К высокомолекулярным соединениям (ВМС) относятся вещества, состоящие из больших молекул. Резкой границы по молекулярной массе между высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями нет. Условно принято считать высокомолекулярными соединения с молекулярной массой более 5000. Молекулярная масса особенно природных ВМС может достигать нескольких миллионов.
ВМС в природе образуются в результате очень сложных многоступенчатых процессов, в которых важную роль играют сложные системы ферментов (биологических катализаторов).Искусственные полимеры получают способами химической модификации природных соединений с использованием так называемых полимераналогичных превращений (см. с. 60).
Физическая структура (надмолекулярная структура) высокомолекулярных соединений зависит от химического строения полимеров, молекулярной массы, межмолекулярного взаимодействия, формы макромолекул и других факторов.
Любое вещество при данной определенной температуре существует в определенном равновесном физическом состоянии. У низкомолекулярных соединений понятия агрегатного и физического состояний совпадают. У полимеров существует ряд особенностей, о которых будет сказано ниже.
Растворы ВМС имеют большое практическое значение. Применение полимеров в производстве пластмасс, лаков, клеев, пленок, искусственных волокон очень часто связано с процессами растворения. Кроме того, растворы ВМС имеют большое значение для их исследования. В растворах определяют важнейшие характеристики полимеров: молекулярную массу (или степень полимеризации), молекулярную неоднородность (полидисперсность) и форму макромолекул.
Для определения молекулярной массы высокомолекулярных соединений разработаны специальные методы, которые можно разделить на физические и химические. Молекулярную неоднородность полимеров определяют методами фракционирования.
Химические превращения дают возможность изменять свойства и, следовательно, области применения готовых полимеров, а также получать новые ВМС. Большое значение имеет превращение линейных полимеров в пространственные, например получение резины из каучуков способом вулканизации. К химическим превращениям полимеров относят также реакции деструкции полимеров, например гидролиз целлюлозы и крахмала с получением глюкозы.
Полимеры могут быть получены в виде вязких жидкостей, растворов, в эластичном виде, в твердом виде (порошки, гранулы, блоки), а также в виде эмульсий, суспензий и т. п. Из полимеров изготовляют пластические массы, химические волокна, лакокрасочные материалы, клеи, ионообменные смолы и др. Большинство изделий получают из синтетических полимеров. Полимеры обычно используют в виде композиций — смесей с другими материалами. В чистом виде они почти не применяются. При изготовлении полимерных материалов на основе полимеров добавляют различные вспомогательные вещества для придания специфических свойств изделиям. Добавка того или иного компонента в полимерную композицию диктуется как технологическими, так и экономическими соображениями.
Эти высокомолекулярные соединения получают полимеризацией соответствующих непредельных углеводородов (олефинов). Наиболее широкое применение в настоящее время получили полиэтилен, полипропилен, сополимеры этилена и пропилена и полистирол.
К высокомолекулярным соединениям этого класса относятся натуральный каучук, гуттаперча и большинство синтетических каучуков. Характерная особенность этих полимеров — способность очень сильно деформироваться при действии небольших нагрузок. Полимеры этого типа относятся к эластомерам.
Из галоидсодержащих полимеров наибольшего внимания заслуживают насыщенные полимеры, получаемые полимеризацией хлорпроизводных и фторпроизводных этилена, особенно поливинилхлорид и политетрафторэтилен.
Интерес к простым эфирам стали проявлять совсем недавно, поэтому количество синтезированных простых полиэфиров пока еще невелико и они не получили такого широкого распространения, как сложные полиэфиры.
Существуют полиамиды природного происхождения (белки) и синтетические. В их полимерной цепи имеются группировки —СО—ЫН—.В промышленности получили распространение синтетические полиамиды линейного строения. Эти полиамиды получают методом поликонденсации (на границе двух фаз) аминокислот или двухосновных органических кислот и диаминов, а также полимеризацией лактамов. В качестве основного сырья для производства полиамидов применяют аминокислоты (аминокапроновую или ее лактам, аминоэнантовую), диамины (гекса-метилендиамин) и двухосновные кислоты (адипиновую). Из полиамидов в промышленном масштабе получают капрон, найлоны, энант и др.
Реакция полимеризации идет в среде азота в расплаве, температуру которого поддерживают в пределах 190—195 °С.Перлон-и обычно имеет молекулярную массу 13 000—30 000, его плотность равна 1,21 г/см3, температура плавления 184 °С, а размягчения 173 °С. Этот полимер по свойствам в основном похож на капрон и анид. Ему свойственна высокая прочность, но она несколько ниже, чем у капрона и анида. Он устойчив к действию ароматических, алифатических и хлорированных углеводородов, альдегидов и кетонов, минеральных и органических масел, разбавленных органических и минеральных кислот, но растворим в фенолах, концентрированной серной и муравьиной кислотах.
Фенолоальдегидные смолы получают поликонденсацией фенолов с альдегидами в присутствии щелочных и кислотных катализаторов. Для получения технических продуктов из фенолов обычно используют фенол, крезол и др., а из альдегидов — наиболее реакционноспособный из них — формальдегид, реже фурфурол.
Аминоальдегидные смолы (аминосмолы) относятся к числу полимеров поликонденсационного типа. Наиболее распространены мочевиноформальдегидные, меламиноформальдегидные и модифицированные мочевиномеламиноформальдегидные смолы. Из этих смол получают прессовочные материалы, слоистые пластики, пористые материалы, клеи горячего и холодного отверждения, лаки и эмали, пропитывающие составы и т. п.
Минимальное количество эпоксидных групп в цепи полимера равно двум. В зависимости от количества этих групп в полимерной цепи различают ди- и полиэпоксидные смолы.Эпоксидные смолы обычно получают по реакции поликонденсации эпихлоргидрина с двух- или многоатомными фенолами. При этом либо выделяется НС1, либо фенол взаимодействует с эпоксидной группой.
Из этих соединений наиболее изучены кремнийорганические полимеры. Им присущи высокая термическая стойкость, хорошие диэлектрические свойства, морозостойкость, которые и определяют области применения. Используются эти полимеры в качестве термо- и морозостойких масел, каучуков, пластических масс, цементирующих и гидрофобизирующих составов. Особенно широкое применение они получили в производстве пластических масс (пресспорошков, волокнитов, слоистых материалов), которые обладают высокой деформационной теплостойкостью, устойчивостью к термической и термоокислительной деструкции. Они могут работать в широком интервале температур (от —60 до +300—400°С), а кратковременно при еще более высоких температурах. Они устойчивы к действию многих растворителей, различных химических реагентов.
Древесина — это продукт биологического, а именно растительного происхождения. Как любой биологический организм, древесина состоит из клетокКлеточные стенки примерно на 99 % состоят из органических соединений. Минеральные вещества составляют обычно не более 1 %. При сжигании древесины они образуют золу.
Целлюлоза — это основной компонент древесины. В хвойной древесине обычно содержится 46—54 % целлюлозы, в лиственной 41—45%- В отличие от древесины у некоторых других растений волокна представляют собой почти чистую целлюлозу, например волокна хлопка содержат 97—99 % целлюлозы.
Гемицеллюлозы — это группа углеводных веществ древесины, которые в отличие от целлюлозы более доступны воздействию разбавленных растворов минеральных кислот и щелочей. При кипячении с разбавленными кислотами гемицеллюлозы гидролизуются и переходят в простые сахара. При действии щелочей (холодных или горячих водных растворов) гемицеллюлозы растворяются и извлекаются из древесины.
В древесине хвойных пород содержится до 28—30 % лигнина, а в древесине лиственных пород 12—24 %. Лигнин в древесине составляет ароматическую часть. При гидролизе древесины эта часть получается в виде остатка.
В анализе древесины принято определять общее количество экстрактивных веществ, растворимых в органических растворителях, и общее количество экстрактивных веществ, растворимых в воде. При обработке водой из древесины извлекаются дубильные вещества, пектиновые вещества, некоторые полисахариды, красители и др. Органическими растворителями извлекаются жиры, смоляные и жирные кислоты, воски и др. Группу веществ, извлекаемых органическими растворителями, принято называть смолами.