Полимеры

Урок объясняет, почему полимеры лёгкие и гибкие, и как длина молекулярных цепей задаёт их свойства.

Полимер — вещество из длинных молекул-цепей, построенных повторением одинаковых звеньев (мономеров).

Пластмассы, каучуки, волокна — всё это полимеры. Их свойства определяются не атомной решёткой, а длиной и упаковкой гигантских молекулярных цепей, связанных слабыми ван-дер-ваальсовыми силами.

Зачем это инженеру

Полимеры дёшевы, легки, не ржавеют и легко формуются. Понимание их строения объясняет, почему один пластик плавится и перерабатывается, а другой при нагреве лишь обугливается, и почему резина эластична.

Два класса

• Термопласты (полиэтилен, ПВХ, полипропилен) — линейные цепи, связанные слабыми силами; при нагреве размягчаются и перерабатываются многократно.
• Реактопласты (эпоксиды, фенопласты) — цепи сшиты прочными ковалентными мостиками в сетку; при нагреве не плавятся, а разрушаются.

Ключевая характеристика — степень полимеризации $n$ (число звеньев в цепи). Молекулярная масса полимера:

$$ M = n \cdot M_0 $$

где $M_0$ — масса одного звена. Чем длиннее цепи, тем выше прочность и температура размягчения.

Как работает под капотом

Длинные цепи сильнее переплетаются и зацепляются, что повышает прочность. Посчитаем молекулярную массу полиэтилена для разной степени полимеризации (звено $\text{CH}_2\text{CH}_2$, $M_0=28$ г/моль).

M0 = 28.0   # г/моль, звено -CH2-CH2-

for n in (100, 1000, 10000, 100000):
    M = n * M0
    print("n =", n, "  ->  молекулярная масса =",
          format(M, ".1e"), "г/моль")

Вывод:

n = 100   ->  молекулярная масса = 2.8e+03 г/моль
n = 1000   ->  молекулярная масса = 2.8e+04 г/моль
n = 10000   ->  молекулярная масса = 2.8e+05 г/моль
n = 100000   ->  молекулярная масса = 2.8e+06 г/моль
n = 100   ->  молекулярная масса = 2.8e+03 г/моль

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (миллионы г/моль) настолько прочен, что из него делают бронежилеты, тогда как короткоцепочечный — мягкая плёнка. Длина цепи — главный рычаг свойств термопласта.

Стеклование

При охлаждении ниже температуры стеклования $T_g$ полимер из гибкого становится жёстким и хрупким, как стекло. Резина при низкой температуре теряет эластичность именно из-за перехода через $T_g$.

Свойствами полимеров управляют не только длиной цепи, но и её строением: линейные цепи упаковываются плотнее и дают более жёсткий и прочный материал, разветвлённые — более рыхлый и мягкий. Степень кристалличности (доля упорядоченных областей) сильно влияет на прочность и прозрачность: аморфные полимеры прозрачны, кристаллические — мутны, но прочнее. Эластомеры (каучуки) — особый случай: их редко сшитые длинные цепи распрямляются под нагрузкой и возвращаются обратно, давая огромную обратимую деформацию. Добавки — пластификаторы, наполнители, стабилизаторы — позволяют тонко настраивать свойства, поэтому из одного базового полимера получают и жёсткую трубу, и гибкую плёнку.

Частые ошибки

• Считать, что все пластики плавятся — реактопласты при нагреве разрушаются, а не плавятся.
• Игнорировать длину цепи: при равной химии короткие цепи дают совсем другой материал.
• Путать $T_g$ (стеклование) с температурой плавления — это разные переходы.

Итоги

• Полимеры — длинные цепи из повторяющихся звеньев.
• Термопласты плавятся и перерабатываются, реактопласты сшиты и не плавятся.
• Молекулярная масса $M=n\cdot M_0$; длина цепи задаёт прочность.
• Ниже $T_g$ полимер становится жёстким и хрупким.