ПОЛИМЕРЫ

Алкены являются исходными веществами для получения важной группы веществ, называемых полимерами. В эту группу входят пластмассы, резина, искусственные волокна, а также компоненты лаков и красок. Полимеры образуются в результате соединения ковалентными связями множества отдельных молекул, называемых мономерами. При этом получаются большие, длинные молекулы, имеющие значительную молекулярную массу и необычные во многих отношениях свойства.

Полимерные молекулы из-за их больших размеров и большой молекулярной массы часто называют макромолекулами. Варьируя химическую структуру молекул, химики смогли получить множество полимеров с разнообразными свойствами, которые позволяют применять эти полимеры во многих областях человеческой деятельности.

Полимеры можно синтезировать из веществ различных классов. Многие практически важные полимеры получают из алкенов. В общем виде реакция превращения замещенного алкена в полимер выглядит так:

Электроны -связей алкенов образуют в ходе реакции -связи между опекунами мономера. Возникает длинная углеродная цепь. Замещающая группа не участвует в реакции, но сообщает полимеру определенные свойства. Символ х в формуле полимера, а также связи, показанные волнистой линией, означают, что молекула состоит из очень большого, но неопределенного числа повторяющихся мономерных звеньев. Названия полимеров обычно образуются добавлением приставки "поли" к номенклатурному названию мономера. Многие полимеры имеют, кроме того, торговые и технические названия. Ниже пойдет речь о структуре и применении некоторых важнейших полимеров.

Практически важные полимеры

Полиэтилен. Полиэтилен используется как дешевый упаковочный материал, из него изготовляют посуду, сумки и многое другое. Формула всех типов полиэтилена одна и та же, а свойства полиэтилена определяются условиями синтеза:

Эластичный полупрозрачный полиэтилен называется полиэтиленом низкой плотности, а твердый и непрозрачный — полиэтиленом высокой плотности.

Поливинилхлорид и поливинилиденхлорид. Из поли винилхлорида изготовляют плитку для покрытия полов, из поливинилиденхлорида — упаковку для пищевых продуктов:

Поливинилхлорид в комбинации с другими материалами используется также Для изготовления электрических изоляторов, канализационных труб и многих других изделий.

Полиметилметакрилат. Полиметилметакрилат представляет собой легкий, прозрачный полимер, во многих отношениях превосходящий стекло по своим свойствам. Этот материал часто называют органическим стеклом или плексигласом. Плексиглас, если по нему ударить, не бьется как обычное стекло, а только прогибается, поэтому он гораздо безопаснее обычного оконного стекла. Кроме того, плексиглас можно легко резать и клеить. Из него удобно изготовлять прозрачные модели машин зданий. Однако плексиглас легко царапается, мутнеет или растворяется при контакте с органическими растворителями, такими, как ацетон или гексан.

Полистирол. Полистирол — недорогой материал, используемый обычно в виде пенопласта как теплоизоляционный материал в строительстве, холодильной и пищевой промышленности.

Полиакрилонитрил. Из полиакрилонитрила получают искусственное волокно нитрон, используемое для производства теплых носков, свитеров и других изделий. По внешнему виду и на ощупь нитрон напоминает шерсть.

Политетрафторэтилен. Этот материал имеет техническое название фторопласт (фторлон, тефлон). Он инертен по отношению к большинству

органических соединений, кислот, щелочей и других веществ, используемых в лабораториях, в промышленности и в быту. Кроме того, тефлон имеет гладкую, скользкую поверхность и весьма устойчив к нагреванию Поэтому он является идеальным материалом для покрытий кухонной посуды и изготовления лабораторной посуды и принадлежностей

Алкены, имеющие различные заместители, могут полимеризоваться (реагировать с молекулами того же вещества) с образованием больших молекул (макромолекул), обладающих полезными свойствами.

Покрытия

Большинство металлических и деревянных изделий и поверхностей для предохранения от порчи и для красоты покрывают специальными покрытиями — лаками и красками.

Некоторые лаки образуют так называемые обратимые пленки. Их наносят на поверхность в виде раствора природного или синтетического полимера. После испарения растворителя покрытие затвердевает. Такая полимерная пленка может быть легко удалена с поверхности путем растворения в том же растворителе, который использовался при нанесении.

Маникюрный лак снимают, протирая ногти тампоном, смоченным ацетоном или этилацетатом. В этом случае к растворителю добавляют немного масла, чтобы предотвратить высыхание кожи.

Шеллак хорошо растворим в этиловом спирте. Удаляют шеллак с деревянных поверхностей с помощью металлической мочалки, смоченной спиртом. Нитролаки хорошо растворимы в смеси кетонов.

Краски дают необратимые пленки. Это объясняется тем, что на поверхность наносят частично заполимеризовавшуюся смесь. В результате высыхания растворителя и взаимодействия пленкообразователя с кислородом воздуха происходит полная полимеризация. Такие покрытия невозможно снова растворить в том же растворителе, поскольку при затвердевании изменяется химическая структура и образуется совершенно новое вещество.

Полиакрилатные эмульсионные краски содержат мономер метилметакрилат и частицы уже готового полимера (из-за этих частиц поверхность, покрытая эмульсионной краской, никогда не бывает блестящей). При высыхании мономер полимеризуется, образуя пленку. Поскольку сам полимер бесцветный, в эмульсию добавляют белый диоксид титана и (или) какой-либо другой пигмент.

Масляные лаки и краски содержат так называемые высыхающие масла, например льняное или тунговое, которые при взаимодействии с кислородом воздуха полимеризуются, образуя прочное полимерное покрытие. Эти (как и другие) масла состоят из эфиров жирных кислот и глицерина (см. гл. 16). Эфиры, входящие в состав льняного масла, содержат в кислотной части молекулы несопряженные двойные связи (т. е. двойные связи, разделенные более чем одной простой связью). Такие масла затвердевают весьма медленно. При нагревании льняного масла происходит миграция двойных связей и они становятся сопряженными. Полученная таким образом олифа полимеризуется под действием кислорода гораздо быстрее, чем необработанное льняное масло.

В результате полимеризации возникает прочная пленка, растворить которую можно, только разорвав химические связи. Для удаления масляных лаков и красок используются специальные составы, содержащие сильные основания и органические растворители, такие, как метиленхлорид или четыреххлористый углерод. Работать с такими составами можно только при наличии хорошей вентиляции. Необходимо также избегать попадания этих веществ на кожу.

Полимеры в медицине

Полимерные материалы широко используются в качестве зубоврачебного пломбировочного материала. При создании полимера химик должен принимать во внимание желаемые свойства полимера и конкретные условия, в которых этот полимер будет использоваться. Например, полимер, из которого предполагается изготовлять пломбировочный материал, должен быть совместим с тканями зуба, не должен вызывать раздражения полости рта и быть устойчивым к действию влаги. Он также должен быть твердым и прочным, выглядеть белым и при различном освещении своим цветом напоминать цвет зубов. Материал должен быть удобен в обращении и после внесения в полость зуба быстро затвердевать. Процесс затвердевания, представляющий собой полимеризацию под действием катализатора, должен происходить достаточно быстро при температуре человеческого тела (нагревание недопустимо) и не должен сопровождаться выделением теплоты, поскольку повышение температуры будет болезненным для пациента и может вызвать ожог. Процесс полимеризации не должен заметно ингибироваться кислородом и влагой.

Ниже изображена формула мономера, наилучшим образом удовлетворяющего этим многочисленным условиям. Обратите внимание на то, что концы молекулы имеют значительное структурное сходство с метилметакрилатом.

Образующийся из такого мономера полимер имеет много общего с полиметилметакрилатом. Твердость полимера недостаточна, а при полимеризации происходит выделение теплоты. Эти недостатки устраняют добавлением к мономеру твердого инертного наполнителя, в качестве которого обычно используют тонкоизмельченный кварцевый песок. При этом резко возрастает твердость полимерной композиции и уменьшается количество полимеризующегося вещества, а значит, и количество выделяющейся теплоты.

Полимеризация катализируется пероксидами, но для того, чтобы реакция началась, необходимо нагреть реакционную смесь, что, конечно, недопустимо. Если наряду с пероксидом в реакционной массе присутствует амии, полимеризация начинается сама собой, но идет слишком быстро и такую смесь невозможно сколько-нибудь долго хранить.

С другой стороны, зубному врачу неудобно иметь под рукой многочисленные склянки с различными реактивами. Проблему решают, разделяя мономер на две части, одна из которых содержит перок сид, а вторая — амин. Эти две части хранят порознь, а непосредственно перед использованием смешивают.

Схема 6-2. Получение и основные реакции алкенов