Классификация ВМС по химическому составу и структуре

Полимеры принято классифицировать по химическому составу и строению их основной цепи. Если основная цепь макромолекулы состоит из атомов углерода, а боковые группы представляют собой атомы водорода или органические радикалы, то такие полимеры называют органическими.

Если основная цепь содержит атомы кремния, фосфора и других элементов, к которым присоединены органические радикалы, то такие полимеры называют элементоорганическими. Если в основной цепи и в боковых группах атомы углерода отсутствуют, то полимер является неорганическим.

Полимеры, основные цепи которых состоят из одинаковых
атомов, называют гомоцепными, из разных атомов – гетероцеп-ными.

Наиболее распространены органические полимеры, в первую очередь карбоцепные, т.е. те, основные цепи которых содержат только атомы углерода. Боковые группы карбоцепных полимеров могут содержать атомы водорода, кислорода, азота, серы, гало-генов.

Если основная цепь полимера построена из звеньев одного мономера, то их называют гомополимерами. Так, полиэтилен
–[-CH₂ – CH₂ -]_n– является карбоцепным гомополимером этилена. Индекс n носит название степени полимеризации и показы-
вает число звеньев мономера (элементарных звеньев или, как их еще называют, составных повторяющихся звеньев) в макромолекуле.

Макромолекулы могут быть построены из двух или более различных мономеров. Такие полимеры называют сополимерами. Таким образом, сополимеры являются полимерами, полученными из мономеров более чем одного типа. Например, соединение

является органическим карбоцепным сополимером этилена и винилацетата. Индексы n и m показывают количество звеньев этилена и винилацетата в сополимере.

Характер расположения звеньев мономеров в цепи сополимера определяет три типа его структуры: статистический, блок-сопо-лимер и привитой сополимер. Если звенья двух мономеров А и В соединены в макромолекуле так, что их чередование по цепи макромолекулы случайно, то такой сополимер называют статистическим.

Если в цепи макромолекулы наблюдается правильное чередование звеньев мономеров в виде участков большой протяженности (блоков), состоящих из звеньев одного мономера, то такой сополимер называют блок-сополимером.

Сополимер, основная цепь которого составлена из звеньев одного мономера, а к ней присоединены блоки из звеньев другого мономера в виде больших боковых ответвлений, называется привитым. Макромолекулы различных сополимеров представлены
на рис. 3.

Рис. 3. Характер расположения звеньев мономеров в цепи сополимера

Большие размеры макромолекул гомополимеров определяют существование у них большого числа изомеров. Если у пентана известны три изомера:

н-пентан

2,2-диметилпропан 2-метилбутан

то у карбоцепных полимеров на основе олефинов с бóльшим числом атомов углерода их очень много. Огромная макромолекула полимера может быть линейной и разветвленной, т.е. иметь боковые ответвления («ветви») от основной цепи. Ветви могут быть короткими и соизмеримыми с длиной основной цепи, присоединяться к ней по одной в нескольких узлах ветвления (гребнеобразные полимеры) или исходить из одного узла, придавая макромолекуле форму звезды. Схематическая форма макромолекул представлена на рис. 4. При одинаковом химическом составе и молекулярной массе полимера названные выше структуры являются изомерами, которые определяют существенные различия в физико-механических свойствах полимеров.

Рис. 4. Различные виды макромолекул: а – линейный полимер, б – гребнеобразный длинноветвленный полимер, в – гребнеобразный коротковетвленный полимер, г – звездообразный полимер, д – сетчатый полимер

Число изомеров полимерной молекулы увеличивает и порядок присоединения мономерных звеньев на ее линейных участках (рис. 5). Звенья мономеров в линейных макромолекулах могут соединяться регулярно: конец одного звена – начало второго звена и т.д., по принципу «голова» (Г) к «хвосту» (Х), т.е. Х–Г–Х–Г или нерегулярно: конец одного звена – начало другого звена – начало третьего звена и т.д., т.е. Х–Г–Г–Г–Х и т.д.

Рис. 5. Схема соединения элементарных звеньев в макромолекуле: а – атактическая конфигурация цепи, б – изотактическая конфигурация цепи, в – синдиотактическая конфигурация цепи

В макромолекуле боковые группы основной цепи могут иметь регулярное или нерегулярное пространственное расположение. Регулярное пространственное расположение боковых групп определяет стереорегулярность цепей полимеров. По стереорегулярности полимеры делят на изотактические и синдиотактические. Если в регулярной структуре Г–Х макромолекулы полимера однотипные заместители расположены в плоскости основной цепи по одну сторону, то образуется изотактическая конфигурация цепей.

Регулярно чередующееся расположение однотипных боковых групп по одну и по другую сторону плоскости основной цепи
определяет синдиотактическую конфигурацию. При нерегуляр-ном пространственном расположении боковых заместителей создается атактическая структура линейной молекулы полимера
(см. рис. 5).

Полимеры с линейной и разветвленной структурой макромолекул называют термопластичными (термопластами). Это размягчающиеся и плавящиеся при повышенных температурах вещества, способные к растворению в подходящих органических растворителях.

Кроме линейных и разветвленных полимеры могут быть сетчатыми (пространственными, сшитыми) (см. рис. 4). Сетчатые полимеры обычно состоят из макромолекул, соединенных между собой поперечными ковалентными связями. Существование поперечных связей между макромолекулами превращает весь полимерный образец как бы в одну гигантскую молекулу, молекулярная масса которой совпадает с массой самого образца.

Сетчатые полимеры по свойствам принципиально отличаются и от линейных, и от разветвленных. Наличие прочных химических поперечных связей превращает сетчатые полимеры в неплавкие и нерастворимые вещества. Такие полимеры называют термореактивными (реактопластами).