Санкт-петербургский государственный университет

А.Ю. Билибин

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Учебное пособие

Издательство Санкт-Петербургского университета

Санкт-Петербург

1998

ББК 24.7

Б61

Р е ц е н з е н т ы:

докт. хим наук А.А. Потехин (С.-Петерб. университет), докт. хим. наук С.С. Скороходов (ИВС РАН)

Печатается по постановлению

Редакционно-издательского совета

Санкт-Петербургского государственного

университета

Билибин А.Ю.

Б61 Функциональные свойства полимеров: Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1998. — 136 с.

ISBN 5-288-02026-4

Учебное пособие предназначено для студентов 4 курса химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета, уже прослушавших курсы органической химии и химии высокомолекулярных соединений. В основу пособия положен одноименный курс лекций, читаемый автором для студентов органического куста химического факультета в течение 5 лет. Целью создания настоящего пособия является краткое ознакомление студентов с ролью высокомолекулярных соединений в живой природе, их значением в развитии человечества и в промышленной революции, которая совершается в нашем веке. В пяти главах книги рассмотрены механические свойства полимеров как основа их использования в большинстве областей, некоторые способы переработки их в изделия, вопросы, связанные с их использованием в микроэлектронике, медицине, в изготовлении и применении полимерных мембран и сорбентов. По мере возможностей вопросы функциональных свойств полимеров связываются с особенностями их молекулярной структуры.

ББК 24.7

ISBN 5-288-02026-4  А.Ю Билибин., 1998

Издательство

С.-Петербургского

университета, 1998

Предисловие

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов 4 курса органического куста химического факультета СПбГУ, изучающих курс “Функциональные свойства полимеров”. Необходимость введения такого курса для студентов, прослушавших курсы органической химии и химии высокомолекулярных соединений, определяется существенными пробелами в знаниях, связанных с использованием полимерных материалов в различных областях современной техники, в лабораторной практике, быту, а также роли, которую играют высокомолекулярные соединения в природе. Важность этих знаний для специалистов-химиков связана с тем, что практически каждый работающий по специальности химик имеет дело с полимерными материалами либо как с объектами, либо как с инструментами исследования, а чаще всего и в том, и в другом качестве. Реальный же уровень знаний выпускников химического факультета в данной области крайне низок (в зарубежной педагогической литературе это называется “функциональной безграмотностью”).

Ликвидация пробела в знаниях выпускников химического факультета явно необходима, особенно с учетом все возрастающей роли полимеров практически во всех областях техники и науки. Однако ни в мировой, ни тем более в отечественной литературе нет учебника или учебного пособия, в котором были бы комплексно рассмотрены функциональные свойства полимерных материалов. Поэтому источниками информации служат энциклопедии, монографии, обзоры и оригинальные статьи, что, конечно, сильно затрудняет работу студентов над материалом.

В основу настоящего учебного пособия положен курс лекций, который автор читает студентам 4 курса химического факультета СПбГУ в течение четырех лет. Курс лекций состоит из нескольких разделов. В настоящем учебном пособии относительно кратко освещены вопросы, связанные с полимерами как носителями определенного комплекса механических свойств. По этому вопросу имеется достаточное количество учебников и монографий. Более детально рассмотрены разделы, связанные со специфическими функциональными свойствами полимеров — их использованием в микроэлектронике, медицине, а также в лабораторной и производственной практике в качестве сорбентов, носителей, химических реагентов, мембран различного назначения и т. д.

При рассмотрении всех вопросов автор старался связать конкретные функциональные свойства полимеров с особенностями их молекулярного строения, обеспечивающими реализацию их свойств.

К сожалению, за пределами и лекционного курса, и на-стоящего пособия остались такие разделы полимерной науки и практики, как полисопряженные, электропроводящие, фото- и механохромные полимеры и ряд других современных направлений использования полимеров. Автор надеется включить эти разделы в следующее издание пособия.

Введение

Из всех материалов, с которыми человек имеет дело, высокомолекулярные соединения являются одними из наиболее важных и широко используемых с самых древних времен.

Вообще все материалы, которыми человечество поль-зовалось за историю своего существования, можно разделить на несколько групп:

1. Натуральные петроиды. К этой группе относятся натуральные минеральные материалы — глины, камни, пески и др.

2. Синтетические петроиды. К этой группе относятся стекла, различные виды керамики, фарфор и т. д.

3. Металлы, как самородные, так и произведенные из руд.

4. Натуральные полимеры. К этой группе относятся поли- меры растительного и животного происхождения, главным образом белки и полисахариды.

5. Синтетические полимеры, появившиеся только в начале XX в.

Таким образом, XX в. является исключительным не только из-за небывалых темпов технического прогресса, а также и потому, что он ознаменован появлением нового, пятого в истории человечества, семейства материалов — синтетических полимеров. Появление этого класса материалов в значительной мере определило высокий уровень и темпы технического прогресса и в то же время поставило новые проблемы, прежде всего, экологические.

Рассматривая роль высокомолекулярных соединений (ВМС) в истории развития человечества, следует, конечно, начать с их роли в возникновении и существовании жизни на Земле вообще. Многочисленные теории появления жизни на Земле (или в другом месте Вселенной) так или иначе сходятся на том, что отправной точкой считается появление под действием различных факторов ВМС белковой природы и полифосфатов, которые в результате эволюции трансформировались в реальные белковые молекулы и молекулы рибонуклеиновых (РНК) и дезоксирибонуклеиновых (ДНК) кислот. Именно эти высокомолекулярные соединения являются основой жизни на Земле. Более того, для определенных форм жизни они являются и достаточными. Так, большинство вирусов состоит из белковой оболочки и “начинки”, представляющей собой ДНК. Именно ДНК дает право говорить о том, что высокомолекулярные соединения являются основой жизни на Земле, так как в ее молекулах записана генетическая информация, обеспечивающая как воспроизводство новых особей, так и эволюцию всей биосферы.

Наряду с основной, информационной функцией ВМС в Природе, они имеют еще огромное количество функциональных свойств. Структурную функцию выполняют белки (в животных организмах) и углеводы (в растительных). Функциональные свойства белковых макромолекул трудно перечислить — ферментативные, транспортные, иммунные, защитные, хемомеханические и многие, многие другие. Наряду с исключительными функциями высокомолекулярных соединений в возникновении и развитии жизни на Земле, они играли огромную роль в становлении человечества, в превращении первобытного человека в Homo Sapiens.

Традиционно считается, что в ранней истории человечества существовали каменный век и “металлические” (медный, бронзовый, железный) века, каждый из которых характеризовался определенным уровнем развития человечества в его отношениях с окружающей средой. Однако при такой градации развития материальной культуры человечества совершенно упускается из виду, что на протяжении всех этих веков люди, начиная с самого первобытного человека, развивались и совершенствовали свои взаимоотношения с окружающей средой в постоянном общении и взаимодействии с высокомолекулярными соединениями. Шерсть, кожа и жилы животных (ВМС белковой природы) использовались для приготовления одежды, оружия, укрытий. Целлюлоза в виде древесины использовалась в самых различных назначениях — для строительства жилищ, в качестве орудий, в форме растительных волокон — для изготовления одежды, охотничьих орудий (сети, силки и т. д.).

Одно из самых революционных изобретений в истории человечества также имеет самое прямое отношение к высокомолекулярным соединениям — это изобретение бумаги, обеспечившее невиданные до того возможности записи, хранения и передачи информации.

Нет нужды дальше перечислять многочисленные примеры взаимодействия человека с миром высокомолекулярных соединений, чтобы понять, что их роль в формировании материальной культуры человечества действительно огромна. Вместе с тем, мир ВМС настолько многообразен, структура их настолько сложна, что истинное понимание их природы было достигнуто только в 20-е гг. XX столетия.

В настоящем учебном пособии кратко рассматриваются только некоторые области использования высокомолекулярных соединений, а также особенности строения их молекул, обеспечивающие реализацию тех или иных функциональных свойств.

Г Л А В А 1.

Механические свойства и переработка полимеров в изделия.

Использование полимеров в качестве носителей комплекса механических свойств, т. е. для изготовления из них изделий, обладающих либо высокой прочностью, жесткостью, либо податливостью, эластичностью и т. д., является, пожалуй, основным функциональным назначением высокомолекулярных соединений. Это обстоятельство надолго определило и развитие науки о полимерах, которая в значительной мере рассматривалась как часть материаловедения.