Конформации и конфигурации макромолекул. Конформации, размеры и форма макромолекул. Гетероцепные полимеры различных классов

Классификация полимеров по химическому строению основной цепи и макромолекулы в целом. Межмолекулярное взаимодействие в полимерах. Понятия плотности энергии когезии и параметра растворимости.

Структура макромолекул включает их химическое строение и длину, распределение по длинам и молекулярным массам, форму и пространственное расположение звеньев. По химическому строению основной цепи различают гомоцепные (с цепью из атомов углерода - карбоцепные ) и гетероцепные полимеры, а по химическому строению макромолекул в целом – полимеры:

· органические - цепь состоит из атомов углерода, кислорода, азота и серы;

· элементоорганические - цепь состоит из кремния, фосфора и других атомов, к которым присоединены углеродные атомы или группы, или наоборот;

· неорганические - полностью отсутствуют атомы углерода или карбоцепные с кратными (двойными или тройными) связями без боковых групп.

Наиболее распространены органические карбоцепные полимеры, включающие и различные их производные (галогенсодержащие, эфиры, спирты, кислоты и др.), название которых образуется названием мономера с приставкой «поли». К предельным алифатическим карбоцепным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, поливиниловый спирт, поливинилацетат, полиакриламид, полиакрилонитрил, полиметилметакрилат и другие. Непредельными являются полибутадиен, полиизопрен и полихлоропрен, примером жирноароматических полимеров - полиэтиленфенилен, а ароматических – полифенилен. Число неорганических гомоцепных полимеров ограничено - карбоцепные карбин (~C≡C-C≡C~) и кумулен (=С=С=С=), а также полисера (~S-S-S~), полисилан (~SiH 2 -SiH 2 ~), полигерман (~GeH 2 -GeH 2 ~) и др. Более распространены элементоорганические гомоцепные полимеры из органических цепей (карбоцепные) с элементоорганическими боковыми группами или из неорганических цепей с органическими радикалами: поливинилалкилсиланы, полиоргансиланы, борсодержащие полимеры. Органические гетероцепные полимеры делят на классы в зависимости от природы функциональных групп в основной цепи. Они могут быть алифатическими или ароматическими в зависимости от строения углеводородных группировок между функциональными группами (табл.1.1).

Таблица 1.1.

Гетероцепные полимеры различных классов:

Функциональная группа	Полимер
Название класса	Представители
К и с л о р о д с о д е р ж а щ и е
Простая эфирная	Простые полиэфиры	Полиметиленоксид (~CH 2 -O~)
		Полиэтиленоксид (~CH 2 -CH 2 -O~)
Сложноэфирная	Сложные полиэфиры	Полиэтилентерефталат ([-СН 2 -СН 2 -О-ОС-Ar-СО-О-] n)
		Полиарилаты ([-ОС-R-СОО-R`-О-] n)
		Поликарбонаты ([-О-Ar-СН 2 -Ar-O-CO-O-Ar-CH 2 -Ar-] n)
А з о т с о д е р ж а щ и е
Ацетальная	Ацетали	Целлюлоза (C 6 Н 1 0 О 5) n
Амидная	Полиамиды (-СО-NН-)	Полигексаметиленадипамид
Имидная	Полиимиды	Полипиромеллитимид
Мочевиновая	Полимочевина	Полинонаметиленмочевина
Уретановая	Полиуретаны (–HN-CO-O)	~(CH 2) 4 -O-CO-NH-(CH 2) 2 ~
С е р у с о д е р ж а щ и е
Тиоэфирная	Полисульфиды	Полиэтиленсульфид (~CH 2 -CH 2 -S~)
Сульфоновая	Полисульфоны	Поли-n ,n `-оксидифенилсульфон

Неорганические гетероцепные полимеры представляют полиборазол, поликремниевая кислота, полифосфонитрилхлорид. Элементоорганические гетероцепные полимеры включают большую группу наиболее востребованных соединений из неорганических цепей с органическими боковыми группами. К ним относятся кремнийсодержащие полимеры, цепи которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода (полиорганосилоксаны ) или азота (полиорганосилазаны ). Полимеры с третьим гетероатомом в основной цепи – металлом называются полиметаллорганосилоксанами (полиалюмоорганосил-оксаны, полиборорганосилоксаны и полититанорганосилоксаны). Существуют также полимеры с органонеорганическими цепями из атомов углерода, кремния, кислорода (поликарбосилоксаны, поликарбосиланы, поликарбораны), которые могут содержать алифатические или ароматические звенья. Все атомы в звеньях рассмотренных полимеров соединены химическими ковалентными связями . Существуют также координационные (хелатные, внутрикомплексные) гетероцепные полимеры, в которых звенья соединены донорно-акцепторным взаимодействием с ионом металла, образующим координационную связь (побочная валентность) и ионную связь (главная валентность). Химические и металлические связи при длине 0,1-0,2 нм значительно превышают по величине энергии физические связи и даже водородную связь (длина 0,24-0,32 нм ), которая занимает промежуточное положение между физическими и химическими связями. От химического строения и состава звеньев зависит и полярность связей, которую количественно оценивают величиной дипольного момента μ о , равного произведению заряда на расстояние между зарядами (табл.1.3), а также уровень межмолекулярного взаимодействия в полимере. В зависимости от полярности связей полимер может быть полярным и неполярным . Дипольный момент всех органических карбоцепных алифатических (неполярных) полимеров близок к нулю. В зависимости от строения макромолекул между ними могут проявляться дисперсионные, ориентационные и индукционные связи. Дисперсионные связи обусловлены возникновением мгновенных диполей в атомах при вращении электронов вокруг ядер. Для полярных макромолекул характерны ориентационные (диполь-дипольные) связи. В поле диполей полярных макромолекул могут поляризоваться и неполярные макромолекулы. Между постоянным и наведенным диполями возникают индукционные связи.

Межмолекулярное взаимодействие определяет способность полимера к растворению в низкомолекулярных жидкостях, поведение при низких температурах, эластические и другие свойства. Уровень его измеряют параметром растворимости – отношением произведения плотности полимера на сумму констант притяжения отдельных групп атомов в составном звене к молекулярной массе звена. Для этого используют также плотность энергии когезии (кДж/моль ), которая эквивалентна работе удаления взаимодействующих макромолекул или групп атомов друг от друга на бесконечно большие расстояния. При температуре стеклования Т с энергия межмолекулярного взаимодействия становится выше энергии теплового движения, и полимер переходит в твердое застеклованное состояние . Полимеры с Т с выше комнатной называют пластмассами , а ниже комнатной и параметром растворимости 14-19 (М . Дж/м 3 ) 1/2 – эластомерами (каучуками).

Молекулярная масса полимеров и методы ее определения. Молекулярно-массовое распределение и форма макромолекул. Классификация полимеров по количеству и порядку расположения составных звеньев.

Молекулярная масса (ММ) – важная характеристика структуры полимеров, определяющая уровень механических свойств и принадлежность к определенной их группе: олигомеры (реактопласты) – 10 3 -10 4 , кристаллические термопласты – 10 4 -5 . 10 4 , аморфные термопласты - 5 . 10 4 -2 . 10 5 , каучуки – 10 5 -10 6 . Чем меньше ММ полимеров, тем ниже вязкость их расплавов и легче они формуются. Механические же свойства определяются больше степенью отверждения (олигомеры) и кристалличности (полиамиды, полиэфиры) или переходом в стеклообразное состояние. Наибольшую ММ имеют каучуки, которые трудно формуются, но изделия из них имеют высокую эластичность. Поскольку при большой ММ не получается одинаковая степень полимеризации, макромолекулы различаются по размерам. Полидисперсность (полимолекулярность) - одно из основных понятий в физикохимии полимеров, а тип молекулярно-массового распределения (ММР) – важный показатель, влияющий на физико-механические свойства полимеров не меньше, чем ММ.

Поскольку ММ - среднестатистическая величина, различные методы ее определения дают разные значения. Среднечисловые методы основаны на определении числа макромолекул в разбавленных растворах полимеров, например, путем измерения их осмотического давления, а среднемассовые - на определении массы макромолекул, например, путем измерения светорассеяния. Среднечисловую ММ (M n ) получают простым делением массы образца полимера на число макромолекул в нем, а среднемассовую ММ: M w =M 1 w 1 +M 2 w 2 +…+M i w i , где w 1 , w 2 , w i – массовые доли фракций; M 1 , M 2 , M i – среднемассовые ММ фракций. Средневязкостная ММ, приближающаяся к среднемассовой ММ, определяется по вязкости разбавленных растворов. Полимер называется монодисперсным , если состоит из одной фракции с очень близкими друг к другу размерами макромолекул, и для него отношение M w /M n =1,02-1,05. В остальных случаях среднемассовая ММ больше среднечисловой ММ, а их отношение (M w /M n =2,0-5,0) является мерой полидисперсности полимера. Чем больше M w /M n , тем шире ММР. На кривой ММР полимера значение M n приходится на максимум, т.е. на фракцию, доля которой в составе полимера наибольшая, а M w сдвинуто вправо по оси абсцисс.

Большие размеры макромолекул полимеров обусловили еще одну особенность их структуры. Они могут быть линейными или разветвленными (с боковыми ответвлениями от основной цепи или звездообразной формы). При близких значениях ММ они становятся изомерами . Свойства полимеров, состоящих из макромолекул линейных и разветвленных, сильно различаются. Разветвленность - нежелательный показатель структурымакромолекул, снижающий их регулярность и затрудняющий кристаллизацию полимера. Соединение макромолекул химическими связями приводит к формированию сетчатых структур , еще больше изменяющих свойства полимеров. В соответствии с такими различиями по строению макромолекул (рис.1.1) и полимеры называют линейными , разветвленными и сетчатыми (сшитыми ).

В последнем случае понятие «макромолекула» утрачивает смысл, так как весь образец сшитого полимера становится одной гигантской молекулой. Поэтому в сшитых полимерах определяют среднее значение ММ отрезка цепи между химическими связями (узлами сетки), соединяющими макромолекулы.

Сополимеры содержат в основной цепи звенья двух и более разных мономеров (например, бутадиен-стирольный каучук) и имеют более сложное строение, чем гомополимеры , состоящие из звеньев одного мономера. Сополимер с беспорядочным соединением звеньев мономеров в макромолекуле называют статистическим , с правильным их чередованием – чередующимся , а с большой протяженностью участков (блоков) из звеньев одного мономера - блок-сополимером . Если блоки одного из мономеров присоединены к основной цепи макромолекулы, составленной из звеньев другого мономера, в виде больших боковых ответвлений, то сополимер называют привитым . Структура сополимера характеризуется химическим составом и длиной блоков или привитых цепей и числом блоков или прививок в макромолекуле. Звенья одинаковых или разных мономеров могут соединяться регулярно (конец одного - начало другого) или нерегулярно (конец одного – конец другого, начало другого – начало третьего звена, и др.), а заместители в боковых группах могут иметь регулярное или нерегулярное пространственное расположение. Структуру макромолекулы определяют также ее конфигурация и конформация.

Конфигурация макромолекул и стереоизомеры. Конформация и гибкость макромолекул. Гибкоцепные и жесткоцепные полимеры и форма их макромолекул.

Конфигурация макромолекулы – это определенное пространственное расположение ее атомов, не изменяющееся при тепловом движении, вследствие чего разные ее виды являются стабильными изомерами. Цис-изомеры характеризуются расположением разных заместителей по разные стороны от двойной связи в каждом повторяющемся звене, а транс-изомеры - наличием разных заместителей по одну сторону от двойной связи. Примером таких изомеров являются НК и гуттаперча – идентичные по химическому строению природные полиизопрены. Гуттаперча является пластмассой с кристаллической структурой, плавящейся при 50-70 О С, а НК – эластомером в интервале температур от +100 о С до -72 о С, так как их макромолекулы имеют разные периоды идентичности . В цис -полиизопрене (НК) ориентированные в одном направлении метильные группы встречаются через одно составное звено, что равно 0,82 нм , а в его транс -изомере (гуттаперче) – через 0,48 нм :

цис- 1,4-полиизопрен (НК)

транс -1.4-полиизопрен

Из макромолекул оптических полимеров с асимметрическим атомом углерода специальными методами синтеза получают стереорегулярные изомеры - изотактические (заместители - по одну сторону плоскости макромолекулы) и синдиотактические (заместители - по разные стороны):

Они отличаются по свойствам от атактических полимеров с нерегулярным расположением заместителей. Взаимное отталкивание заместителей приводит к их смещению относительно друг друга в пространстве, и поэтому плоскость симметрии изгибается в виде спирали. Структура спиралей характерна и для биологически активных полимеров (например, двойная спираль ДНК). Структура макромолекул стереоизомеров является носителем информации о способах их синтеза, а в белках двойные спирали ДНК несут огромную информацию о их биологической наследственности.

Конформация макромолекулы - это пространственное расположение атомов или групп атомов, которое может изменяться под действием теплового движения без разрушения химических связей между ними. Большая длина макромолекулы при возможности вращения ее частей вокруг постых химических связей обуславливает поворотную изомерию , выражающуюся в возникновении различных конформаций. Чем ближе друг к другу находятся атомы водорода (цис -положение), тем больше их отталкивание и соответственно потенциальная энергия макромолекулы. Взаимодействие усиливают полярные заместители, например атомы хлора. В транс -изомерах потенциальная энергия макромолекулы меньше, расположение атомов выгоднее, чем в цис -изомерах. Энергетический барьер вращения частей макромолекулы, который делает его заторможенным , складывающимся из ряда колебаний, помогают преодолеть флуктуации тепловой энергии . Совокупность колебаний и перемещений вокруг простых связей приводит к искривлению макромолекулы в пространстве, которое может идти в разных направлениях и меняться во времени. Иными словами, макромолекула обладает гибкостью - способностью к изменению своей конформации в результате теплового движения или действия внешних сил. При большом числе атомов цепь может не просто искривляться, а даже сворачиваться в очень рыхлый макромолекулярный клубок , размер которого можно охарактеризовать среднеквадратичным расстоянием между ее концами и рассчитать математически, зная число составных звеньев в ней. Из-за цепной структуры макромолекул перемещение одного атома или группировки приведет к перемещению и других, в результате чего возникает движение, подобное перемещению гусеницы или червя, которое называется рептационным (рис.1.2). Отрезок цепи, перемещающийся как единое целое в элементарном акте движения, называется сегментом цепи . Термодинамическая гибкость характеризует способность цепи изменять свою конформацию под действием теплового движения и может быть оценена параметром жесткости, длиной термодинамического сегмента или параметром гибкости Флори. Чем меньше эти показатели, тем выше вероятность перехода макромолекулы из одной конформации в другую (табл.1.4). Параметр жесткости оценивают отношением среднеквадратичных расстояний между концами реальной и свободно-сочлененной цепей в разбавленных растворах полимера. Длина термодинамического сегмента А (сегмента Куна) характеризует такую последовательность звеньев, при которой каждое звено ведет себя независимо от других, и также связана со среднеквадратичным расстоянием между концами цепи. Она равна гидродинамической длине макромолекулы для предельно жестких и длине повторяющегося звена для предельно гибких цепей. Полимеры диенового ряда и со связями ~Si-O~ или ~C-O~ в основной цепи характеризуются большей гибкостью по сравнению с полимерами винилового ряда, так как у них из-за уменьшения обменных взаимодействий между СН 2 -группами в 100 раз ниже энергия поворотных изомеров. Природа заместителей мало влияет на гибкость макромолекул. Параметр гибкости Флори f о показывает содержание гибких связей в макромолекуле и служит критерием гибкости, по которому полимеры делят на гибкоцепные (f о >0,63; А <10нм ) и жесткоцепные (f о <0,63; А >35нм ). Последние не бывают в конформации макромолекулярного клубка и имеют вытянутую форму макромолекул – упругой струны (полиалкилизоцианат, А =100), коленча-того вала (поли-п -бензамид, А =210) или спирали (биополимеры, А =240). Кинетическая гибкость макромолекулы отражает скорость ее перехода в силовом поле из одной конформации в другую и определяется величиной кинетического сегмента , т.е. той части макромолекулы, которая отзывается на внешнее воздействие как единое целое. В отличие от термодинамического сегмента, он определяется температурой и скоростью внешнего воздействия. С повышением температуры растут кинетическая энергия и гибкость макромолекулы и уменьшается величина кинетического сегмента. В условиях, когда время действия силы больше, чем время перехода из одной конформации в другую, кинетическая гибкость высока, а кинетический сегмент по величине приближается к термодинамическому сегменту. При быстрой деформации кинетический сегмент близок к гидродинамической длине макромолекулы, и даже термодинамически гибкая цепь ведет себя как жесткая. Кинетическая гибкость изолированной макромолекулы определяется по вязкоупругим свойствам сильно разбавленных растворов с последующей их экстраполяцией к нулевой коцентрации. Макромолекулы гибкоцепного аморфного полимера имеют клубкообразную форму как в изолированном виде, так и в массе. При этом структура полимера не похожа на структуру «молекулярного войлока», в котором макромолекулы перепутаны хаотически, как считали ранее. Идея об упорядоченных областях в аморфных полимерах высказана в 1948 г. Алфреем.

В пределах заданной конфигурации в макромолекуле имеется большое количество внутренних степеней свободы, связанных с вращением вокруг оси одинарных связей основной цепи. Как следствие, макромолекула способна принимать различные формы (конформации ), т.е. для полимеров характерна конформационная изомерия.

Конформация - это пространственное расположение атомов и атомных групп, которое может быть изменено без разрыва химических связей основной цени в результате теплового движения и (или) внешних воздействий.

Ниже схематически изображен механизм изменения конформации изотактической триады винилового полимера в результате поворота на 180° вокруг С-С-связи. Очевидно, что подобные конформационные переходы не сопровождаются изменением заданной конфигурации и разрывом химических связей.

Таким образом, конформационная изомерия макромолекул определяется внутренним вращением вокруг одинарных химических связей полимерной цепной конструкции.

Основные положения конформационной изомерии макромолекул

Рассмотрим основные закономерности внутреннего вращения вокруг химических связей па примере низкомолекулярной модели - 1,2-дихлорэтана.

Вследствие взаимодействия боковых заместителей (Ни С1) при полном повороте вокруг оси -С-С- связи на 360° в молекуле 1,2-дихлорэтана последовательно реализуется ряд различных поворотных изомеров, или кон- формеров, с определенной потенциальной энергией. Графически это можно представить в виде энергетической карты - зависимости потенциальной энергии конформера от угла поворота. Для 1,2-дихлорэтана подобная карта схематически изображена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Зависимость потенциальной энергии U валентно не связанных атомов молекулы 1,2-дихлорэтана от угла поворота

У молекул подобного типа различают три стабильные конформации: одна транс- и две гош-конформации (от фр. gauche - косой, перекошенный), соответствующие минимумам потенциальной кривой. Максимумы отвечают нестабильным заслоненным конформациям, в частности г^ис-конформеру.

В полимерах внутреннее вращение вокруг одинарных связей имеет ряд специфических особенностей по сравнению с низкомолекулярными соединениями. Рассмотрим фрагмент цепи поливинилхлорида в конфигурации «голова - голова».

В отличие от 1,2-дихлорэтана, в выделенном фрагменте вместо двух атомов II заместителями у углеродных атомов являются продолжения полимерной цепи -СН 2 -. Иными словами, при вращении вокруг связи между г-м и (г + 1)-м углеродными атомами (г + 2)-й атом углерода с последующим продолжением цепи играет роль заместителя (рис. 1.4).

Рис. 1.4.

Положение (г + 2)-го атома относительно предшествующей связи задано основанием конуса с учетом валентного угла 0. Однако поворот па 360° возможен лишь при перемещении в пространстве протяженного продолжения цепи, что требует огромной тепловой энергии, превышающей, как правило, энергию диссоциации химических связей. В результате внутреннее вращение в полимерах является заторможенным и реализуется в пределах определенной дуги окружности. Размер этой дуги определяет угол заторможенного внутреннего вращения ф. Величина угла заторможенного внутреннего вращения зависит от температуры, природы химической связи, полярности и объема заместителей, конфигурационного состава полимера и т.п.

Таким образом, в первом приближении, внутреннее вращение в полимерных цепях сводится к поворотам каждой последующей связи относительно предшествующей. В реальности эти события имеют ярко выраженный кооперативный характер, так как вращение двух соседних связей относительно друг друга во многом определяется как аналогичными процессами в ближнем окружении, так и взаимодействиями дальнего порядка. В связи с этим в случае полимера угол заторможенного внутреннего вращения является усредненной величиной. Количественные оценки этой характеристики будут приведены ниже.

Отличается от того же полимера в высокоэластическом состоянии подвижностью элементов структур макромолекул, т. е. временами релаксации : для макромолекул, сегментов и надмолекулярных образований в стеклообразном состоянии они очень велики и часто превышают время испытания или эксплуатации полимеров . Последнее подтверждается тем фактом, что значение температуры стеклования зависит от времени выдержки образца полимера в процессе физического или механического воздействия .

В зависимости от условий кристаллизация триацетата целлюлозы происходит но разному В большинстве случаев складывание полимерных макромолекул происходит нере1упярно. Наиболее ярко выраженные кристаллические области слабо связаны с остальной полимерной массой Эти ярко выраженные кристаллические области как бы погружены в аморфную область триацетата целлюлозы Не ярко выраженные кристаллические области более прочно связаны с массой полимера Они не могут отделяться от остальной массы без разрушения

В то же время скорость образования кристаллической фазы из растворов с малым пересыщением очень мала. Для спонтанного образования зародышей новой (кристалллической) фазы необходимо флуктуационное сочетание группы сегментов нескольких полимерных макромолекул, причем не только сочетание в строгом геометрическом порядке, но и такое количественное сочетание, при котором превышается критическая величина зародыша. Короче говоря, здесь сохраняются все закономерности зародышеобразования, характерные для низкомолекулярных систем, с тем лишь усложняющим отличием, что из-за малой подвижности макромолекул вероятность возникновения центра кристаллизации значительно уменьшается и для выделения кристаллической фазы необходимо очень продолжительное время или значительное пересыщение раствора, повышающее вероят-аость флуктуационного образования зародышей . Другим ограничением кристаллизации может быть достижение таких концентраций полимера, при которых вязкость системы становится очень большой, подвижность макромолекул резко снижается (при стекловании практически исчезает) и кристаллизация оказывается невозможной. ."Эти крайние случаи следует рассмотреть подробнее, в частности при разборе фазовых превращений в студнях.

Конформация плоского зигзага в макромолекуле полиэтилена может легко осуществляться благодаря тому, что атомы водорода малы по размерам: их ван-дер-ваальсовый радиус составляет 0,12 нм (1,2 А). При замещении атомов водорода др. атомами или группами, напр, атомами хлора [радиус 0,18 нм (1,8 А)| или фтора [радиус 0,15 нм (1.5 А)], в большинстве случаев цепь уже не может сохранить плоскую конформацию, поскольку большие атомы вызывают значительные напряжения в макромолекуле. Поэтому большинство полимерных макромолекул имеет спиральную конформацию . В этом случае период идентичности может включать один или неск. витков спирали. Напр., у макромолекулы политетрафторэтилена, имеющей форму слегка закрученной спирали, при темп-ре ниже 20 °С период идентичности [равный 1,68 нм (16,8 А)] включает шесть витков спирали, па к-рых расположено тринадцать звеньев CF2. В интервале темп-р 20-30 °С цепь слегка раскручивается, так что на период идентичности приходится пятнадцать звеньев. Форма макромолекулы политетрафторэтилена близка к цилиндрической. При темп-ре выше 30 °С структура становится частично беспорядочной; цепи, не нарушая взаимного расположения, согласованно колеблются или вращаются вокруг своих осей.

Конформация плоского зигзага в макромолекуле полиэтилена может легко осуществляться благодаря тому, что атомы водорода малы по размерам: их ван-дер-ваальсовый радиус составляет 0,12 нм (1,2 А). При замещении атомов водорода др. атомами или группами, напр, атомами хлора [радиус 0,18 нм (1,8 А)] или фтора [радиус 0,15 нм (1,5 А)], в большинстве случаев цепь уже не может сохранить плоскую конформацию, поскольку большие атомы вызывают значительные напряжения в макромолекуле. Поэтому большинство полимерных макромолекул имеет спиральную конформацию . В этом случае период идентичности может включать один или неск. витков спирали. Напр., у макромолекулы политетрафторэтилена, имеющей форму слегка закрученной спирали, при темп-ре ниже 20 °С период идентичности [равный 1,68 нм (16,8 А)] включает шесть витков спирали, на к-рых расположено тринадцать звеньев CF2. В интервале темп-р 20-30 °С цепь слегка раскручивается, так что на период идентичности приходится пятнадцать звеньев. Форма макромолекулы политетрафторэтилена близка к цилиндрической. При темп-ре выше 30 °С структура становится частично беспорядочной; цепи, не нарушая взаимного расположения, согласованно колеблются или вращаются вокруг своих осей.

Возможны два типа дисперсии на более высоком кристаллит-ном уровне. Первый - распределение одного компонента в другом на микроуровне в виде отдельных кристаллитов , находящихся в областях матрицы со значительным дефектом плотности; второй - макрораспределение одного из компонентов как дисперсной фазы, причем большая вероятность второго типа распределения будет при значительных концентрациях диспергируемого компонента и в случае плохого предварительного смешения. Однако в обоих случаях следует ожидать появления еще одного типа распределения полимерных макромолекул, которое характерно для переходной области. Следует отметить, что при распределении диспергируемого компонента на уровне кристаллитов, вероятно, фазовые границы будут мало отличаться от существующих в чистом полимере, которые обусловлены наличием аморфной и кристаллической фаз.

Есть немало экспериментальных данных, подтверждающих наличие переходного слоя на границе раздела полимеров. Так, в смеси каучуков можно определить энергию когезии. Если бы смесь была однофазной, то энергия когезии изменялась с составом смеси по кривой, лежащей выше или ниже аддитивной так же, как изменяется теплота испарения смеси низкомолекулярных жидкостей. В двухфазной смеси взаимодействие полимеров ограничено только поверхностью раздела и в отсутствие переходного слоя интенсивность взаимодействия должна быть малой. При этом можно думать, что энергия когезии меняется аддитивно с составом. Отклонение от аддитивности энергии когезии в смеси полимеров указывает на наличие переходного слоя, в котором осуществляется взаимодействие полимерных макромолекул. Согласно , энергия когезии в смеси каучуков

Пластификация полимеров обычно рассматривается как технологический прием повышения эластических и пластических свойств материала, т. е. уменьшения его хрупкости в результате введения специально подобранных низкомолекулярных веществ - пластификаторов. При этом, как известно, смещаются в сторону более низких температур точки переходов полимера из одного

1.3. Конфигурация макромолекул

Понятие конфигурации включает определенное пространственное расположение атомов макромолекул, которое не изменяется при тепловом движении. Переход от одной конфигурации к другой невозможен без разрыва химических связей.

Различают : 1) конфигурацию звена, 2) ближний порядок – конфигурацию присоединения звеньев, 3) дальний порядок – конфигурацию больших участков (например, блоков и их чередования, или длину и распределение ветвлений), 5) конфигурацию вытянутой цепи в целом.

Конфигурация звена . Примерами являются цис- и транс- конфигурации у диеновых полимеров

1,4-цис- полиизопрен 1,4-транс- полиизопрен (натуральный каучук) (гуттаперча) Другим примером может являться l,d- изомерия. Например,

для полимеров со звеньями ~СН2 –СНR~, где R – любой радикал, возможно образование двух изомеров: l – левовращающий, а d – правовращающий

Конфигурация присоединения звеньев (ближний порядок). Звенья в цепи могут присоединяться по типу «голова к хвосту» и «голова к голове»:

является присоединение по типу «голова к хвосту», а присоединение по типу «голова к голове» требует преодоления больших активационных барьеров.

Для сополимеров типы структурных изомеров увеличиваются по сравнению с гомополимерами. Например, для сополимеров бутадиена и стирола возможно:

1. последовательное чередование звеньев –А–В–А–В–А–В– ,

2. сочетание звеньев в виде диад и триад –АА–ВВВ–АА–ВВВ– ,

3. статистическое сочетание звеньев –АА–В–АА–ВВВ–А–В– . Дальний конфигурационный порядок распространяется на

десятки и сотни атомов в основной цепи. Например, большие последовательности блоков в блок-сополимерах или большие последовательности звеньев с одинаковой стереорегулярностью (например, полимеры с изотактической, атактической и синдиотактической структурой).

Изотактический Атактический Синдиотактический

Конфигурация цепи в целом определяется взаимным расположением крупных последовательностей звеньев (при дальнем порядке). Например, для разветвленных макромолекул различные типы конфигураций показаны на рис.4.

Рис. 4. Конфигурации макромолекул

1.4. Конформация макромолекул

Конформация – это переменное распределение в пространстве атомов или групп атомов, образующих макромолекулу. Переход из одной конформации в другую может происходить за счёт вращения, поворота или колебания звеньев вокруг одинарных связей под действием теплового движения или внешних сил и не сопровождается разрывом химических связей.

Полимеры могут принимать различные конформации:

Статистический клубок – это свернутая конформация. Образуется, когда интенсивность внутреннего теплового движения превалирует над внешним воздействием. Характерна линейным полимерам [ПЭ, ПП, ПБ, ПИБ и лестничным полимерам (полифениленсилоксан).

Спираль – образуется у полимеров за счёт Н–связей (например, у белковых молекул и нуклеиновых кислот).

Глобула – очень компактная частица по форме близкая к сферической. Характерна полимерам с сильным внутромолекулярным взаимодействием (например, у ПТФЭ).

Стержень или струна обнаружена у алкилполиизоцианатов.

Складчатая конформация . Характерна полимерам в кристаллическом состоянии (например, у ПЭ).

Конформация коленчатого вала реализуется у поли-n -бенз- амида.

Рис.5. Конформации макромолекул

1.5. Гибкость макромолекул

Гибкость является одной из важнейших характеристик полимеров, определяющей высокоэластические, релаксационные и термомеханические свойства полимеров, а также особенности свойств их растворов. Гибкость характеризует способность макромолекул изменять свою форму под влиянием теплового движения звеньев или внешних механических воздействий. Гибкость обусловлена внутренним вращением звеньев или частей макромолекул относительно друг друга. Рассмотрим явление внутреннего вращения в молекулах на примере простейшего органического соединения – молекулы этана.

В молекуле этана (СН3 –СН3 ) атомы углерода связаны с атомами водорода и друг с другом ковалентными (σ–связями), причём угол между направлениями σ–связей (валентный угол) составляет 1090 28/ . Это вызывает тетраэдрическое расположение заместителей (атомов водорода) в пространстве в молекуле этана. Вследствие теплового движения в молекуле этана происходит вращение одной группы СН3 относительно другой вокруг оси С-С. При этом непрерывно меняется пространственное расположение атомов и потенциальная энергия молекулы. Графически различные крайние расположения атомов в молекуле можно представить в виде проекций молекулы на горизонтальную плоскость (Рис.6). Допустим, что в положении а потенциальная энергия молекулы равна U1 , а в положении б – U2 , при этом U1 ≠ U2 , т.е. положения молекулы энергетически неравноценны. Положение б , при котором атомы Н расположены друг под другом, является энергетически невыгодным, так как между атомами Н проявляются силы отталкивания, которые стремятся перевести атомы в энергетически выгодное положение а . Если принять

U1 =0, то U2 =max.

Рис. 6. Проекционные формулы крайних расположений атомов Н в пространстве в молекуле этана.

Рис. 7. Зависимость потенциальной энергии молекулы от угла поворота метильной группы.

При повороте одной группы СН3 относительно другой на 600 молекула из положения а переходит в б и далее через 600 снова в положение а и т.д. Изменение значений потенциальной энергии молекулы этана от угла поворота φ показано на рис.7. Молекулы с меньшей симметрией (например, молекула дихлорэтана) имеют более сложную зависимость U=f(φ).

Потенциальным (U 0 ) или активационным барьером враще-

ния называется энергия, необходимая для перехода молекулы из положения минимума в положение максимума потенциальной энергии. Для этана U0 малая величина (U0 =11,7 кДж/моль) и при

обычной температуре происходит вращение групп СН3 вокруг связи С-С с большой скоростью (1010 об/сек).

Если молекула имеет запас энергии меньший U0 , то вращение отсутствует и происходит лишь колебание атомов относительно положения минимальной энергии – это ограниченное или

заторможенное вращение.

У полимеров вследствие внутри- и межмолекулярных взаимодействий зависимость U=f(φ) имеет сложную форму.

Если одно положение звена цепи характеризуется потенциальной энергией U1 , а другое – U2 , то энергия перехода из одного положения в другое равна разности ∆U= U1 – U2 . Разность энергий перехода ∆U из одного равновесного положения звена макромолекулы в другое характеризует термодинамическую гибкость . Она определяет способность цепи изгибаться под влиянием теплового движения.

Другой характеристикой гибкости является скорость перехода звеньев из одного положения в другое. Скорость конформационных превращений зависит от соотношения величины U0 и энергии внешних воздействий. Чем больше U0 , тем медленнее повороты звеньев и меньше гибкость. Гибкость макромолекул, определяемая величиной U0 , называется кинетической гибко-

Факторы, определяющие гибкость макромолекул

К таким факторам относят: величину U0 , ММ полимера, густоту пространственной сетки, размер заместителей и температуру.

Потенциальный барьер вращения (U 0 ) . Величина U0 зависит от внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Рассмотрим факторы, влияющие на U0 и гибкость цепей у карбоцепных полимеров.

Карбоцепные полимеры

У карбоцепных полимеров наименее полярными являются предельные углеводороды. У них внутри- и межмолекулярные взаимодействия невелики, а также малы значения U0 и ∆U, следовательно полимеры обладают большой кинетической и термодинамической гибкостью. Примеры: ПЭ, ПП, ПИБ.

Особенно низки значения U0 у полимеров, в цепи которых рядом с ординарной имеется двойная связь.

–СН2 –СН=СН–СН2 – Полибутадиен Введение в макромолекулы заместителей, содержащих по-

лярные группы приводит к внутри- и межмолекулярным взаимодействиям. При этом существенно влияют степень полярности

При введении полярных групп возможны три случая по влиянию на гибкость:

1. Полярные группы близко расположены и возможны между ними сильные взаимодействия. Переход такими полимерами из одного пространственного положения в другое требует преодоления больших U0 , поэтому цепи таких полимеров наименее гибкие.

2. Полярные группы расположены в цепи редко и взаимодействия между ними не проявляются. Значения U0 и ∆U невелики и полимеры имеют большую кинетическую и термодинамическую гибкость.

–СF 2 –СF 2 –

Пример: Полихлоропрен

3.Полярные группы расположены так, что электрические поля взаимно компенсируются . При этом суммарный дипольный момент макромолекулы равен нулю. Поэтому низки значения U0 и ∆U и полимеры имеют большую кинетическую и термодинамическую гибкость.

Пример: Политетрафторэтилен

Гетероцепные полимеры

У гетероцепных полимеров вращение возможно вокруг связей С–О, С–N, Si–O, C–C. Значения U0 для этих связей невелики и цепи обладают достаточной кинетической гибкостью. Примеры: полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, силоксановые каучуки.

Однако гибкость гетероцепных полимеров может ограничиваться межмолекулярными взаимодействиями за счёт образования Н-связей (например, у целлюлозы, полиамидов). Целлюлоза является одним из жесткоцепных полимеров. У неё содержится большое количество полярных групп (–OH) и поэтому для целлюлозы характерны внутри- и межмолекулярные взаимодействия и высокие значения U0 и малая гибкость.

Молекулярная масса полимера . Увеличение ММ полимера повышает свернутость цепи и поэтому длинные макромолекулы

обладают большей кинетической гибкостью по сравнению с короткими макромолекулами. По мере увеличения ММ возрастает число конформаций, которое может принимать макромолекула и гибкость цепей увеличивается.

Густота пространственной сетки . Чем больше химических связей между макромолекулами, тем меньше гибкость цепей, т.е. с увеличением густоты пространственной сетки гибкость уменьшается. Примером является снижение гибкости цепей с увеличением числа сшивок в ряду резол< резитол<резит.

Влияние размера и количества заместителей . Увеличение числа полярных и больших по размеру заместителей снижает подвижность звеньев макромолекулы и уменьшает кинетическую гибкость. Примером является снижение гибкости макромолекул сополимера бутадиена и стирола при увеличении содержания громоздких фенильных заместителей в цепи.

Если при одном атоме углерода в основной цепи полимера имеются два заместителя (например, ОСН3 и СН3 в звеньях ПММА), то макромолекула становится кинетически жесткой.

Температура. С повышением температуры возрастает кинетическая энергия макромолекулы. До тех пор, пока величина кинетической энергии меньше U0 , цепи совершают крутильные колебания. Когда кинетическая энергия макромолекулы становится равной или превышает величину U0 звенья начинают вращаться. С повышением температуры величина U0 мало изменяется, а скорость поворота звеньев увеличивается и кинетическая гибкость возрастает.

Контрольные вопросы

1 Общие сведения о полимерах, понятия, определения.

2 Дайте определение и приведите примеры органических, не-

органических и элементоорганических полимеров.

2 Классификация гомоцепных полимеров, примеры.

3 Классификация гетероцепных полимеров, примеры.

4 Термодинамическая и кинетическая гибкость макромолекул. Какие факторы влияют на гибкость макромолекул?

5 Что такое конфигурация макромолекул и какие возможны разновидности конфигурации макромолекул? Примеры.

6 Что такое конформация макромолекул и какие возможны разновидности конформаций макромолекул? Примеры.

7 Какими параметрами характеризуют молекулярную массу, молекулярно-массовое распределение и полидисперсность полимеров?

8 Молекулярные характеристики олигомеров.

9 Фракционирование полимеров и построение кривых моле- кулярно-массового распределения.

Размеры макромолекулы определяются ее длиной l и диаметром d. Если рассматривать макромолекулу в форме вытянутой цепи определенной конфигурации, то диаметр ее составляет примерно 0,5 нм, а длина мономерного звена - 0,154 нм. При числе звеньев 10000 длина всей макромолекулы примерно составит 1540 нм. Однако рассматривать макромолекулу в виде вытянутой цепи в форме плоского зигзага нельзя, так как при этом не учитываются: 1) роль взаимодействия (притяжения и отталкивания) атомов и групп, в частности, боковых групп, и 2) влияние теплового движения, которое существует при любой температуре, отличной от абсолютного нуля.

С учетом этих факторов в каждый определенный момент времени макромолекулы принимают определенные конформации. Каждая конформация характеризуется только ей присущим определенным расположением в пространстве атомов и групп.

Переход из одной конформации в другую осуществляется за счет вращения, поворота или колебания вокруг одинарных связей под действием теплового движения или внешних сил и не сопровождается разрывом валентных химических связей. Переход из одной формы в другую возможен только при условии, что кинетическая энергия больше некоторой величины, называемой потенциальным барьером U o . Его величина зависит от типа заместителя и его полярности. С увеличением объема заместителей или их полярности значение U o повышается. Атомы кислорода, серы, азота, а также двойные связи снижают эту величину.

Вероятность существования той или иной конформации определяется соотношением сил притяжения и отталкивания, т.е. внутри- и межмолекулярным взаимодействием. Это взаимодействие может быть ближнего порядка (например, между соседними атомами и группами) и дальнего порядка (между атомами, расположенными на значительном расстоянии). Взаимодействие ближнего порядка оказывает значительно большее влияние.

Конформации макромолекулы (цепи) - это размеры и конкретные формы, которые макромолекула принимает в результате суммарного влияния теплового движения и внешних сил. В зависимости от соотношения этих сил и интенсивности теплового движения могут реализоваться различные конформации:

1) статистический клубок, т.е. более или менее свернутая конформация.

Такую конформацию обычно принимают макромолекулы полимеров, для которых интенсивность внутреннего теплового движения превышает внешнее воздействие. Оно характерно для многих полимеров, например, линейных (полиэтилен, полипропилен, полибутадиен, полиизопрен, тринитроцеллюлоза и др.), лестничных (полифениленсилоксан);

2) конформация спирали. Ее принимают макромолекулы, у которых дальний порядок поддерживается, например, водородными связями.

Спиральная конформация характерна для белков и нуклеиновых кислот.

3) конформация глобулы, т.е. очень компактной частицы, по форме близкой к сферической.

Такую конформацию имеют макромолекулы полимеров с очень сильным внутримолекулярным взаимодействием, например, полимеры, содержащие атом фтора (политетрафторэтилен).

4) конформация стержня или струны – вытянутая макромолекула (алкилполиизоцианаты);

5) складчатая конформация; характерна для полимеров в кристаллическом состоянии;

6) конформация коленчатого вала (поли-п-бензамид).

Конформация макромолекулы может изменяться в зависимости от различных внешних факторов - температуры, механического напряжения и др. Например, при деформации растяжения макромолекула полибутадиена переходит из статистического клубка в вытянутую струну. Поэтому о конформации макромолекулы обычно судят в условиях отсутствия возмущающих факторов.

НАДМОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА

В результате действия водородных и межмолекулярных связей макромолекулы полимеров вступают во взаимодействие друг с другом и образуют агрегаты различной степени сложности и с разным временем жизни. Строение таких агрегатов зависит от:

1) химического состава взаимодействующих мономерных звеньев макромолекул;

2) числа и размера атомов или групп;

3) условий (температура, давление, среда и др.

Наиболее устойчивы структуры, в которых число межмолекулярных связей максимально. В ряде случаев отдельные макромолекулы объединяются во вторичные образования, вторичные - в образования третьего и четвертого порядка. Физическая структура полимерных тел, обусловленная различными видами упорядочения во взаимном расположении макромолекул, называется надмолекулярной структурой .

Взаимное расположение, размеры составных элементов надмолекулярной структуры зависят от:

1) конфигурации и конформации;

2) химического состава составных мономерных звеньев и макромолекулы в целом;

3) размеров отдельных атомов и строения их орбиталей;

4) условий структурообразования, которое происходило при охлаждении полимера после синтеза, хранении, переработке и последующей эксплуатации изделия;

5) продолжительности и скорости структурообразования и т.п.

Чем сложнее химическое строение макромолекулы полимера, чем разнообразнее условия, в которых синтезировали, перерабатывали и хранили полимер, тем сложнее и разнообразнее надмолекулярные структуры в нем, менее однородны его свойства. Поскольку состав сырья, а также рецептуры и режимы получения и переработки полимеров могут колебаться, их надмолекулярные структуры различаются даже в пределах производственных партий.

Надмолекулярная структура полимера определяет комплекс его физических свойств, скорость и механизм физико-химических и химических процессов.

Примеры - алмаз и графит.

По степени упорядоченности элементов надмолекулярных структур их разделяют на две группы: аморфные и кристаллические.

В кристаллических полимерах существует дальний трехмерный порядок в расположении атомов, звеньев и цепей. Аморфные полимеры характеризуются ближним порядком в расположении звеньев. Однако это два крайних случая.

Обычно и аморфные полимеры не полностью беспорядочные и бесструктурные, а даже сильно кристаллические имеют дефекты кристаллической структуры.