Szerves és mágneses anyagok, alapvető információkat a szerkezete és tulajdonságai polimerek

Reactions polimer képződését. A legtöbb szerves anyagok gyártásához használt elektromos szigetelés egy csoportjára utal polimerek. Polimerek úgynevezett molekulatömegű vegyületek, amelyeknek molekula áll nagyszámú szerkezeti ismétlődő egységgel - monomerek. A molekulatömegű polimer eléri a 106, és a geometriai méretei a molekulák olyan nagy lehet, hogy a megoldások ezen anyagok tulajdonságai közeledik kolloid rendszerek.

A reakciót polimert monomerek ú.n. polimerizáció. A polimerizáció alatt az anyag át a gáz vagy folyékony állapotban a nagyon vastag folyékony vagy szilárd. A polimerizációs reakciót nem kíséri bármelyikének hasítása kis molekulatömegű melléktermékeket; ez a reakció egy polimert és egy monomer jellemző azonos elemi összetételű. Polimerizáció A vegyületek kettős kötést általában úgy megy végbe, a lánc mechanizmus. Ahhoz, hogy elkezd egy láncreakció, az szükséges, hogy a kezdeti tehetetlen tömeg származott aktív részecskék. A láncreakció egy aktív részecske részlépésében ezer inaktív molekulák alkotó hosszú lánc. Az elsődleges aktív központok a szabad gyökök és ionok.

Gyökök - képződjön során a repedés elektronpár, és amelynek páratlan elektront (például metil-, CH3, fenil- S6N5-, etil S2N5- stb). A szabad gyökök és az ionok kerülhet sor az intézkedés alapján a hő, fény, ionizáló sugárzás különböző speciálisan beadott katalizátorok.

Tekintsük példaként az etilén polimerizációjához (CH 2 = CH 2), ami normál körülmények között a gáz halmazállapotú. Tegyük fel, hogy egyes polimerizációs iniciátor egy szabad gyökös R-, amely, miután szabad vegyértéke van egy nagy reaktivitása. Az ilyen etilén gyök kapcsolódik a molekulához, ismertet egy kettős kötés, és így alakítja át egy új csoportot a szabad vegyérték végén:

A kapott komplex nagyon aktív, és viszont, képes csatolni egy olyan új molekulához alkotnak egy hosszabb csoport. A polimerizációs reakciót addig folytatódik, amíg, amíg egy törése a polimer láncban. A reakciórendszerben a közelében egy növekvő polimer lánc lehet egy másik szabad gyök vagy más növekvő polimer lánc. Aztán ott van a kapcsolatban egymással, és egy polimer láncot végződik további növekedés:

Polietilén szerkezeti képlet lehet írni egy tömörebb formában:

ahol n - a polimerizáció foka, azaz a a monomer molekulák számát, amelyek egyesítik a polimer molekulába. Mivel az N polietilén egyre viszkózus folyadék, és n = 1250 és a molekulatömege 35000 ez egy szilárd dielektrikum (C2H4 monomer-molekulatömege 28).

Valós körülmények között, polimer anyagok - anyagok keveréke, különböző polimerizációs fokú, úgy, hogy a gyakorlatban az egyik csak beszélhetünk átlagos polimerizációs foka. A polimerizáció foka nagymértékben meghatározza a lehetőségét, hogy a polimerek (festékek, műanyagok, fólia, üvegszál).

Addíciós polimerizációs reakció sokkal bonyolultabb lehet, esetek a kialakulását a nagy molekulatömegű vegyületek. Azaz, például polikondenzációs - válasz kapcsolódó átrendeződés polimerek atomok és izoláljuk hatálya alól a reakció a víz vagy más, kis molekulatömegű anyagok.

Polimerek polikondenzációval általában csökkent dielektromos tulajdonságú összehasonlítva a kapott anyagok a polimerizációs reakciót. A fő oka ez a jelenléte a polikondenzációs maradékok oldalán dielektrikumok kis molekulatömegű anyagokat (víz, sav, alkohol), amely, bomló be ionok megnövelik a vezetőképességet az anyag. Ezen túlmenően, a molekulák kondenzációs polimerek tartalmaznak poláros csoportokat, hogy növeljék dielektromos veszteségek és higroszkóposság.

Néhány, viszonylag hosszú-eredetű, nagy molekulatömegű vegyületek, minden változatosság az eredetüket és tulajdonságait a használat és a műszaki dokumentáció még megőrizte a régi neve - műgyanták.

Készül polikondenzációval, például fenol-formaldehid gyanta és a poliészter. Közül által előállított anyagok a polimerizációs reakciót, azzal az eltéréssel, polietilén a polisztirol, polivinil-klorid, poliizobutilén, polimetil-metakrilát és mások.

Lineáris térbeli és polimerek. Attól függően, hogy a térszerkezet makromolekuláris polimerek vannak osztva két fő típusa - a lineáris és térbeli. A lineáris polimerek makromolekulák lánc szekvencia ismétlődő egységek. A térbeli makromolekula polimerek kapcsolódik az átfogó háló, ami korlátlan növekedése a molekulatömeg jellemző még nem különálló makromolekula és néhány polimer régió. Egy ilyen térben-strukturált anyagok egyes makromolekulák elveszíti egyéniségüket. Ezért is nevezik térbeli polimerek polimer szervek.

Jelentős különbségek vannak a lineáris és térbeli tulajdonságai polimerek.

Mint általában, a lineáris polimerek viszonylag rugalmas és elasztikus, a legtöbb közülük egy mérsékelt hőmérséklet-növekedésnek könnyen meglágyult és megolvasztjuk. Térbeli polimerek nagy merevség, az olvadási történik magas hőmérsékleten, és sok közülük kémiailag (égési, char, stb) elpusztulnak, mielőtt eléri az olvadáspont.

Ezen tulajdonságok következtében a lineáris polimerek a gyakorlatban az úgynevezett hőre lágyuló anyagok, és a térbeli - hőre keményedő.

Mivel a gyenge intermolekuláris kölcsönhatás lineáris polimerek a legtöbb esetben képesek duzzadni és oldódnak a készítményben megfelelő oldószerek a viszkózus oldatok, amelyeket azután elő erős filmek és rostok. Térbeli polimerek nehezen oldódó, és egy nagy részük oldhatatlan. Tipikus térbeli polimerek fenol-formaldehid és epoxigyanták, erősen vulkanizált gumi (ebonite, eskapon).

Rugalmasság és kémiai kötését. Rendkívül rugalmas lineáris polimereket úgy határozzuk meg a két egyformán fontos tényező - a méret a makromolekulák és a természet közötti kémiai kötés az atomok. Például, a polietilén, mint más telített szénhidrogén, minden szénatom képez négy kovalens kötések irányul sarkok Egy szabályos tetraéder. Normál tetraéderes szög közötti kötések 109 ° 28”, és ezért kiegyenesedett láncú polietilén makromolekulák néz ki, mint egy kígyó (ábra. 1). Nyújtsd a kígyó, tönkretétele nélkül ez lehetetlen, mivel a kovalens kötések egy bizonyos hosszúságú és irányú. Ahhoz, hogy módosítsa a kötés szögek (109 ° 28 „), vagy a hossza a linkek (1,54Å), Szükség túl nagy energiát. Jóllehet, a kovalens kötés a szénatomok között van, hengeres szimmetria; forgatásával az egyik a másikhoz képest részei a molekula a C-C tengely átfedését az elektron héj nem változtak, és ezért nem változtatják az erejét kötések. Ezért molekuláris „kígyó” képes kell hajlítani miatt a szabad rotációt a szén-dioxid egységek ( „ízületek”) megváltoztatása nélkül kötésszöget vagy kötéstávolság és anélkül, hogy a energiaráfordítás. Az intermolekuláris kölcsönhatás korlátozza a rugalmasságot a polimer makromolekulák.

Ábra. 1. fragmens polietilén makromolekula

Termikus sokkok nem képesek okozni mozgás a makromolekulák a polimer szerkezetben. Azonban, mivel a rugalmasságot, a molekulaláncok a makromolekula külön szekciókban úgynevezett szegmensek is részt vehetnek a termikus mozgás. A kisebb méretű szegmensek képesek önálló mozgás, annál nagyobb a rugalmassága a makromolekula. A lineáris szegmenseinek polimerek általában áll a több tíz egység. Szelvényes mobilitást a molekuláris láncok egyik oka relaxációs dielektromos veszteségek a polimerben.

A szerkezeti formák és a fizikai állapotok polimerek. Makromolekulák lehet szabályos vagy szabálytalan. A polimer épül rendszeresen, ha betartják a tökéletes hosszú távú rendje láncszem elrendezésben. Rugalmas szabálytalan makromolekulák inkább göndör a gömb alakú szerkezetek nevezett gömböcskéket. Felületi gömböcske sokkal kevésbé megnövelt felületű makromolekula, így az intermolekuláris kölcsönhatást, amikor érintkezésbe gömböcskék gyenge. Gömbszerű szerkezetével az instabilitás egyes szerves polimerek.

Merev polimer láncok nehéz fold gömböcskéket. Mivel az erejét a intermolekuláris kölcsönhatás lehet több szomszédos makromolekulák kötegekben (kötegek párhuzamos molekulák). Polimerek rugalmas makromolekulák szabályos szerkezet kialakítására képes kristályos fázis, azzal jellemezve, rendezetten helyezkednek molekulák. A kristályos fázisban általában megfigyelhető összecsukható a molekuláris láncok, azaz hajlító őket, előre meghatározott időközönként egy 180 ° -os síkban, és magában foglalja a fújtató. A kristályosodás a nagymértékben hígított oldatok állíthatók elő kis lemezes kristályokat bizonyos polimerek (például polietilén). A kristályos polimer makromolekulák szorosan vannak, és ők nehezen gyakorolják a rugalmasság. Az ilyen polimerek általában merev anyagból, nagy modulusú és alacsony alakváltozási. Amorf polimerek hiánya jellemzi a hosszú rendezett tartomány háromdimenziós elrendezése a makromolekulák, bár ebben az esetben a polimerek nem teljesen rendezetlen (például képződése csomagok vagy más szupramolekuláris szerkezetek). Attól függően, hogy a hőmérséklet, amorf polimerek megtalálható három fizikai állapotok - üvegszerű, gumiszerű és viszkózus áramlás (2. ábra).

1. Az üveges állapotú. Az anyag ebben az állapotban van ridegség, és nagyon magas mechanikai feszültségek is csak enyhén deformálódik előtt szakadás. A hőmérséklet, amelynél a polimer a melegítés során megszűnik üvegesített és válik nagy rugalmasságú, vagy éppen ellenkezőleg, amelynél a hűtési folyamat átmegy a üveges állapot nevezzük üvegesedési hőmérséklete (Tg).

Ábra. 2. függése deformáció hőmérséklete lineáris polimerek: SS - az üveges állapot; ES - gumiszerű állapotba; TC - képlékeny állapotú

2. gumi rugalmasságát. Ebben az állapotban az anyag viszonylag kis mechanikai feszültségek nagyon nagy rugalmas alakváltozás. Így, a gumi lehet feszített akár 10-szer. A további melegítés, és eléri a T hőmérséklet T polimer bemegy áramlási viszonyokat.

3. Vyazkotekucheesostoyanie. Az anyag ebben az állapotban a hatása alatt kis erőfeszítések nyilvánul irreverzibilis képlékeny, amelyet fel lehet használni annak feldolgozását.

Hőmérsékletének csökkentésével ismét lineáris polimerek áthaladjon az összes ezeket a lépéseket. Mivel egy adott szakaszban annak köszönhető, hogy a változások a szerkezetben az anyag és adhéziós erők makromolekulák közötti lineáris polimerek.

Térbeli polimereket nagy polimerizációs lépésben teljesen közömbös a környezeti hőmérséklet változása.

A kompozíció a polimer láncok. Szerint a kémiai összetétele a polimerek osztható szerves és fémorganikus. Szerves polimerek közé tartoznak például a nagy molekulatömegű vegyületek, ahol a fő lánc szénatomokat vagy kombinált szén oxigénnel, nitrogén-, kén- és foszfor.

Elemorganikus hívja az ilyen polimerek, a fő lánc, amely nem tartalmaz szénatom, de kétoldalt szerves csoportokat. A legelterjedtebb képviselői ezen anyagok a szilikonok (poliorganosziloxánok).

Az elektromos tulajdonságok. Makromolekuláris szerkezetük nagymértékben meghatározza a villamos tulajdonságait polimerek. Minden kémiai szén kommunikáció más elemekkel különböző fokú polaritása különbség electronegativities az atomok részt vesz a kapcsolatot. A teljes dipólusmomentuma a molekula által meghatározott vektor összege dipólusmomentumának az egyes kötvények. Ha a molekula szimmetrikus szerkezetű, a dipólus momentum az egyes kötések kiegyenlítik egymást, miáltal a teljes dipólmomentum nulla.

Anyagok és aszimmetrikusan felépített működésével dipól polimer molekulák ismertek és általában higroszkóposság, alacsony vagy közepes elektromos jellemzőit. Magasabb szénhidrogének szimmetrikusan kialakított molekulák gyakorlatilag apoláris vagy gyengén poláris, azok higroszkóposság elhanyagolható, és ezért egy alacsony értéke dielektromos veszteségi tangens és alacsony hővezető.

Termikus ellenállás. A legtöbb szerves polimerek csak akkor működik, hosszú ideig alatti hőmérsékleten 100 ° C-on Ezen hőmérséklet felett, mint általában, van egy gyors öregedése az anyag. Ezért, a fő kérdés az Macromolecular Chemistry mindig is a kialakításához, továbbá hőálló anyagok, miközben megtartják a hajlékonyság, rugalmasság és más jellemző tulajdonságainak szerves anyagok. Jelenleg a kereskedelemben gyártott és rendkívül hőálló, nagy molekulatömegű anyagok, így például fluorpolimerek, szilikonok, poliamidok.