Полимеры по способу получения примеры

Полимеры по способу получения примеры

Владельцы сайта

  • Галина Пчёлкина

Обратная связь

Полимеры по способу получения примеры

Урок №61. Классификация пластмасс. Термопластичные полимеры. Полиэтилен. Полипропилен.

Полимеры по способу получения примеры

1. Органические и неорганические

Органические ВМС являются основой живой природы входящие в состав растений, — полисахариды, белки, пектиновые вещества, крахмал. Торф, бурый уголь, каменные угли представляют собой продукты геологического превращения растительных тканей, главным образом целлюлозы и лигнина также должны быть отнесены к высокомолекулярным соединениям.
В основе живого мира также лежат ВМС — белки, являющиеся главной составной частью почти всех веществ животного происхождения.
Неорганические высокомолекулярные соединения играют большую роль в минеральном мире. Основная часть земной коры состоит из окислов кремния, алюминия и других многовалентных элементов, соединенных, по-видимому, в макромолекулы. Наиболее распространен среди этих окислов кремниевый ангидрид [SiO2]n, являющийся высокомолекулярным соединением. Более 50% всей массы земного шара состоит из кремниевого ангидрида, а в наружной части земной коры содержание его достигает 60%. Наиболее распространенной модификацией кремниевого ангидрида является кварц — важнейшая составная часть большинства горных пород и песка.

2. По происхождению высокомолекулярные соединения делят на природные, или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), искусственные и синтетические ( полиэтилен , полистирол , фенолформальдегидные смолы ).

3. В зависимости от расположения в макромолекуле атомов и атомных групп (по структуре) различают:

Макромолекулы высокомолекулярных соединений имеют линейное или разветвленное строение; при соединении их поперечными связями возникают трехмерные пространственные полимеры.

Полимеры по способу получения примеры

1) линейные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную, цепь (каучук натуральный) или вытянутую в линию последовательность циклов (целлюлоза);

2) разветвленные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (амилопектин);

3) пространственные или сетчатые высокомолекулярные соединения — трехмерные сетки, образованные отрезками высокомолекулярных соединений цепного строения (пластмассы, дубленый коллаген, вулканизованный каучук).

натуральный каучук, целлюлоза, полиэтилен низкого давления, капрон

крахмал, полипропилен, полиэтилен высокого давления

фенолформальдегидные полимеры, шерсть, резина

Обладают гибкостью. Чем длиннее цепь полимера, тем больше гибкость. В результате гибкости макромолекулы полимеров постоянно меняют свою форму. Линейные полимеры имеют наибольшую плотность, их макромолекулы способны к ориентации вдоль оси направленного механического поля (это используется, например, при формовании волокон и пленок). Линейные полимеры термопластичны, растворимы

Гибкость разветвлённых макромолекул зависит от степени разветвления. Чем больше разветвлённость, тем меньше гибкость. Разветвленные полимеры термопластичны, растворимы

Полимеры сетчатого (пространственного) строения, не плавятся, не растворяются, а только набухают в растворителях; определение молекулярной массы для таких полимеров утрачивает смысл (нет отдельных макромолекул, все цепи сшиты в единую сетку). Сетчатые структуры могут быть получены из термореактивных полимеров.

Гибкость макромолекул — это их способность обратимо (без разрыва химических связей) изменять свою форму. Степень гибкости макромолекул полимеров определяет область их применения.

Химическое строение макромолекул — это порядок соединения структурных звеньев в цепи.

Структурные звeнья несимметричного строения, например,

Полимеры по способу получения примеры

могут соединяться между собой двумя способами:

Полимеры по способу получения примеры

Полимеры, макромолекулы которых построены одним из этих способов, называют регулярными.

Полимеры нерегулярного строения образованы произвольным сочетанием обоих способов соединения звeньев.

Полимеры по способу получения примеры

Полимер называется стереорегулярным, если заместители R в основной цепи макромолекул расположены упорядоченно:

  • или все они находятся по одну сторону от плоскости цепи (такие полимеры называют изотактическими)

Полимеры по способу получения примеры

  • или строго очередно по одну и другую стороны от этой плоскости (синдиотактические полимеры)

Полимеры по способу получения примеры

Стереорегулярные полимеры способны кристаллизоваться, они обладают большей прочностью и теплостойкостью.

  • Если боковые заместители в макромолекулах располагаются в беспорядке относительно плоскости основной цепи, то такой полимер является стереонерегулярным или атактическим.

Полимеры по способу получения примеры

Атактические полимеры не способны кристаллизоваться и уступают по большинству эксплуатационных свойств стереорегулярным полимерам такого же химического состава.

5. По отношению к нагреванию различают:

Термопластичность – свойство тел изменять форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения.

Полимеры по способу получения примеры

ТЕРМОПЛАСТЫ п ластмассы, которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке. Наиболее распространены термопласты на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола.

РЕАКТОПЛАСТЫ т ермореактивные пластмассы, пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала (происходит отверждение). Наиболее распространены реактопласты на основе феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Содержат обычно большие количества наполнителя — стекловолокна, сажи, мела и др.

6. По способам образования полимеры делятся на получаемые в результате реакции полимеризации или реакции поликонденсации.

1). Пoлимеризация – реакция образования высокомолекулярных соединений путем последовательного присоединения молекул мономера к растущей цепи.

Например, полимеризация этилена записывается следующим образом:

Процесс образования высокомолекулярных соединений при совместной полимеризации двух или более различных мономеров называют сополимеризацией.

Пример. Схема сополимеризации этилена с пропиленом:

Читать также:  Люстры споты потолочные фото

Полимеры по способу получения примеры

2). Пoликонденсация – процесс образования высокомолекулярных соединений, протекающий по механизму замещения и сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных продуктов.

Например, получение капрона из ε-аминокапроновой кислоты:

или лавсана из терефталевой кислоты и этиленгликоля:

Поликонденсация является основным способом образования природных полимеров в естественных условиях.

Пластмассы – материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные органические вещества – полимеры.

Полимеры по способу получения примеры

Полимеры по способу получения примеры

В зависимости от условий полимеризации различают три вида полиэтилена.

1. Полиэтилен высокого давления (ВД) или низкой плотности (НП), получаемый при давлении 1000-3000 атм и температуре около 180°С; инициатором служит кислород (радикальная полимеризация). Макромолекулы полиэтилена, полученного этим способом имеют разветвленное строение, этим объясняется его невысокая плотность (менее плотная упаковка макромолекул).

2. Полиэтилен среднего давления (полиэтилен СД) получают в среде разбавителя при 35-40 атм и 125-150°С на металлоксидных катализаторах.

3. Полиэтилен низкого давления (НД) или высокой плотности (ВП). Полимеризацию проводят в среде органического растворителя при давлении около 5 атм и температуре ниже 80°С. Катализаторами являются металлорганические комплексы (катализаторы Циглера-Натта). Процесс идет по ионному механизму.

Несмотря на то, что различные виды полиэтилена получают из одного и того же мономера, они представляют собой совершенно различные материалы, отличаясь друг от друга не меньше, чем от других полимеров. Это объясняется различными геометрическими формами макромолекул и разной способностью к кристаллизации.

Полиэтилен высокого давления состоит из разветвленных макромолекул и представляет собой мягкий и эластичный материал. Полиэтилены среднего и низкого давления, имеющие линейное строение и довольно высокую степень кристалличности (85-90%), – жесткие продукты. Все полиэтилены обладают высокой морозостойкостью (низкой температурой хрупкости) и могут эксплуатироваться при температурах до -70°С, некоторые марки сохраняют свои ценные свойства при температурах ниже -120°С. Полиэтилены, являясь предельными углеводородами, стойки по отношению ко многим агрессивным средам (кислотам, щелочам и т.д.) и органическим жидкостям.

В промышленности полиэтилен разных марок выпускается в виде блоков, листов и гранул. Перерабатываются они в изделия главным образом методом литья под давлением, экструзии (выдавливание размягченного полимера через сопло шприц-машины) и выдувания. Из полиэтилена производят бесшовные коррозионно-стойкие трубки, изоляционные оболочки электропроводов и пленки, широко применяемые в качестве упаковочного материала, для изготовления покрытий, перегородок, в сельском хозяйстве и т.д. При помощи литья под давлением или выдувания получают различную тару (бутылки, ведра и т.п.). Благодаря прекрасным диэлектрическим свойствам полиэтилен применяется для изоляции электрических кабелей в телевидении, радиолокации и многопроводной телефонной связи.

Полиэтилен хорошо сваривается. Пропуская струю сжатого воздуха со взвешенными в ней частицами полимера через воздушно-ацетиленовое пламя и направляя эту струю на металлические изделия, можно покрыть их сплошным защитным слоем (метод газопламенного напыления).

Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение, которое, однако, можно резко замедлить при введении в полимер противостарителей (фенолы, амины, газовая сажа).

Полимеры по способу получения примеры

Полимеры по способу получения примеры

Полимеризация пропилена осуществляется в условиях, близких к тем, которые применяются при получении полиэтилена низкого давления. При этом образуется стереорегулярный (изотактический) полипропилен. Этот полимер легко кристаллизуется и обладает высокой температурой плавления (175° С). Кристаллический полипропилен – наиболее легкий из всех известных жестких полимеров (относительная плотность 0,9); он отличается высокой прочностью на разрыв и твердостью. Благодаря кристаллической структуре стереорегулярный полипропилен сохраняет форму и хорошие механические свойства вплоть до температуры плавления и может поэтому подвергаться обычной стерилизации. По прочности полипропилен превосходит полиэтилен, но уступает ему по морозостойкости (температура хрупкости от -5 до-15° С). Однако этот недостаток устраняется путем введения в макромолекулу изотактического полипропилена звеньев этилена (например, при сополимеризации пропилена с этиленом).

Стереорегулярный полипропилен обладает такими же диэлектическими свойствами, как и полиэтилен, но более химически устойчив при повышенных температурах. При помощи тех же методов, которые используются при переработке полиэтилена, из полипропилена изготовляют трубы для горячих жидкостей, прозрачные пленки с низкой проницаемостью для жидкостей и газов, бутылки и различные сосуды для химической промышленности.

Полипропилен является экологически чистым материалом. За столь ценные свойства он получил титул "короля пластмасс".

При сополимеризации пропилена с этиленом получают некристаллизующиеся сополимеры, которые проявляют свойства каучука, отличающегося повышенной химической стойкостью и сопротивлением старению.

Полимеризация тетрафторэтилена проводится обычно водно-эмульсионным способом при 70-80° С и давлении 40-100 атм в присутствии инициаторов.

Вследствие симметричного линейного строения политетрафторэтилен

имеет кристаллическую структуру и высокую температуру плавления (320-327°С). Суммарный дипольный момент полимера равен 0, поэтому тефлон является прекрасным диэлектриком. Температурный интервал эксплуатации очень велик: от -190° С до +300° С. При этом полимер отличается высокой химической стойкостью.

Для переработки тефлона в изделия применяется метод холодного прессования порошкообразного полимера в цилиндрические заготовки, которые затем подвергаются механической обработке на токарных станках.

Читать также:  Принцип работы отбойного молотка пневматического

Тефлон используется в химическом машиностроении для изготовления пластин, кранов, вентилей, клапанов и т.д., применяемых при высокой температуре в среде концентрированных минеральных кислот. Высокое сопротивление износу и низкий коэффициент трения сделали тефлон незаменимым материалом для производства подшипников, работающих в агрессивных средах или в контакте со сжиженными газами (кислород, водород и т.п.) и не требующих смазки.

Фенопласты – пластмассы полученные из фенолформальдегидной смолы (текстолит, волокнит, гетинакс, стеклопласт, карболит).

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

Полимеры по способу получения примерыПолимеры по способу получения примерыПолимеризация (полиприсоединение). Это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). Большой вклад в изучении процессов полимеризации внесли отечественные ученые С.В.Лебедев, С.С.Медведев и др. и зарубежные исследователи Г.Штаудингер, Г.Марк, К.Циглер и др. При полимеризации не образуются побочные продукты и соответственно элементный состав макромолекул не отличается от состава молекул мономеров. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: С=С, C=N, C=С, С=О, С=С=О,С=С=С, C=N, либо соединения с циклическими группами, способными раскрываться, например:

Полимеры по способу получения примеры

В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул, например:

Полимеры по способу получения примеры

По числу видов участвующих мономеров различают гомополиме-ризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Полимеризация — самопроизвольный экзотермический процесс (DG

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся мономерных звеньев. Вещество считают полимером, если его молекулярная масса М > 5000 а.е.м. (молекулярная масса некоторых полимеров достигает нескольких миллионов а.е.м.).

Молекулы полимеров называются макромолекулами. Молекулярная масса в значительной степени определяет свойства полимера. Ее значение зависит от условий получения и эксплуатации полимера (воздействия температуры, давления, излучений и т. д.).

Особенностью макромолекулы полимера является цепное строение, при котором ее длина на несколько порядков превышает поперечные размеры.

Исходными веществами для синтеза полимеров служат низкомолекулярные вещества — мономеры. Схематически получение полимера из мономера имеет следующий вид: Полимеры по способу получения примеры

где А’ — молекула мономера; А — мономерное звено макромолекулы полимера; п — степень полимеризации, т. е. число мономерных звеньев в макромолекуле.

11.3.2.1. Классификация полимеров

В соответствии с химическим составом макромолекулы различают гомополимеры и сополимеры. Полимер, образованный из мономеров одного вида, как показано в приведенной ранее формуле, называют гомополимером (например, полиэтилен). Если полимер образован по меньшей мере из двух различных мономеров — сополимером (например, бутадиен-стирольный каучук). Получение сополимеров описывается реакцией

Полимеры по способу получения примеры

где А’и В’ — мономерные звенья разных видов.

Сополимеры в зависимости от характера распределения мономерных звеньев в макромолекуле делят на регулярные и нерегулярные. В макромолекулах регулярных сополимеров наблюдается периодичность распределения звеньев, например . АВАВАВАВ. где А и В — мономерные звенья. В нерегулярных сополимерах наблюдается случайное, или статистическое, распределение мономерных звеньев подлине макромолекулы.

Сополимеры, в которых макромолекулы состоят из чередующихся достаточнодлинных непрерывных последовательностей мономерных звеньев разного вида (блоков), называют блок-сополимерами. Блок-сополимеры считаются регулярными, если длины блоков и их чередование подчиняются определенной периодичности.

Строение макромолекул блок-сополимеров можно представить схемами: А„В„,; А„ВтА/В*; АЯВ,ИС/ и т. д., где А, В, С — мономерные звенья; п, т, I, к — число этих звеньев в блоке.

Если к внутренним звеньям макромолекулярной цепи идентичного химического состава или строения присоединены одна или несколько цепей другого состава или строения, то такие сополимеры называются привитыми.

В зависимости от с о с т а в а основной цепи макромолекулы полимеры подразделяют на гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов, и гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы разных элементов (С, N, Si, Р).

Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные, главные цепи которых состоят только из атомов углерода (полиэтилен, полиметилметакрилат и др.). К гетероцепным относятся полиэфиры (поли- этилентерефталат, поликарбонаты и др.), полиамиды, кремнийоргани- ческие полимеры, целлюлоза и т. д.

Полимеры, в макромолекулы которых наряду с углеводородными группами входят атомы неорганических элементов, называют элементоорганическими.

Исходные мономеры и мономерные звенья некоторых полимеров приведены в табл. 11.2.

В зависимости от рас п о л оже н и я атомов и атомных групп в макромолекуле различают следующие полимеры:

  • линейные, макромолекулы которых представляют собой открытую, линейную, цепь (например, натуральный каучук) или вытянутую в линию последовательность циклов (например, целлюлоза);
  • разветвленные, макромолекулы которых имеют форму линейной цепи с ответвлениями (например, амилопектин);
  • сетчатые, или сшитые, представляющие собой трехмерные сетки, образованные отрезками макромолекул цепного строения (например, отвержденные фенолоформальдегидные смолы, вулканизованный каучук).

Строение линейных, разветвленных и сетчатых полимеров показано на рис. 11.2.

Читать также:  Оптический газоанализатор принцип действия

Исходные мономеры и мономерные звенья полимеров

Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры

СН,=(СН,)ССООН (метил метакрилат)

Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры

Полимеры по способу получения примеры Полимеры по способу получения примеры

Полимеры обладают уникальным комплексом физико-химических и механических свойств. Они способны к большим обратимым (высокоэластическим) деформациям; к образованию высокопрочных анизотропных волокон и пленок; к набуханию перед растворением и образованию высоковязких растворов. Эти свойства обусловлены большой молекулярной массой полимеров, цепным строением и гибкостью макромолекул.

Полимеры по способу получения примеры

Рис. 11.2. Строение макромолекул линейных (а), разветвленных (б) и сетчатых (в) полимеров

Наиболее ярко данные свойства выражены у линейных полимеров. Макромолекулы линейного и разветвленного строения связаны в материале слабыми межмолекулярными силами, поэтому такие полимеры эластичны, имеют низкую твердость и нагревостойкость, при нагревании размягчаются и плавятся, растворяются во многих растворителях.

Полимеры с разветвленным строением макромолекул в меньшей степени проявляют указанные свойства из-за больших сил межмолекулярного взаимодействия. По мере перехода к трехмерным сетчатым структурам комплекс характерных свойств полимеров становится менее выраженным, поскольку в полимерах с пространственной структурой макромолекулы соединены не только межмолекулярными, но и поперечными ковалентными связями.

Наличие сильных поперечных связей приводит к уменьшению пластичности, повышению прочности, твердости и нагревостойкосги полимеров. Они не растворяются в обычных растворителях, не способны к высокоэластическим деформациям, при нагревании не размягчаются, а разлагаются (обугливаются или сгорают). Схематическое изображение структур соответствующих полимеров приведено на рис. 11.3.

Полимеры по способу получения примеры

Рис. 11.3. Структуры линейных (а), разветвленных (б) и сетчатых (в) полимеров

По способу синтеза полимеры подразделяют на полимеризаци- онные и поликонденсационные.

Полимеризационные полимеры получаются в результате реакции полимеризации — последовательного присоединения мономерных звеньев друг кдругу. Реакция полимеризации протекает без образования побочных продуктов:

Полимеры по способу получения примеры

К полимеризационным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и т. д. Макромолекулы этих веществ имеют линейное или разветвленное строение.

Поликонденсационные полимеры получают по реакции поликонденсации, особенностью которой является образование побочных низкомолекулярных продуктов:

Полимеры по способу получения примеры

где С — низкомолекулярное соединение (например, вода, аммиак, углекислый газ и т. д.).

К поликонденсационным полимерам относятся фенолоформальдегид- ные, эпоксидные, карбамидные и другие смолы, имеющие пространственную структуру.

По фазовому состоянию полимеры бывают кристаллическими или аморфными. Необходимое условие кристаллизации — регулярность достаточно длинных участков молекулярной цепи. В таких полимерах возможно образование разнообразных кристаллических форм (фибрилл, сферолитов, монокристаллов и др.), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала.

Аморфные полимеры, помимо высокоэластического, могут находиться в двух других физических состояниях: стеклообразном и вязкотекучем (см. далее). Полимеры, которые переходят из высокоэластического состояния в стеклообразное при температуре ниже комнатной, относят к эластомерам, при более высокой температуре — к пластикам.

В отличие от кристаллизации низкомолекулярных веществ, когда весь образец оказывается полностью кристаллическим (см. гл. 2), в полимере после кристаллизации всегда остаются области с аморфной структурой. Таким образом, кристаллизующиеся полимеры являются аморфно-кристаллическими. Термин «кристаллический» применительно к полимеру означает, что содержание кристаллической фазы в нем превышает содержание аморфной.

При кристаллизации полимеров появляется большое количество регулярных участков цепи, что определяет регулярность взаимного расположения как отдельных фрагментов макромолекулы, так и соседних макромолекул (рис. 11.4).

Макромолекулы в кристаллической области плотно упакованы, при этом уменьшена их гибкость и усилено межмолекулярное взаимодействие, приводящее к повышению плотности, твердости, прочности, химической стойкости и нагревостойкости материала.

Аморфные области имеют лишь ближний порядок, т. е. присутствуют отдельные фрагменты макромолекул с упорядоченным расположением элементарных звеньев, тогда как сами макромолекулы расположены хаотично. В аморфной фазе могут концентрироваться химические реагенты и протекать химические реакции, в том числе и приводящие к разрушению материала.

По отношению к нагреванию и действию растворителей полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные.

Полимеры по способу получения примеры

Рис. 11.4. Структура аморфнокристаллических полимеров

Термопластичные полимеры имеют линейные или разветвленные макромолекулы. К ним относятся полимеризационные высокомолекулярные соединения аморфного и аморфно-кристаллического строения. Они пластичны, обладают невысокой прочностью и твердостью, растворимы в характерных для них растворителях. При нагревании такие полимеры переходят из твердого в вязкотекучее состояние. Этот переход обратим и может осуществляться многократно. Структура и свойства при этом также изменяются обратимо. В вязкотекучем состоянии из термопластичных полимеров изготавливают изделия методами экструзии, литья, штамповки и др.

Термореактивные полимеры имеют сетчатое (пространственное) строение. К ним относятся поликонденсационные полимеры, которые, перейдя один раз в твердое состояние, в вязкотекучее состояние больше при повышении температуры не переходят. При нагревании они сгорают или обугливаются, т. е. их структура и свойства изменяются необратимо. Изделия из неотвержденных термореактивных полимеров можно получить лишь однократно методом горячего прессования.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *