ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Книги сотрудников факультета

Высокомолекулярные соединения : учебник и практикум для академического бакалавриата / под ред. А. Б. Зезина. — М. : Издательство Юрайт, 2019. — 340 с. — Серия : Бакалавр. Академический курс. ISBN 978-5-534-01322-1

Высокомолекулярные соединения


учебник и практикум для академического бакалавриата

Под редакцией д.х.н., профессора, чл.-корр. РАН Зезина А. Б.
М. : Издательство Юрайт, 2019. — 340 с.
ISBN 978-5-534-01322-1
Рекомендовано Учебно-методическим отделом высшего образования
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по естественнонаучным направлениям и специальностям

Книга доступна в электронной библиотечной системе biblio-online.ru

В учебнике изложены теоретические основы и практические приложения химии, физической химии и физики высокомолекулярных соединений. Описаны номенклатура и классификация полимеров, особенности их строения, структуры и свойств, механизмы синтеза и способы химической, физико-химической и физической модификации, а также методы исследования этого класса веществ и материалов. Рассмотрены современные теории и представления, касающиеся поведения изолированных макромолекул и полимеров в конденсированном состоянии. Освещены тенденции и перспективы развития современного полимерного материаловедения.

Содержание учебника соответствует актуальным требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по естественнонаучным направлениям и специальностям.



Оглавление

Авторский коллектив     7
Предисловие     8
Глава 1. Общие представления о полимерах  11
   1.1. Отличительные свойства полимеров и полимерных материалов     12
   1.2. Классификация полимеров     16
   1.3. Конфигурация макромолекул     25
   1.4. Конформация макромолекул     31
         1.4.1. Основные положения конформационной изомерии макромолекул     32
         1.4.2. Гибкость макромолекул     33
         1.4.3. Модели полимерной цепи     36
         1.4.4. Статистический сегмент     41
         1.4.5. Персистентная длина цепи     43
   1.5. Молекулярно-массовые характеристики полимеров     44
   Примеры решения задач     48
   Контрольные вопросы и задания     49
Глава 2. Растворы полимеров  51
   2.1. Основные понятия и определения физической химии растворов полимеров     52
   2.2. Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем «полимер — растворитель»     55
   2.3. Термодинамика растворов полимеров     58
         2.3.1. Осмотическое давление раствора и его экспериментальное определение     59
         2.3.2. Решетчатая модель идеального раствора и его уравнение состояния     61
         2.3.3. Теория Флори — Хаггинса для полимерных растворов     63
               2.3.3.1. Расчет энтропии смешения     63
               2.3.3.2. Расчет энтальпии смешения     66
         2.3.4. Уравнение состояния полимерного раствор     67
   2.4. Термодинамическое качество растворителя и ©-состояние полимерного раствора     69
         2.4.1. Понятие о ©-температуре     70
         2.4.2. Природа ©-состояния полимерного раствора     71
         2.4.3. Температурная зависимость второго вириалвного коэффициента     72
         2.4.4. Связь ©-температуры со степенью полимеризации и критической температурой растворения полимера     74
         2.4.5. Невозмущенные размеры макромолекул     76
   2.5. Гидродинамические свойства разбавленных растворов полимеров     79
         2.5.1. Вязкость жидкости     79
         2.5.2. Причины повышенной вязкости растворов полимеров     80
         2.5.3. Методология вискозиметрических измерений     81
         2.5.4. Характеристическая вязкость и ее связь с размерами макромолекул и молекулярной массой полимера     83
   2.6. Теоретические основы и экспериментальные методы фракционирования полимеров     87
         2.6.1. Препаративное фракционирование     87
         2.6.2. Аналитическое фракционирование     89
               2.6.2.1. Турбидиметрическое титрование     89
               2.6.2.2. Гель-проникающая хроматография     90
   2.7. Теоретические и экспериментальные основы исследования растворов полимеров методом светорассеяния     94
         2.7.1. Статическое светорассеяние малыми частицами     95
         2.7.2. Статическое светорассеяние большими частицами     97
         2.7.3. Динамическое светорассеяние     99
   Примеры решения задач     100
   Контрольные вопросы и задания     102
Глава 3. Полиэлектролиты  104
   3.1. Классификация и применение полиэлектролитов     104
   3.2. Термодинамика растворов полиэлектролитов     107
         3.2.1. Осмотическое давление и эффект Доннана     107
         3.2.2. Уравнение состояния полиэлектролита в водном солевом растворе     112
         3.2.3. Ионизационное равновесие в бессолевых растворах полиэлектролитов     113
   3.3. Конформационные превращения макромолекул линейных полиэлектролитов в растворах     120
   3.4. Особенности поведения полиамфолитов     125
   3.5. Кооперативные реакции макромолекул полиэлектролитов     129
   Примеры решения задач     133
   Контрольные вопросы и задания     134
Глава 4. Структура и механические свойства полимеров  136
   4.1. Основные понятия и определения     136
   4.2. Аморфные полимеры     139
         4.2.1. Структура аморфных полимеров     139
         4.2.2. Молекулярно-кинетические основы физико-механического поведения аморфных тел     140
         4.2.3. Термомеханический анализ     143
         4.2.4. Физико-механическое поведение аморфных полимеров в высокоэластическом состоянии     146
               4.2.4.1. Природа высокоэластичности     146
               4.2.4.2. Вязкоупругие свойства линейных каучуков     150
               4.2.4.3. Физико-механическое поведение сшитых каучуков     155
               4.2.4.4. Динамометрия каучуков     155
               4.2.4.5. Гистерезисные явления в каучуках     156
               4.2.4.6. Динамический механический анализ     158
               4.2.4.7. Температурно-временная суперпозиция     162
         4.2.5. Стеклование полимеров     163
         4.2.6. Физико-механическое поведение полимеров в стеклообразном состоянии     166
         4.2.7. Вязкотекучее состояние полимеров     168
         4.2.8. Пластификация полимеров     170
   4.3. Кристаллические полимеры     171
         4.3.1. Надмолекулярная структура кристаллических полимеров     172
         4.3.2. Кристаллизация и плавление полимеров     174
               4.3.2.1. Структурные критерии кристаллизации     174
               4.3.2.2. Термодинамика кристаллизации и плавления     175
               4.3.2.3. Кинетика кристаллизации     177
               4.3.2.4. Релаксационный характер кристаллизации и плавления     181
         4.3.3. Температура плавления полимеров и факторы, ее определяющие     182
               4.3.3.1. Влияние химической структуры на температуру плавления полимеров     183
               4.3.3.2. Влияние молекулярно-массовых характеристик на температуру плавления полимеров     184
               Влияние условий кристаллизации на температуру плавления полимеров     185
         4.3.4. Физико-механическое поведение полукристаллических полимеро     186
               4.3.4.1.Термомеханический анализ полукристаллических полимеров     187
               4.3.4.2.Динамометрия полукристаллических полимеров     188
   4.4. Прочность полимеров     191
         4.4.1. Теория хрупкого разрушения Гриффита     192
         4.4.2. Термокинетическая теория разрушения Журкова     193
         4.4.3. Факторы, контролирующие прочность полимеров     194
   Примеры решения задач     195
   Контрольные вопросы и задания     196
Глава 5. Синтез полимеров  198
   5.1. Полимеризация     198
         5.1.1. Общие представления     198
         5.1.2. Радикальная полимеризация     203
         5.1.3. Ионная полимеризация     212
               5.1.3.1. Катионная полимеризация     213
               5.1.3.2. Анионная полимеризация     219
         5.1.4. Сополимеризация     224
               5.1.4.1. Радикальная сополимеризация     225
               5.1.4.2. Ионная сополимеризация     230
         5.1.5. Стереорегулирование при радикальной и ионной полимеризации     232
         5.1.6. Способы проведения полимеризации     238
   5.2. Поликонденсация     240
         5.2.1. Общие представления     240
         5.2.2. Основные классы конденсационных полимеров     243
         5.2.3. Основные стадии поликонденсации, термодинамические аспекты и кинетика процесса     245
         5.2.5. Способы проведения поликонденсации     251
   5.3. Новые методы синтеза полимеров     254
         5.3.1. Полимеризация с раскрытием цикла     254
         5.3.2. Металлоценовые и постметаллоценовые катализаторы в полимеризации олефинов     254
         5.3.3. Метатезисная и аддитивная полимеризация     258
         5.3.4. Комплексно-радикальная полимеризация     260
         5.3.5. «Живая» ионная и псевдоживая радикальная полимеризация     262
         5.3.6. Теломеризация     265
         5.3.7. Синтез дендримеров и сверхразветвленных полимеров     266
         5.3.8. «Зеленая химия» в синтезе полимеров     267
               5.3.8.1. Полимеризация в сверхкритических средах     267
               5.3.8.2. Синтез полимеров в ионных жидкостях     269
   Примеры решения задач     270
   Контрольные вопросы и задания     271
Глава 6. Химические превращения полимеров  273
   6.1. Химические реакции, не сопровождающиеся изменением степени полимеризации     274
         6.1.1. Полимераналогичные реакции     274
               6.1.1.1. Эффект цепи     277
               6.1.1.2. Эффект соседних звеньев     278
               6.1.1.3. Конфигурационный эффект     283
               6.1.1.4. Конформационные эффекты     284
               6.1.1.5. Концентрационный эффект     285
               6.1.1.6. Надмолекулярные эффекты     286
               6.1.1.7. Электростатические эффекты     287
         6.1.2. Внутримолекулярные превращения     289
               6.1.2.1. Реакции, приводящие к образованию макромолекул с системой ненасыщенных связей     290
               6.1.2.2.Реакции внутримолекулярной циклизации     290
   6.2. Реакции, приводящие к уменьшению степени полимеризации     291
         6.2.1. Цепная деструкция     293
         6.2.2. Окислительная деструкция     298
   6.3. Реакции, приводящие к увеличению степени полимеризации     300
         6.3.1. Реакции сшивания     300
         6.3.2. Синтез блок- и привитых сополимеровя     305
   Примеры решения задач     314
   Контрольные вопросы и задания     315
Глава 7. Полимерные материалы  317
   7.1. Конструкционные полимерные материалы     318
         7.1.1. Каучуки     319
         7.1.2. Пластики     320
         7.1.3. Волокна     322
         7.1.4. Смеси полимеров     324
         7.1.5. Композиционные материалы     325
   7.2. Функциональные полимерные материалы и полимеры специального назначения     327
   7.3. Полимеры для нанотехнологии и индустрии наноматериалов     331
Список рекомендуемой литературы  334
Предметный указатель  335


Авторский коллектив

Аржаков Максим Сергеевич — доктор химических наук, профессор кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1,4, 7);
Зезин Александр Борисович — доктор химических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии наук, заведующий кафедрой высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (отв. ред.);
Антипина Алла Дмитриевна — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 5, 6);
Ефимова Анна Александровна — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 6);
Жирнов Артем Евгеньевич — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 4);
Королев Борис Александрович — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 2, 3, 6);
Лачинов Михаил Борисович — доктор химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 5);
Литманович Екатерина Аркадьевна — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 3);
Лысенко Евгений Александрович — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 2, 3);
Ноа Ольга Викторовна — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 6);
Спиридонов Василий Владимирович — кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 4);
Ужинова Любовь Дмитриевна — кандидат химических наук, доцент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 5, 6);
Черникова Елена Вячеславовна — доктор химических наук, профессор кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 5, 6);
Чернов Игорь Валентинович — кандидат химических наук, ассистент кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 5);
Шибаев Валерий Петрович — доктор химических наук, профессор, член-корреспондент РАН, профессор кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (гл. 1, 4, 5, 7).


Предисловие

В течение многих десятилетий общий теоретический курс «Высокомолекулярные соединения» входит в образовательные программы химических, химико-технологических и биологических факультетов и отделений ведущих отечественных вузов. Цель курса — ознакомление студентов с основами науки о полимерах, ее важнейшими теоретическими положениями и практическими приложениями, знание которых необходимо широкому кругу специалистов.

В настоящее время во всем мире профессиональная деятельность более 60% химиков непосредственно связана с полимерами. Учитывая тенденции развития современного материаловедения, направленные на создание композиционных и гибридных материалов с применением последних достижений нанохимии и нанотехнологий, к когорте «полимерщиков» следует отнести значительную часть физиков, материаловедов, технологов и инженеров.

Объективной основой фундаментальной научной дисциплины «Высокомолекулярные соединения» служит тезис о том, что полимерное состояние — это особая форма существования химических веществ, которая в основных химических, физико-химических и физических проявлениях принципиально отличается от низкомолекулярных соединений или, по крайней мере, характеризуется рядом специфических черт. В рамках данного направления все существенные аспекты науки о полимерах рассматривают с единой позиции, базирующейся на представлениях о макромолекулярной цепной природе полимера.

Настоящий учебник обобщает многолетний опыт преподавания курса «Высокомолекулярные соединения» на химическом факультете Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Данный учебный курс был создан в результате труда большого коллектива преподавателей и сотрудников кафедры высокомолекулярных соединений. Значительный вклад в его разработку внесли В. А. Кабанов, Н. А. Платэ, Н. Ф. Бакеев, А. В. Ермолина, А. В. Волынский, В. И. Герасимов, В. Б. Голубев, Е. С. Гарина, А. В. Ефимов, В. А. Изумрудов, В. А. Касаикин, Л. Б. Строганов, В. С. Пше-жецкий и др., а также авторский коллектив предлагаемого учебника.

Учебник включает семь глав, в которых изложены современные представления о молекулярной и надмолекулярной структуре полимеров, их физико-химическом и физико-механическом поведении, о поведении макромолекул в растворе, о полиэлектролитах, об основных подходах и закономерностях синтеза и химических реакций макромолекул, а также рассмотрены основные тенденции развития полимерного материаловедения. Изложение теоретических основ науки о полимерах сопровождается методическим комплексом, включающим примеры решения задач, контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы.

В результате освоения данного учебника студент должен:

знать

  • основные определения, понятия и термины науки о полимерах;
  • принципы классификации полимеров и полимерных материалов;
  • особенности строения макромолекул и структуры аморфных и кристаллических полимеров;
  • особенности физико-химического, физического и механического поведения полимеров;
  • основные методы исследования полимеров;
  • механизмы и способы синтеза полимеров и химических реакций с их участием;
  • перспективы и тенденции использования полимеров;
  • химические, физико-химические и физические основы создания конструкционных и функциональных полимерных материалов;
уметь
  • определять и рассчитывать размеры макромолекул и молекулярно- массовые характеристики полимеров;
  • прогнозировать поведение раствора полимера и параметры макромолекулы при изменении температуры и качества растворителя;
  • оценивать основные физико-механические параметры полимерного материала (модуль упругости, предел вынужденной эластичности, прочность, удлинение при разрыве) на основе результатов механических испытаний;
  • определять температуры релаксационных и фазовых переходов, используя механические и теплофизические методы исследования;
  • выбирать оптимальный тип полимеризации для данного мономера;
  • оценивать предельную температуру полимеризации и молекулярную массу полученного полимера;
  • строить диаграмму состава сополимера по известным значениям констант сополимеризации;
  • оценивать состав конечного полимера после протекания химических реакций;
  • рассчитывать степень сшивки полимерной сетки;
  • оценивать изменение эксплуатационных параметров полимеров и материалов на их основе при химической, физической и физико-химической модификации, смешении и наполнении;

владеть
  • методами моделирования изолированных макромолекул и расчетными процедурами оценки их размеров;
  • методологией изучения полимеров в растворе и математическим аппаратом расчета характерис
  • тик высокомолекулярного соединения на основе уравнений Хаггинса, Флори — Фокса и Марка — Куна — Хаувинка;
  • основными теориями, механизмами и моделями, описывающими физико-механическое и физическое поведение полимеров в растворах, расплавах и в твердом состоянии;
  • методологией производства полимерных материалов с заданным комплексом свойств;
  • приемами регулирования реакций синтеза полимеров, изомерии и молекулярно-массовых характеристик конечного материала путем изменения концентраций компонентов, температуры, качества растворителя и т.д.;
  • принципами направленной модификации химической структуры полимера для придания материалу требуемого комплекса свойств;
  • методологией создания новых полимерных материалов на основе взаимосвязи «состав — структура — свойство».

Учебник соответствует действующим типовым образовательным программам российских университетов, однако может быть использован и для химико-технологических вузов.




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору