Химические свойства некоторых полимеров

Таблица 2

Механические свойства полимеров определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим со­стоянием макромолекул.

Для полимеров характерны некоторые особенности, такие, как высокоэластическое состояние в определенных условиях, механи­ческое стеклование, способность термореактивных макромолекул образовывать жесткие сетчатые структуры. Механическая проч­ность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и далее сетчатым структурам. Стереорегулярные структуры имеют более высокую прочность, чем полимеры с разупорядоченной структу­рой. Дальнейшее увеличение механической прочности полимеров наблюдается при их переходе в кристаллическое состояние. На­пример, разрывная прочность кристаллического полиэтилена на 1,5—2,0 порядка выше, чем прочность аморфного полиэтилена. Удельная прочность на единицу площади сечения кристалличе­ских полимеров соизмерима, а на единицу массы на порядок превышает прочность легированных сталей.

Электрические свойства полимеров. Все вещества подразде­ляются на диэлектрики, полупроводники и проводники.

Диэлектрики имеют очень низкую проводимость ( <10^-8 Ом· см^-1), которая увеличивается с повышением температуры. Под действием внешнего электрического поля про­исходит поляризация диэлектриков, т. е. определенная ориента­ция молекул. Вследствие поляризации внутри диэлектрика воз­никает собственное электрическое поле, которое ослабляет воздействие внешнего поля. Количественной характеристикой ослабления воздействия внешнего поля служит диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз сила взаимо­действия двух зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Вследствие поляризации в диэлектрике возникают диэлектриче­ские потери, т. е. превращение электрической энергии в тепло­вую. При некотором высоком напряжении внешнего электриче­ского поля диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Это напряжение получило название напряжения пробоя, а отношение напряжения пробоя к толщине диэлектрика - элек­трической прочности.

Большинство полимеров относится к диэлектрикам. Однако их диэлектрические свойства лежат в широких пределах и зави­сят от состава и структуры макромолекул. Диэлектрические свой­ства в значительной степени определяются наличием, характером и концентрацией полярных групп в макромолекулах. Наличие у макромолекул галогенных, гидроксидных, карбоксидных и других полярных групп ухудшает диэлектрические свойства полимеров. Например, диэлектрическая проницаемость поливинилхлорида в 1,5 раза ниже, удельная электрическая проводимость и электри­ческая прочность на порядок ниже, а диэлектрические потери на два порядка выше, чем аналогичные показатели у полиэтиле­на. Поэтому хорошими диэлектриками являются полимеры, не имеющие полярных групп, такие, как фторопласт, полиэтилен, полиизобутилен, полистирол. С увеличением молекулярной массы полимера улучшаются его диэлектрические свойства. При пере­ходе от стеклообразного к высокоэластическому и вязкотекучему состояниям возрастает удельная электрическая проводимость полимеров.

Электрическая проводимость диэлектриков обусловлена дви­жением ионов, образующихся при деструкции полимеров, а так­же диссоциацией примесей, включая низкомолекулярные про­дукты поликонденсации, растворители, эмульгаторы, инициаторы и катализаторы полимеризации. Поэтому для улучшения диэлек­трических свойств необходимо удалять примеси из полимеров. Некоторые функциональные группы, например гидроксидные, обусловливают гидрофильность полимеров. Такие полимеры по­глощают воду. Наличие воды приводит к повышению электриче­ской проводимости полимеров, поэтому гидроксидные группы стремятся связать между собой или с другими группами (реак­ция конденсации).

Полимерные диэлектрики широко применяются в электротех­нике и радиотехнике как материалы различных электротехниче­ских изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляцион­ных эмалей и лаков.

Органические полупроводники. К полупроводни­кам относят вещества, электрическая проводимость которых ле­жит в пределах 10^-10—10^-4 Ом· см^-1. Электрическая прово­димость полупроводников возрастает с увеличением температуры и при воздействии света. Некоторые полимеры обладают полу­проводниковыми свойствами. Обычно это полимеры с системой сопряженных двойных связей. Полупроводниковые свойства та­ких полимеров обусловлены наличием делокализованных -электронов сопряженных двойных связей.

В электрическом поле определенного напряжения эти элек­троны могут перемещаться вдоль цепи, обеспечивая перенос за­ряда. Примерами органических полупроводников могут служить полиацетилен, поливинилены, полинитрилы, полиакрилонитрил.

В последние годы было открыто явление резкого возрастания электрической проводимости полиацетилена и некоторых других органических полупроводников при введении в эти полимеры ка­тионов, например ионов Li⁺, или анионов, например ионов ClO . Легированные органические полупроводники могут приме­няться в качестве электродных материалов аккумуляторов, плас­тин конденсаторов, а в перспективе и для замены металлов (ор­ганические металлы).