящего в состав основной цепи, гетероцепные полимеры могут быть подразделены на кислород-, азот-, серосодержащие и др.

К кислородсодержащим полимерам относятся упомянутые выше простые и сложные полиэфиры, а также поликарбонаты, к азотсодержащим — полинитрилы и полимочевипы (см. выше), а к серосодержащим — полисульфиды и полисульфоны.

По топологии (геометрии скелета макромолекулы) полимеры классифицируют следующим образом:

• • линейные, основная цепь которых состоит из повторяющихся звеньев, соединенных друг с другом в линейную конструкцию;
• • разветвленные, основная цепь которых содержит произвольно расположенные боковые ответвления длиной от нескольких атомов до размеров, сопоставимых с длиной основной цепи. Предельным случаем разветвленных полимеров являются звездообразные полимеры, макромолекулы которых представляют собой совокупность цепей, выходящих из одного центра. К разветвленным относятся также гребнеобразные полимеры, содержащие короткие ответвления в каждом звене;
• • сшитые, или сетчатые, состоящие из макромолекул, образующих пространственную сетку. Сшитые полимеры подразделяют на густои редкосшитые, существенно различающиеся по своим свойствам. К сшитым иногда также относят лестничные полимеры, две параллельные цепи которых соединены поперечными связями в каждом звене.

Схематически указанные классы полимеров изображены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схематичное изображение макромолекул различной топологии:

а — линейный полимер; б — разветвленный полимер; в — звездообразный полимер; г — гребнеобразный полимер; д — сшитый полимер; е — лестничный полимер К линейным полимерам относятся целлюлоза, натуральный каучук, некоторые белки и подавляющее большинство синтетических полимеров, используемых для производства волокон, термопластов, пленок, покрытий и т. д.

В качестве примеров разветвленных полимеров приведем амилопектин — один из основных полисахаридов крахмала, а также полиэтилен высокого давления (т.е. полиэтилен низкой плотности), содержащий до 25—30 ответвлений па 100 мономерных звеньев. В последние годы широкое применение в медицине, быту и технике находят гиперразветвленные полимеры и дендримеры, синтезируемые из полифункциональных мономеров. Макромолекулы гребнеобразных полимеров содержат относительно короткие ответвления. Типичными представителями гребнеобразных полимеров являются эфиры акриловой и метакриловой кислот, у которых в качестве эфирной группы используют производные спиртов, содержащие 5—25 метиленовых групп. Примером подобных соединений могут служить нолиоктилметакрилат и полилаурилметакрилат.

Трехмерные сетчатые, или пространственные, полимеры (полимерные сетки) построены из цепей, соединенных поперечными химическими связями. Типичными примерами таких соединений являются редкосшитые вулканизированные каучуки, которые служат основой для шинной и резинотехнической промышленности. К предельно густосшитым системам относятся, например, реактопласты на основе эпоксидных и фенолформальдегидных смол.

Структура лестничных, или двухтяжевых, полимеров представляет собой регулярную линейную сетку, построенную из конденсированных циклов, как, например, в случае циклизованного полиизопрена:

По химическому составу различают гомополимеры, полученные из одного мономера и построенные, соответственно, из одного типа мономерных звеньев, и сополимеры, синтезированные из двух или более мономеров. Очевидно, что химическое строение последних характеризуется комбинацией мономерных звеньев различной химической структуры.

В зависимости от характера распределения мономерных звеньев различают сополимеры:

• статистические, структура которых может быть представлена как хаотическое сочетание мономерных звеньев типа, А и В:

Особым случаем статистических сополимеров являются случайные сополимеры: расположение мономерных звеньев в цепи таких сополимеров описывается законом Бернулли, и нахождение конкретного мономерного звена в любом месте цепи не зависит от природы соседних звеньев;

• чередующиеся, для которых характерна строгая периодичность распределения двух типов мономерных звеньев, А и В:

Типичным представителем чередующихся сополимеров является синтетический сополимер стирола с малеиновым ангидридом. Строгая регулярность распределения звеньев характерна для биополимеров, например полипептидов — сополимеров а-аминокислот;

• градиентные, для которых состав макромолекулы изменяется непрерывно вдоль цепи:

• блок-сополимеры, представляющие собой линейные макромолекулы с протяженными полимерными блоками звеньев одного типа, ковалентно связанными с полимерными блоками звеньев другого типа:

• привитые сополимеры — разветвленные макромолекулы, у которых основная цепь состоит из мономерных звеньев одного типа, а боковые цепи представляют собой блоки из мономерных звеньев другого типа.

Полимеры, макромолекулы которых содержат ионогенные группы, способные диссоциировать в растворах, называют полиэлектролитами.

Полиэлектролиты представлены тремя классами:

• • полимерные кислоты, или поликислоты (например, полиакриловая и полиметакриловая кислоты);
• • полимерные основания, или полиоснования (например, поливинилпиридин);
• • полиамфолиты — сополимеры, в состав которых входят как основные, так и кислотные группы.

К полиэлектролитам относятся важнейшие биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. В промышленности на основе сшитых иолиэлектролитов получают ионообменные смолы.

По целевому назначению полимеры и материалы на их основе подразделяют следующим образом:

• • каучуки, или эластомеры, — производные диеновых полимеров, полисилоксаны, акрилаты и широкий круг их сополимеров;
• • пластики — полиолефины, виниловые и (мет)акриловые полимеры, полиамиды, полиэфиры и т. д.;
• • волокнообразующие полимеры (полимерные волокна) — целлюлоза и ее производные, полиолефины, полиамиды, полиэфиры, полиакрилонитрил и т. д.;
• • пленки и покрытия.

В соответствии со способами переработки полимеры классифицируют как термопласты и реактопласты.

Переработка термопластов, или термопластичных полимеров, включает нагревание материала выше температуры плавления (для полукристаллических полимеров) или выше температуры текучести (для аморфных полимеров) с последующим формованием расплава методами экструзии, литья, прессования и т. д. При этом в полимере не происходит никаких химических реакций. Для этих материалов возможна вторичная переработка через расплав, что чрезвычайно важно с точки зрения утилизации полимерных отходов и повторного использования.

Изделия из реактопластов, или термореактивных полимеров, получают посредством химического формования. Этот тип переработки сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Утилизация таких полимеров затруднена, так как образующийся в результате формования сшитый полимер не может быть подвергнут вторичной переработке. Наиболее распространены реактопласты на основе фенолформальдегидных, эпоксидных н карбамидных смол.