Степень полимеризации - это что такое

Степень полимеризации - ключевая характеристика любого полимерного материала. Ее знание позволяет понять принцип формирования и изменения свойств полимеров.

Определение степени полимеризации

Формально степень полимеризации определяется как число мономерных звеньев в молекуле полимера или олигомера. Этот параметр обычно обозначается индексом "n" в скобках после химической формулы мономерного звена.

Для гомополимера, состоящего из одного типа мономерных звеньев, средняя степень полимеризации рассчитывается по формуле:

Степень полимеризации = Общая молекулярная масса полимера / Молекулярная масса мономерного звена

Большинство промышленных полимеров имеют степень полимеризации порядка 10² - 10⁴ мономерных звеньев.

Степень полимеризации во многом определяет физические характеристики полимерной системы. Как правило, увеличение степени полимеризации приводит к повышению температуры плавления и механической прочности полимера.

Для сополимеров, состоящих из нескольких типов мономерных звеньев, определение степени полимеризации имеет некоторые особенности. В частности, различают повторяющиеся звенья и мономерные звенья .

Например, для полиамида 66 повторяющееся звено включает два мономерных звена - адипиновой кислоты и гексаметилендиамина. Так 1000 мономерных звеньев будут соответствовать 500 повторяющимся звеньям. В этом случае степень полимеризации можно рассчитывать двумя способами:

1. По общему количеству мономерных звеньев (1000)
2. По количеству повторяющихся звеньев (500)

Степень полимеризации тесно связана с длиной полимерной цепи и ее молекулярной массой. Чем выше степень полимеризации, тем длиннее цепь и больше ее масса.

Однако степень полимеризации является усредненной величиной. Реальные полимеры представляют собой смесь молекул с разной длиной цепей и массой. Поэтому для полной характеристики полимера используют понятия среднечисловой и средневесовой степени полимеризации.

Их подробное определение и способы измерения мы рассмотрим в следующем разделе.

Влияние степени полимеризации на свойства

Существует четкая корреляция между степенью полимеризации полимера и его физико-механическими характеристиками.

В частности, экспериментально установлено, что для полимеров одного химического строения повышение степени полимеризации приводит к ^[2]:

• Росту температуры плавления
• Повышению механической прочности

Это объясняется увеличением сил межмолекулярного взаимодействия при удлинении полимерных цепей.

Кроме того, с ростом степени полимеризации улучшается химическая стойкость полимера, поскольку уменьшается доля реакционно-способных концевых групп.

В то же время чрезмерное увеличение степени полимеризации может привести к резкому снижению текучести полимерного расплава. А низкая текучесть осложняет переработку полимера в изделия методами экструзии, литья под давлением и другими технологиями.

Поэтому при выборе полимера для конкретного применения приходится искать оптимальное соотношение между молекулярной массой (степенью полимеризации) и текучестью:

• Для производства синтетических волокон требуется очень высокая текучесть расплава, поэтому используют полимеры с небольшой молекулярной массой.
• При экструзии пленок и листов текучесть может быть ниже, а молекулярная масса - выше.
• Для литья толстостенных изделий подойдут более высокомолекулярные полимеры.

Степень полимеризации полимера зависит от конечного назначения полимерного материала и определяется компромиссом между различными эксплуатационными свойствами.

Далее мы подробно разберем методы определения и контроля этого важного параметра.

Измерение и контроль степени полимеризации

Для измерения степени полимеризации существует несколько экспериментальных методов. Наиболее распространенные из них - это:

• Определение осмотического давления полимера
• Измерение вязкости раствора по уравнению Марка-Куна
• Анализ светорассеяния полимером
• Определение количества концевых групп спектроскопическими методами

При этом следует различать два понятия - среднечисловую и средневесовую степень полимеризации.

Среднечисловая и средневесовая степень полимеризации

Среднечисловая степень полимеризации соответствует среднему количеству мономерных звеньев в молекулах полимера. Она определяется методами осмометрии или по количеству концевых групп.

Средневесовая степень полимеризации учитывает вклад молекул разной массы в общую массу полимера. Ее находят по данным светорассеяния.

Для оценки ширины молекулярно-массового распределения используют коэффициент полидисперсности K_n. Он равен отношению средневесовой степени полимеризации к среднечисловой.

Регулирование степени полимеризации

Контроль степени полимеризации осуществляется на этапе синтеза полимера путем:

• Варьирования условий полимеризации
• Использования регуляторов молекулярной массы
• Применения функциональных инициаторов

Например, при радикальной полимеризации повышение температуры и концентрации катализатора ведет к снижению средней молекулярной массы.

Для строгого контроля степени полимеризации в промышленности используют автоматизированные комплексы полимеризации с обратной связью по вязкости или плотности полимерного раствора.

Значение контроля степени полимеризации

Тщательный контроль степени полимеризации важен по нескольким причинам:

1. Обеспечение стабильности свойств полимера в разных партиях
2. Предупреждение брака при переработке
3. Оптимизация технологического процесса
4. Экономия сырья и энергоресурсов

Поэтому перед выпуском партии полимера обязательно проводят контрольные измерения вязкометрией, осмометрией или другими методами.

Получение полимеров с заданной степенью полимеризации

Целенаправленный синтез полимеров с определенной молекулярной массой может проводиться несколькими способами:

1. Поликонденсация с участием бифункциональных мономеров
2. Ионная полимеризация с "живыми" цепями
3. Контролируемая радикальная полимеризация

Бифункциональные мономеры ограничивают длину полимерной цепи и позволяют получать полимеры с низкой полидисперсностью.