Полимерные материалы и пластики — свойства и применение

С.В. Котомин, О.И. Романко, Е.А. Якушева

Полимерные материалы и пластики — 

свойства и применение

Учебное пособие

Московский государственный технический университет 

имени Н.Э. Баумана

УДК 547
ББК 24.2
 
К73

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  

по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/111/book1625.html

Факультет «Фундаментальные науки»

Кафедра «Химия»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Котомин, С. В.

Полимерные материалы и пластики — свойства и применение : 

учебное пособие / С. В. Котомин, О. И. Романко, Е. А. Якушева. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 45, [3] c. : ил.

ISBN 978-5-7038-4649-0

Рассмотрены свойства полимеров и пластиков. Описаны наиболее 

распространенные полимеры. Представлены химические основы безопасной 
утилизации полимерных отходов и пластиков. Приведены двенадцать 
принципов «зеленой» химии.

Предназначено для самостоятельной подготовки студентов, обуча-

ющихся по специальности 20.03.01 «Техносферная безопасность». Может 
быть полезно всем изучающим органическую химию.

УДК 547
ББК 24.2

 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017

 
                                                                                   © Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-4649-0 
 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017

К73

Предисловие

Учебное пособие содержит материалы для обучения студентов 

по теме «Полимеры» дисциплины «Органическая химия» в соответствии 
с программой подготовки бакалавров по специальности 
20.03.01 «Техносферная безопасность».

Полимерные материалы играют важную роль в современном 

мире. Благодаря уникальным свойствам полимеры нашли применение 
во многих областях жизни человека — в машиностроении, 
текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, 
автомобилестроении, в быту. Однако с ростом производства 
и потребления полимеров встает вопрос об их утилизации. Лишь 
немногие полимеры способны разлагаться естественным путем. 
Перед учеными встает задача — создание биоразлагаемых полимеров, 
а также разработка новых безопасных методов производства 
и утилизации полимерных материалов.

В пособии подробно рассмотрены свойства полимеров и пла-

стиков, их взаимодействие с водой, причины и механизмы деструкции. 
Описано строение, физические и химические свойства, 
области применения наиболее распространенных полимеров. 
Проанализированы проблемы загрязнения окружающей среды 
полимерами, показаны химические основы безопасной утилизации 
полимерных отходов и пластиков. Представлены основные 
положения нового научно-технического направления «“Зеленая” 
химия».

Для закрепления полученных знаний в конце пособия приведе-

ны контрольные вопросы.

Введение

Высокомолекулярные соединения (ВМС) — химические вещества, 

молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся 
группировок (мономерных звеньев), соединенных между собой 
химическими связями. Молекулы ВМС имеют высокую молекулярную 
массу (от нескольких тысяч до многих миллионов) и называются 
макромолекулами. ВМС часто называют просто полимерами 
(от греч. роlу — много, mеrоz — часть).

Химия ВМС начала выделяться в самостоятельный раздел хи-

мической науки в начале 30-х гг. XX столетия. Основоположниками 
этой дисциплины были Г. Штаудингер, высказавший предположение 
о существовании макромолекул, размеры которых определяют 
их особенности, и У. Карозерс, внесший большой вклад в установление 
природы химических связей в макромолекулах.

Дальнейшее развитие химии макромолекул обязано исследова-

ниям русских химиков — П. Флори, В. А. Каргина, И. Л. Кнунян-
ца, П. П. Шорыгина, В. В. Коршака, П. П. Кобеко, С. С. Медведева 
и др.

Подавляющее большинство синтетических полимеров облада-

ет лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с природными 
полимерами. Это позволяет использовать их в качестве 
конструкционных материалов, с успехом заменять ими даже некоторые 
металлы. Появились полимеры, способные выдерживать 
высокие температуры, противостоять различным излучениям. Полимерные 
материалы находят широкое применение в машиностроении, 
автомобильной и авиационной промышленности, радио- 
электронике, медицине, космических технологиях.

Современные исследования в области химии полимеров направ-

лены на создание синтетических материалов, обладающих нетрадиционными 
свойствами, например водоотталкивающими (синтетическое 
волокно). Большое внимание при этом уделяется таким 
полимерам, которые не ухудшали бы экологическую обстановку.

Пример синтетических полимеров — полиэтилен и поливи-

нилхлорид (ПВХ), имеющие формулы соответственно

4

(—CH2  — CH2—)n
—CH2  — CH2—

                    Cl
(

 n

(

и

Молекулы этих веществ построены из элементарных звеньев — 

остатков мономеров:

—CH2  — CH2—
—CH2  — CH—

                   Cl

  полиэтилен
         ПВХ

Число элементарных звеньев n в макромолекуле является од-

ной из главных характеристик полимера и называется степенью 
полимеризации Р полимера:

Р = М/т, М = Рт,

где М — молярная масса всего полимера; т — относительная молекулярная 
масса элементарного звена.

Большинство полимеров, применяемых в промышленных целях, 
имеют степень полимеризации 10 2…10 4.

По происхождению различают следующие полимеры:
— природные (целлюлоза, крахмал, белки);
— искусственные — продукты обработки природных полиме-

ров (ацетатное и вискозное волокна);

— синтетические (основная масса полимеров, получаемая 

в промышленности).

В зависимости от формы макромолекул различают следующие 

ВМС (рис. 1):

— линейные;
— разветвленные;
— пространственные (трехмерные).

а
б
в

Рис. 1. Формы макромолекул:
а — линейная; б — разветвленная; в — пространственная

5

Для использования полимеров важно, прежде всего, тщатель-

но изучить физические, химические и механические свойства материала, 
который затем послужит основой при промышленном 
способе получения нужного продукта. Обязательно следует учесть 
отношение полимерных систем с важнейшим на Земле растворителем — 
водой: их устойчивость или растворимость в ней, сохранение 
своей химической природы или преобразование химических 
связей с участием молекул воды.

Вода является универсальным растворителем многих веществ, 

в том числе и полимерной природы. Некоторые представители 
природных (биологических) и синтетических полимеров способны 
растворяться в воде, что применяется при их использовании 
и переработке в промышленности и быту.

Вода способна сорбироваться на поверхности полимерных ма-

териалов и поглощаться всей массой материала. Пары воды могут 
также проникать в поры полимеров, приводя к деструкции химического 
и физического характера и меняя свойства полимерного 
материала.

Понимание связи химического строения и свойств полимерных 

материалов, исходя из принципов их получения в промышленности, 
и понимание особенностей строения молекул воды позволяют 
конструкторам оптимально выбрать материал для проектируемых 
изделий и конструкций.

1. Свойства полимеров

Химическую гетерогенную систему полимер–вода необходимо 

рассматривать в зависимости от условий, в которых она находится. 
Твердая фаза — полимер — как самостоятельная часть может взаимодействовать 
с водой на поверхности материала, а также смешиваться 
с ней, образуя растворы. Кроме того, возможно химическое 
взаимодействие макромолекул полимеров с водой, приводящее 
к образованию новых продуктов.

Состояние поверхностных слоев системы отличается от со-

стояния полимера и воды в объеме. По взаимодействию твердой 
фазы (полимер) и жидкой фазы (вода) свойства системы можно 
подразделить на адсорбционные (притяжение из окружающей среды 
молекул воды) и гидратационные (притяжение молекул воды 
из растворов).

По механизму процессы образования сложной системы по-

лимер–вода, согласно классификации П. А. Ребиндера, можно 
подразделить на гидрофобные («боящиеся воды») и гидрофильные 
(«любящие воду»). Гидрофобные системы имеют слабовыраженные 
межмолекулярные взаимодействия полимер–вода (например, 
полиэтилен, полипропилен, углеродные композиты). Для гидрофильных 
систем характерно сильное взаимодействие макромолекул 
полимера и молекул воды (например, желатин, целлюлоза, 
поливиниловый спирт).
Рассмотрим основные поверхностные свойства системы полимер–
вода.

1.1. Влажность полимеров

Вода может присутствовать в качестве основного компонен-

та среды, окружающего полимеры, как в виде паров, так и в виде 
жидкости (чистая вода и ее растворы). Влажность окружающей 
среды существенным образом может менять свойства полимерных 
материалов.

7

Влажностью полимеров (humidity) принято называть содержа-

ние свободной влаги в материале (в процентах к его массе). Так как 
влага проникает в полимер в результате сорбции поверхностным 
слоем, а затем распределяется путем диффузии во всем объеме материала, 
важно понимать сложность и многостадийность процесса, 
влияние параметров окружающей среды и продолжительности 
пребывания полимера во влажной атмосфере.

Определение влажности полимера проводят сушкой наве-

ски полимера до постоянной массы, азеотропной дистилляцией, 
а также пробой реактивом Фишера (раствор йода и оксид серы SO2 
в смеси пиридина и метанола).

Влажность существенным образом влияет на свойства полиме-

ров (прочность, диэлектрические и оптические свойства). Прежде 
всего это относится к полимерам, легко поглощающим влагу (полиамиды, 
реактопласты с гидрофильными наполнителями). Под 
влиянием влаги могут значительно изменяться размеры изделия 
из полимерного материала. Наличие метилольных групп –СН2–ОH 
в боковых ответвлениях макромолекул, например при конденсации 
мочевины и альдегида, обеспечивает способность полимера 
растворяться в воде. Эти боковые ответвления с полярными звеньями 
повышают прочность полимера и придают способность набухать 
и растворяться в полярных растворителях.

Ниже приведены нормативные значения влажности для некоторых 
полимеров, %:

Полиэтилен низкой плотности ...........................  
0,1

Полипропилен (атактический) ...........................  
0,1

Полистирол ..........................................................  
0,02–0,05

Поликарбонат ......................................................  
0,2

Поликапролактам ................................................  
0,4

Полиамид .............................................................  
0,4

Поливинилхлорид ................................................  
0,8–1,0

Натуральный каучук ............................................  
0,2–0,9

Бутадиенстирольный каучук ...............................  
До 1,0
Хлоропреновый каучук ........................................  
0,8–1,0 

Чем выше показатель влажности, тем более устойчив полимер 

к воздействию влаги.

1.2. Влагостойкость полимеров

Помимо влажности полимеры характеризуются влагостойко-

стью — способностью сохранять свои свойства при длительном 
воздействии влажного воздуха.
Влагостойкость определяется влагопоглощением — количеством 

воды, поглощаемой материалом после пребывания в течение 
определенного времени на влажном воздухе (95…98 %) при температуре 
20 или 40 °C. Так же, как и влажность, влагостойкость имеет 
свойство достижения своего равновесного значения при достаточно 
долгом пребывании материала во влажной атмосфере.

Пары воды, как и сама жидкость, могут вызывать набухание ма-

териала в результате абсорбции и адсорбции.

1.3. Влагопроницаемость полимеров

Способность полимеров пропускать водяные пары при наличии 
градиентов давления водяных паров или температуры называется 
влагопроницаемостью. Она характеризуется коэффициентом 
влагопроницаемости W, значение которого определяется прежде 
всего химическим составом и структурой полимера. Кроме того, 
влагопроницаемость зависит от градиента концентрации воды 
и температуры. Механизмы переноса паров воды достаточно 
сложны и в каждом конкретном случае определяются величиной 
и характером влагопоглощения.

Вода также способна сорбироваться поверхностью полимера 

и проникать внутрь его. Адсорбция и абсорбция воды материалом 
определяется его физическим состоянием, химическим строением 
звена и цепи, надмолекулярной структурой и типом микропустот. 
В зависимости от полярности полимера и состояния поверхности 
вода может образовывать моно- или полимолекулярную поверхностную 
пленку в результате работы адгезии воды и материала, которая 
определяется по формуле

Wa= γ (1+ cos θ),

где γ — коэффициент поверхностного натяжения воды, Н/м; θ — 
краевой угол смачивания, град.
При θ > 90° адгезия воды к полимеру меньше когезии молекул 

воды, и материал гидрофобен. В этом случае влага будет распреде-

лена по поверхности в виде капель. Установлено, что полимеры, 
содержащие в цепи макромолекулы только –СН2, –СН3, –С6Н5, 
–СF2 группы, являются гидрофобными. Многие свойства наиболее 
гидрофобных полимеров (политетрафторэтилен, в меньшей 
степени — полиэтилен, полистирол) при испытании в условиях 
повышенной влажности меняются незначительно, главным образом 
вследствие поверхностной конденсации воды.

Если же θ < 90°, то материал гидрофилен. В этом случае влага 

будет распределена по поверхности полимера в виде тонкого слоя. 
При наличии в цепи полимеров таких групп, как –СО–, –О–,  
–OH, –COOH, –NH–, –NH2, проявляется свойство гидрофильности. 
Гидрофильные материалы, особенно те, получение которых 
сопряжено с реакциями образования воды (например, поликонденсация), 
нуждаются в тщательной сушке и герметизации в изделии, 
так как их свойства могут зависеть от влажности среды. Удаление 
влаги может быть затруднено образованием прочных связей воды 
с макромолекулой (например, водородных связей). Некоторые 
свойства, в том числе диэлектрические характеристики и электрическая 
емкость конденсатора с данным полимером в качестве ди- 
электрика, могут служить критерием качества сушки полимера.

Введение гидрофильных блоков в макромолекулы гидрофобных 
полимеров позволяет получать волокнообразующие блок- 
сополимеры с повышенной восприимчивостью к красителям. 
Так, блоксополимеризация оксида этилена с полиэтилентерефталатом 
приводит к образованию веществ, сохраняющих высокую 
температуру плавления, вязкость и прочность полиэтилентере- 
фталата, но обладающих повышенной способностью к адсорбции 
воды и окрашиванию. Развитие методов синтеза таких сополимеров 
значительно расширяет круг новых материалов, полученных 
вставкой молекулярных цепей участков природных и синтетических, 
гибких и жестких, гидрофильных и гидрофобных полимеров.

В случае полностью гидрофобных полимеров (полистирол) 
конформация макромолекул будет определяться их межмолекулярным 
и внутримолекулярным взаимодействием. Однако при 
наличии в полимерах полярных групп они будут приближаться 
к поверхности раздела, и на конформацию макромолекул будут 
влиять возникающие при этом взаимодействия. С этих позиций 
можно объяснить различие между конформацией макромолекул 
полистирола и поливинилацетата.

Температурная зависимость коэффициента влагопроницаемости 
W определяется уравнением вида