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聚合物又称加聚物。由一种单体经聚合(加聚)反应而成的产物。分子具有重复的结构单位。分子量低的称低聚物,如三聚甲醛等。分子量高的,达几千甚至几百万的称高聚物或高分子化合物。高聚物有天然产物和人工合成的两类。天然高聚物,如蛋白质是氨基酸的聚合物、淀粉和纤维素是环状多羟基的聚合物(糖类)等,又称生物高聚物。它们大多可被生物降解,短期内可能会造成水体生物需氧量的递增,在厌氧条件下会分解产生氨、硫化氢和甲烷等污染物,但不致引起长期的环境影响。合成高聚物的种类繁多,制品应用很广,如聚氯乙烯和聚苯乙烯塑料、树脂、聚酯及橡胶等。它们是难降解物质。在环境中会长时间存在造成大量废品垃圾,其中的增塑剂会蒸发出来污染环境,影响人体健康。聚合物的单体大多从石油中得来,许多是有毒有害物质,如氯乙烯为致癌物。现今,人们在研制各种聚合物的含氧化物、含过氧化氢化合物及含羰基的化合物。这种高聚物在阳光照射下会光解成低分子的有机物并能被生物进一步降解而成无害物,使它不会污染环境。
高分子聚合物是由一种或几种结构单元主要以共价键连接起来的高分子量的化合物,也称高聚物、高分子化合物、大分子化合物等。例如,聚乙烯[—CH2—CH2—]n,尼龙6[—NH(CH2)5CO—]n,它们的结构单元分别为—CH2—CH2—,—NH(CH2)5CO—,聚合度为n。
由于分子量很高(通常为104~106) ,故显示许多特殊的性能,如较难溶,甚至不溶; 溶解先溶胀; 溶液粘度比相等浓度的小分子溶液高得多; 分子间作用力大,通常只能呈粘稠的液态或固态,不能气化; 固体具有一定力学强度,能抽丝,可拉膜。聚合物由长短不一的许多大分子链组成,这一特性称为分子量的多分散性,可用分子量分布来描述它的多分散性。通常所说的聚合物的分子量是平均值。根据统计平均方法不同,有数均分子量[等于高聚物的总质量(以g为单位)除以所含各种分子量分子的总物质的量,以表示Mm]、质均分子量 (等于高聚物的各种分子量的分子的质量分数与其相应的分子量乘积的总和,以Mm表示) 等。Mm/Mm称多分散系数,用来衡量分子量分布的宽窄。多分散系数越大,分子量分布越宽,分散程度越大。
高分子聚合物的性质在很大程度上还决定于分子链的形状。根据分子链的形状不同,可分为线型、球型、网型和体型几种结构。
线型结构高分子聚合物的主链原子,常排列成一长链形状,在长链上接有或多或少长短不一的支链。这类结构的高聚物受热时,往往可以熔化,也能溶于特定的有机溶剂,具有形成晶体的可能性,并可用人工定向。由于其中少量支链使分子间距增大,结构变松,从而机械强度降低,溶解能力和可塑性增高。常用的这类高聚物有聚乙烯、聚氯乙烯、橡胶等。
球型结构高分子聚合物的主链也是长链形状,但带有大量的支链,并围绕在主链的四周,使分子成为球状。其强度和弹性都不及线型结构高,无显著的熔点,但具有良好溶解性能。酚醛树脂、脲醛树脂等反应过程的中间产物均属这类结构。
网型结构高分子聚合物的主链也是长链形状,但为横跨键所交联成为网状。它在高温下不熔化,但能变软具有塑性;在有机熔剂中不溶解,但能膨胀,硫化橡胶即属于这类高分子。
体型结构高分子聚合物以长链为主链,在三维空间与其它许多分子发生交联而成,但在单体聚合过程中,也能逐步交联而形成。体型结构的高聚物质硬而脆,在高温中既不熔化,也无可塑性,在有机溶剂中不能溶解。酚醛、胺醛、环氧及聚酯等树脂的最终产物均属于此结构。
我们可从不同角度给聚合物分类。按性质和用途分为化学纤维、塑料、橡胶、涂料和粘合剂; 按合成反应的名称分为加成聚合物(如聚乙烯、聚丙烯等)、缩合聚合物(如聚酯、聚酰胺等)、开环聚合物(如聚醚等)等; 按来源分为天然聚合物 (如淀粉、纤维素等)、合成聚合物(如烯类聚合物等)、半合成聚合物(如醋酸纤维素等); 按主链元素组成分为碳链聚合物(主链主要由碳原子构成)、杂链聚合物(主链除碳原子外,还有氧、氮、硫等杂原子)、元素有机聚合物(主链主要由硼、硅、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成,侧链为有机基团如甲基、乙基等); 按应用功能分为通用高分子、功能高分子等。
聚合物的使用指标主要有强度、硬度、耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、耐溶剂性、透光性、气密性、电绝缘性等。聚合物的密度小,比同体积的钢铁小得多; 有的具有导电性、磁性,有的耐高温、耐低温、耐辐射; 有的有良好的气密性、透光性等。广泛用于医疗、导电、耐热、建筑、包装材料、塑料等方面。
聚合物的生产方法有本体聚合(包括熔融聚合,是单体在引发剂或光、热、辐射作用下,一般不加其他介质进行的聚合)、溶液聚合(单体、引发剂溶于适当溶液中的聚合)、乳液聚合 (在搅拌和乳化剂作用下,使单体分散在水中呈乳状液进行聚合)、悬浮聚合(在搅拌和分散剂作用下,单体分散成单体液滴,悬浮于水进行聚合)等,根据使用要求不同,可采用不同的聚合方法。
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