Физикохимия композиционных полимерных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 
 
 

А. А. Коноплева, А. Р. Гатауллин, Ю. Г. Галяметдинов 

 
 

ФИЗИКОХИМИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ  

ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 

 
 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2018 

УДК 678.5.002.6:541.1(075) 
ББК 35.71:24.5я7 

К64 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты: 

д-р пед. наук, канд. хим. наук, проф. С. И. Гильманшина 

канд. техн. наук Ф. К. Мирясова 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

К64

Коноплева А. А.
Физикохимия композиционных полимерных материалов : учебное пособие / А. А. Коноплева, А. Р. Гатауллин, Ю. Г. Галяметдинов; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : 
Изд-во КНИТУ, 2018. – 100 с.

ISBN 978-5-7882-2467-1

Содержит теоретические сведения по дисциплине «Физикохимия ком
позиционных полимерных материалов». 

Предназначено для магистрантов направления подготовки 18.04.01 

«Химическая технология», программа подготовки «Физико-химические основы 
инновационных технологий надмолекулярно-организованных систем». 

Подготовлено на кафедре физической и коллоидной химии. 
 

УДК 678.5.002.6:541.1(075) 
ББК 35.71:24.5я7 

 
 

ISBN 978-5-7882-2467-1 
© Коноплева А. А., Гатауллин А. Р.,  

Галяметдинов Ю. Г., 2018 

© Казанский национальный исследовательский  

технологический университет, 2018 

ВВЕДЕНИЕ 

 

Целями освоения дисциплины «Физикохимия композиционных 

полимерных материалов» являются: 

а) формирование знаний о полимерах: методах и способах их 

синтеза, как основы полимерных композитов; специфике свойств полимеров, обусловленной макроразмерами их молекул; полимерных 
композитах и их наполнителях;  

б) обучение технологии получения полимеров и полимерных 

композитов, содержащих в качестве модификаторов наночастицы различной природы (фуллерены, наноалмазы, углеродные нанотрубки, 
органоглины, борные волокна, древесную муку, металлические и полупроводниковые нанокластеры и др.); 

в) обучение способам применения полимерных композитов с 

целью создания материалов со специальными свойствами (антифрикционными, специальными электрическими, теплофизическими, огнезащитными и др.); 

г) раскрытие сущности процессов, происходящих в полимерных 

нанокомпозитах, способствующих усиливающему эффекту, что отличает их от просто наполненных полимерных систем, в которых роль 
наполнителя сводится к удешевлению цены конечного продукта. 

Дисциплина «Физикохимия композиционных полимерных мате
риалов» относится к дисциплинам по выбору части профессионального цикла основной образовательной программы и формирует у магистров по направлению подготовки 18.04.01 «Химическая технология» 
по программе «Физико-химические основы инновационных технологий надмолекулярно-организованных систем» специальные знания и 
компетенции, необходимые для выполнения научно-исследовательс- 
кой, инновационной, научно-педагогической, производственно-техно- 
логической, организационно-управленческой, консультационно-экс- 
пертной, 
проектно-конструкторской 
и 
проектно-технологической 

профессиональной деятельности, а также эксплуатационно-сервисного 
обслуживания. 

Одной из компетенций обучающегося, формируемой в результа
те освоения данной дисциплины, является способность анализировать 
свойства супрамолекулярных наноструктурированных полимеров и 
композитов на их основе. Магистрант должен хорошо знать методы 
получения полимеров и композитов на их основе, уметь анализировать 

характер взаимодействия двух фаз на границе раздела полимер–
наполнитель и указать отличия просто наполненного полимера от полимерного композита, Также он должен обладать навыками работы с 
современной научно-технической литературой, посвященной получению и применению новых композиционных полимерных материалов.  

В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать: 

номенклатуру и классификацию полимеров; особенности полимерного 
состояния вещества; основные методы получения полимеров; аморфные, кристаллические, и надмолекулярные структуры полимеров; особенности фазовых переходов полимеров; основные методы получения 
полимерных нанокомпозитов и упорядоченность их внутренней структуры; модификацию полимеров различными наносистемами. 

Магистрант, освоивший дисциплину, должен уметь: проводить 

грамотный подбор наномодификатора для получения полимерного 
нанокомпозита с заданными свойствами; выбрать методы исследования полимерных нанокомпозитов; применять знания теоретических 
основ модификации и строения полимерных нанокомпозитов для решения задач практического плана. 

Студент, освоивший данную дисциплину, должен владеть мето
диками проведения исследований полимеров и полимерных композитов с помощью современных физико-химических методов, а также 
навыками работы с современным лабораторным оборудованием. 
 
 
 
 

1. ОСОБЕННОСТИ ПОЛИМЕРНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВ 
 

ХХ век небезосновательно называют веком полимеров. Он оз
наменован появлением и быстрым развитием полимерной химии, широким применением ее научных достижений в промышленности. До 
организации в 1906 году Л. Бекеландом производства синтетического 
полимера – фенолформальдегидной смолы – были известны лишь 
природные полимеры. 

Благодаря прочности, легкости и химической стойкости изделия 

из полимеров используются: 

– в машиностроении и строительстве (в виде сверхпрочных 

деталей и конструкций); 

– медицине (материалы для протезирования, шприцы, пер- 

чатки и т.д.); 

– текстильной и легкой промышленности (эластичные поли
мерные нити и пленки, каучуки и резины, меха, кожи, лаки, клеи); 

– косметологии (компоненты кремов, шампуней, красок, конди
ционеров, туши для ресниц, некоторых типов помад, зубных паст); 

– других областях промышленности (тара и упаковка, орг- 

стекло и т.д.). 
 

1.1. Основные понятия 

 

Полимеры – это высокомолекулярные соединения (ВМС), в ко
торых макромолекулы построены из большого числа повторяющихся 
звеньев (атомных группировок), соединенных между собой химическими связями в полимерные цепи. 

Высокомолекулярными 
соединениями 
называют 
вещества, 

имеющие молекулярную массу 104<M<106. 

Вещества, занимающие промежуточное положение между низ
комолекулярными (M<103) и высокомолекулярными соединениями, 
называются олигомерами.  

Низкомолекулярные соединения, из которых получают полиме
ры, называются мономерами.  

Макромолекулы полимеров (или полимерные цепи) составлены 

из многократно повторяющихся мономерных остатков, называемых 
звеньями или мономерными звеньями. Количество мономерных звеньев в полимерной цепи называется степенью полимеризации (n). 

Корни этих слов взяты из греческого языка: monos – один, meros – 

часть, oligos – малый, polys – многочисленный. Название полимера 
обычно складывается из названия мономера и приставки поли-.  

Рассмотрим в качестве примера органический полимер – поли
этилен, образованный при полимеризации этилена, где мономерным 
звеном является –CH2–CH2–: 
 

 

 

Полимеры, макромолекулы которых состоят из одинаковых мо
номерных звеньев, называются гомополимерами: 
  

 

 

Полимеры, макромолекулы которых состоят из разных моно
мерных звеньев, называются сополимерами: 

 

 

Сополимер бутадиена со стиролом идет на изготовление каучу
ков и эластомеров. Мономерные остатки бутадиена отвечают за эластичность, стирола – за жесткость. Варьирование n´ и n´´ в сополимере 
дает возможность получить полимер с требуемыми свойствами: более 
жесткий или более эластичный. 

 

1.2. Основные отличия высокомолекулярных соединений 

от низкомолекулярных веществ 

 

Можно отметить ряд основных отличий высокомолекулярных 

соединений от низкомолекулярных. 

1. Полидисперсность или неоднородность полимеров по  

молекулярной массе. Для низкомолекулярных соединений (НМС) молекулярная масса является весьма характерной константой. Нельзя изменить молекулярную массу НМС, сохранив его физико-химические 
особенности. Чтобы изменить молекулярную массу НМС, надо или отнять, или прибавить те или иные атомы, но это уже будет совершенно 
другое соединение. 

Изменение же молекулярной массы ВМС протекает без риска 

изменения его основных характеристик. Полимерные цепочки при 
синтезе образуются с различным количеством мономерных звеньев 
(степенью полимеризации). В одном и том же образце полимера макромолекулы имеют разную молекулярную массу – полидисперсность, 
т.е. неоднородность полимера по молекулярной массе, поэтому полимеры оцениваются величиной средней молекулярной массы. 

Различают среднемассовую и среднечисловую молекулярную массу. 
Среднечисловая молекулярная масса 𝑴𝒏
     представляет собой от
ношение суммы молекулярных масс макромолекул к их общему числу: 
 

𝑀𝑛
    = 𝑛1𝑀1 + 𝑛2𝑀2 + 𝑛3𝑀3 + ⋯

𝑛1 + 𝑛2 + 𝑛3 + ⋯
=  𝑛𝑖𝑀𝑖
𝑖
 𝑛𝑖
𝑖

,
(1)

 
где ni – число молекул с молекулярной массой Мi. 

Среднемассовая молекулярная масса 𝑴𝒘
      равна сумме произве
дений массовой доли макромолекул 𝜔𝑖 на их молекулярную массу 𝑀𝑖 
к их общей массе: 
 

𝑀𝑤
     = 𝜔1𝑀1 + 𝜔2𝑀2 + 𝜔3𝑀3 + ⋯

𝜔1 + 𝜔2 + 𝜔3 + ⋯
=  𝜔𝑖𝑀𝑖
𝑖
 𝜔𝑖
𝑖

.
(2)

Полидисперсность (коэффициент полидисперсности) опре
деляется отношением 

𝑢 = 𝑀𝑤
     / 𝑀𝑛
     ,
(3)

 
где u – коэффициент полидисперсности. 

Чем выше коэффициент полидисперсности, тем выше молеку
лярно-массовая неоднородность образца полимера. Для полидисперсных полимеров 𝑀𝑤
     > 𝑀𝑛
    . Для монодисперсных систем высокий ко
эффициент полидисперсности может свидетельствовать о разветвленном строении молекул. 

Регулировать молекулярно-массовую неоднородность можно 

условиями процесса синтеза полимеров или путем фракционирования 
полученного полимера по молекулярной массе. 

Фракционирование полимера по молекулярной массе – это де
ление образца полимера на части-фракции с одинаковой молекуляр- 
ной массой. 

Молекулярно-массовая неоднородность может быть выражена 

графическим способом в виде определенной функции распределения 
макромолекул по их молекулярным массам. 

Для построения кривой молекулярно-массового распределения 

необходимо полимер разделить на однородные по молекулярной массе 
части – фракции. Например, методом дробного осаждения, который основан на различной растворимости разных макромолекул. Затем строятся интегральная и дифференциальная кривые распределения (рис. 1).  

 

 

 

Рис. 1. Интегральная и дифференциальная кривые  

молекулярно-массового распределения 

Для построения интегральной кривой распределения на оси абс
цисс откладываются значения молекулярной массы, а по оси ординат –
массовая доля фракции, т.е. значения отношений массы каждой фракции mi к общей массе всех выделенных фракций ∑mi.  

Для построения дифференциальной кривой надо продифферен
цировать интегральную кривую. Для этого на интегральную кривую 
наносят точки через определенные интервалы молекулярных масс ∆М 
и измеряют разности ординат между двумя соседними точками ∆m. 

Каждое значение разности ∆m делят на ∆М и отношение 

∆𝑚
∆𝑀 от
кладывают по оси ординат на дифференциальной кривой в зависимости от молекулярной массы. 

Основными характеристиками дифференциальной кривой явля
ется положение пика и ширина кривой. Чем шире кривая, тем больше 
молекулярно-массовое распределение. 

2. Набухание полимера. Растворение полимера протекает через 

стадию набухания (рис. 2). Полимерный образец, при внесении его в 
растворитель, не сразу распадается на макромолекулы, а сначала набухает. Растворитель заполняет пустоты, проникая между макромолекулами, при этом происходит ослабление связей между ними. Полимер увеличивается по объему и массе в несколько раз, представляя 
собой студнеобразную массу, и только потом макромолекулы переходят в раствор, если между ними нет дополнительных химических связей (сшивок). Набухание, переходящее в растворение, называется неограниченным набуханием. 

3. Два агрегатных состояния полимера: твердое и жидкое. 

Полимеры в газообразном состоянии быть не могут и являются нелетучими, так как для этого требуется их деструкция. 

4. Способность полимеров к волокно- и пленкообразованию. 

Полимеры способны к волокно- и пленкообразованию вследствие 
большой длины цепей и возможности их упорядочения. 

Среди особых свойств полимеров, способствующих их широко
му промышленному применению, можно выделить: 

а) механические свойства: 
– эластичность – способность к высоким обратимым деформа
циям при относительно небольшой нагрузке (каучуки); 

– малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полиме
ров (пластмассы, органическое стекло); 

– способность макромолекул к ориентации под действием на
правленного механического поля (используется при изготовлении волокон и пленок); 

 

 

 

Рис. 2. Неограниченное и ограниченное набухания  

полимера в растворителе 

 

б) химические свойства заключаются в способности резко из
менять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т.п.); 

в) особенности растворов: 
– высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;  
– растворение полимера происходит через стадию набухания.  
Особые свойства полимеров объясняются не только большой 

молекулярной массой, но и тем, что их макромолекулы имеют цепное 
строение и обладают гибкостью.