Методы получения полимеров

Классификация полимеров

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ (ВМС)

 

Высокомолекулярные соединения или полимеры - это химические вещества с большой молекулярной массой, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев. Такие молекулы называются макромолекулами. Элементарные звенья получаются при взаимодействии одинаковых или разных молекул, называемых мономерами. Число элементарных звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации (n) полимера. Молекулярный вес полимера зависит от степени полимеризации.

Полимеры с низкой степенью полимеризации называются олигомеры, а с высокой степенью полимеризации называются – полимеры. Различают органические, неорганические и элементоорганические полимеры. Полимеры классифицируются:

1. По происхождению:

· природные

· синтетические

К природным относятся крахмал, целлюлоза, построенные из звеньев моносахаридов (клетчатка С6Н10О5); белки, построенные из звеньев α – аминокислот [Н2N-RCH-COOH]; натуральный каучук (CH2-C(CH3)= CH-CH2-)n.

К синтетическим относятся полимеры, полученные из мономеров искусственным путем (полиэтилен, синтетический каучук, полистирол и т.д.).

2. По строению:

· линейные

· разветвленные

· сетчатые

Элементоорганические полимеры содержат в основной цепи других элементов.

Например:

 
 

 

 


O – Si – O – Si –

 

силиконы

В составе молекул неорганических полимеров атомов углерода нет.

По отношению к нагреванию различают термопластичные и термореактивные полимеры. Термопластичные при нагревании переходят в высокопластичное состояние, а при охлаждении снова затвердевают. Термореактивные при нагревании разрушаются необратимо.

В зависимости от способов получения полимеры делят на на полимеризационные, при образовании которых не происходит выделение побочных продуктов и на поликонденсационные, образование которых сопровождается выделением низкомолекулярных соединений.

Полимеры получают методами полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация – это образование полимеров путем последовательного присоединения мономера за счет разрыва двойных или тройных связей без выделения побочных продуктов. Полимеризация – самопроизвольный экзотермический процесс, т.к. разрыв кратных связей ведет к уменьшению энергии системы.

Процесс полимеризации протекает в несколько стадий: инициирование, рост цепи, и обрыв цепи.

Если в стадии инициирования участвуют радикалы это радикальная полимеризация, если участвуют анионы - анионная полимеризация, если катионы – катионная полимеризация.

К полимеризационным полимерам относят, например, полистирол (-СН2-СН-)n, поливинилхлорид (-СН-СН-)n,

С6Н5 Cl

 

поливинилацетат (-СН2-СН(OCOCH3)-)n, полиэтилен (-СН2-СН2-).

 

Поликонденсация - это реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы сопровождающаяся образованием низкомолекулярных соединений (H2O, NH3, HCl и др.).

Например: поликонденсация фенола (C6H5OH) с формальдегидом (СH2=O) дает фенолформальдегидную смолу:

 

ОН ОН ОН ОН

 

nC6H4-H + CH2=O + nH-H4C6 → (-С6H4-CH2-C6H4-)n + nH2O

 

К поликонденсационным полимерам относятся мочеформальдегидная смола.

[-CH2-NH-CO-NH-CH2-O]n

Капрон является продуктом конденсации аминокапроновой кислоты содержащей цепь из 6 атомов углерода:

(-NH – (CH2)5-CO – NH- (CH2)5- CO-)n

 

9.3 Физико – химические свойства полимеров

Большинство полимеров находятся в аморфном состоянии. Лишь небольшая часть имеет кристаллическую структуру. Кристаллические полимеры состоят из кристаллов, между которыми находятся участки с неупорядоченной структурой (аморфные области). Свойства кристаллических и аморфных полимеров существенно различаются. Так, аморфные полимеры характеризуются областью температур размягчения, т.е. областью постепенного перехода из твердого состояния в жидкое, а кристаллические полимеры – температурой плавления.

Аморфные полимеры могут находиться стеклообразном, высокопластичном и вязкотекучем состоянии. При низкой температуре полимер находится в стеклообразном состоянии, в котором полимер ведет себя как упругое твердое тело. При повышении температуры полимер переходит в высокоэластическое состояние, свойственное только высокомолекулярным соединениям. Высокоэластическое состояние полимеров проявляется в интервале от температуры стеклования до температуры текучести. Если температурный интервал достаточно широк и захватывает обычные температуры, то такие полимеры называют эластиками или эластомерами, или каучуками. Полимеры с узким интервалом температур, смещенным в область повышенных температур, называют пластиками или пластомерами. При обычных температурах пластики находятся стеклообразном состоянии. При температуре выше температуры текучести полимер переходит в вязкотекучее состояние. Повышение температуры выше Тр ведет к деструкции - разрушению полимера. Вещество в вязкотекучем состоянии под действием напряжений сдвига течет как вязкая жидкость, причем деформация полимера является необратимой. К необратимым деформациям приводят воздействие оксидантов, ультрафиолетовое излучение, механические нагрузки.

 

9.4 Материалы, получаемые на основе полимеров

На основе полимеров получают волокна, пленки, лаки, клеи, резины, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Полимерные волокна получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) в пластине с последующим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относят полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки получают из расплавов полимеров методом продавливания через фильеры с щелевидными отверстиями или методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту или методом каландрования полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, основы магнитных лент и т.д.

Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются для изоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.

Клеи - композиции, способные соединять различные материалы вследствие образования связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др.

Пластмассы - это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находятся в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации - в стеклообразном.

Кроме полимеров в состав пластмасс могут входить пластификаторы, стабилизаторы, красители и наполнители. Пластификаторы, например диоктилдфталат, дибутилсерацинат, хлорированный парафин, снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимера. Антиоксиданты замедляют деструкцию полимеров. Наполнители улучшают физико – механические свойства полимеров. В качестве наполнителей применяют порошки (графит, мел, сажа, металл и т.д.), бумагу, ткань. Особую группу пластмасс составляют композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают механической прочностью (прочность при разрыве 1300-1700 МПа) и хорошими электроизоляционными свойствами. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными волокнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью.