Аморфное и кристаллическое строение органических веществ. Полимеры

Полимеры — высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой — 105...107 углеродных единиц. Основа структуры полимеров — макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев — мономеров. Так, мономером полиэтилена является молекула этилена С2Н4, при соединении множества мономеров в молекулярную цепь образуется полимер — полиэтилен, его структурная формула: [-СН2-СН2-];)
(n — количество элементарных звеньев-мономеров, знак «-» означает активную связь). Мономер полиэтилена имеет две активные связи. По свойствам полимеры резко отличаются от исходных мономеров. Так, этилен в отличие от полиэтилена — газ.
Структура макромолекул может быть линейной, разветвленной, пространственной (рис. 1.26), встречаются и другие виды. Истинная, вытянутая длина молекулы весьма
велика (так, например, молекула полистирола, состоящая из 5000 звеньев, имеет длину 122 ООО нм; сравним с периодом решетки а-железа — 0,286 нм), но из-за наличия витков и петель расстояние между концами молекулы значительно меньше.
Мономеры в макромолекуле связаны между собой сильной ковалентной связью. У полимеров с линейной и разветвленной структурой связь между макромолекулами слабая,
обусловлена силами Ван-дер-Ваальса. Поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размягчаются, становятся пластичными. Это термопластичные полимеры
— термопласты. После охлаждения термопласты вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства.
Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.
Полимеры с пространственно замкнутой (сетчатой) структурой образуются мономерами, имеющими более двух активных связей, все звенья структуры соединены ковалентными связями. Такие полимеры образуются в две стадии. На первой формируется линейная структура. Пространственная структура возникает на второй стадии в процессе отверждения (оно происходит под воздействием температуры, давления, отвердителей) вследствие протекания необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей (сшивание) между ранее разобщенными макромолекулами.
Такие полимеры называются термореактивными, или реактопластами. Отвержденное состояние полимеров является термостабильным. При нагреве они практически не меняют своих свойств вплоть до температуры деструкции (разрушения). В зависимости от количества ковалентных связей между макромолекулами различают густосетчатые
(с большим количеством связей) и редкосетчатые (с малым количеством связей) полимеры.
Структура линейных и разветвленных полимеров может быть аморфной или комбинированной — с объемами аморфного и кристаллического строения с правильным, регулярным расположением макромолекул. Линейные неразветвленныe макромолекулы могут плотно упаковываться в пачки, образуя кристаллическую структуру. Эти пачки в виде пластин могут образовывать кристаллы пластинчатой или округлой формы — сферолиты (рис. 1.27). Кроме того, линейные и разветвленные макромолекулы способны образовывать глобулы — свернутые в клубки макромолекулы. В том случае, если диаметры глобул близки, они могут располагаться упорядоченно, образуя кристаллические решетки.
В процессе кристаллизации полимера к растущему кристаллу должна присоединиться целая пачка макромолекул (не атом или группа атомов, что характерно для кристаллизации металлов). Поскольку подвижность таких пачек мала, скорость кристаллизации у полимера значительно ниже, чем у металла, и полимеры в отличие от металлов легко приобретают аморфное строение. Добиться полностью кристаллической структуры полимеров не удается. Степень кристалличности (отношение массы полимера, находящегося в кристаллическом состоянии, к общей массе) может меняться от 0 до 80%. В аморфных областях, окружающих кристаллы, цепи молекул расположены неупорядоченно. Полимеры с пространственной сеткой всегда имеют аморфную структуру. Полимеры являются как и собственно конструкционным материалом, так и основой пластических масс.