Надо Знать

добавить знаний



Полимер



План:


Введение

Нейлон

Полимер ( рус. полимеры , англ. polymers , нем. Polymere n pl, Polymerisate n pl ) - Природные и искусственные соединения, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или различных по строению атомных группированным, соединенных между собой химическими или координационными связями в длинные линейные или разветвленные цепи. Структурные единицы, из которых состоят полимеры называются мономерами.


1. Историческое развитие химии полимеров

Термин "полимерия" был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 г. для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества одинакового состава, отличающихся молекулярной массой. Например, этилен и бутилен, кислород и озон. Синтетические полимеры в то время еще не были известны, а первые упоминания о них относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол). Поэтому такое содержание термина не соответствует современным представлениям.

Некоторые полимеры достоверно получали еще в первой половине XIX в. Это были побочные и нежелательные в то время продукты "осмоления" основной химической реакции. Реакции полимеризации и поликонденсации, которые вели к образованию таких продуктов в то время пытались подавить. Поэтому для полимеров еще иногда используют термин "смола".

Химия полимеров, как наука, возникла лишь после создания в 60-х годах XIX ст. русским химиком А. М. Бутлеровым (1828-1886) теории химического строения органических веществ, что позволило систематизировать огромный практический материал, накопленный к тому времени органической химией.

Реакция Кучерова заложила основу промышленного синтеза сложных и простых виниловых эфиров, используемых для образования ряда полимеров (например, поливинилацетата). Углеводороды ацетиленового ряда также легко полимеризуються с образованием циклических углеводородов ряда бензола.


2. Общая характеристика и классификация

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n = 10 ... 20, вещество относится к легким масел. С ростом n увеличивается вязкость, вещество становится воскообразное, наконец, при n = 1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограничен: он может быть 10 4, и тогда длина молекул достигает микрометров. Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно молекулярная масса находится в пределах 10 3... 3 * ​​10 5. Большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьирует от аморфной до частично кристаллической. Доля кристалличности в значительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе укладываются цепи, тем более кристаллическим полимер становится. Кристалличность, как правило, даже в лучшем случае оказывается несовершенна.

Аморфные полимеры плавятся в диапазоне температур, которая зависит не только от их природы, но и от длины цепей; кристаллические имеют точку плавления.

В основу классификации полимеров заложены различные признаки: происхождение, состав, методы образования, структура, области использования. Так по происхождению полимеры делятся на:

  1. естественные или натуральные, к которым относится большая группа ( белки, крахмал, целлюлоза, натуральный каучук, природный графит и др.)..
  2. синтетические - образованные синтезом из низкомолекулярных веществ - мономеров (полиэтилен с этилена, полистирол с стирола). Это ведущая группа, потому что синтез позволяет целенаправленно регулировать состав и свойства.
  3. искусственные - образуются из природных полимеров путем их химической модификации (например, при взаимодействии целлюлозы с азотной кислотой образуется нитроцеллюлоза).

Природные полимеры образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. В природных полимеров относят протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки являются искусственные полимеры. Примерами являются натуральный каучук, изготовленный из латекса, целлулоид, представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Природные и искусственные полимеры играют большую роль в современной технике. Резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических полимеров - материалов, полученных синтезом из низкомолекулярных веществ не естественный аналогов. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветвленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных полимеров химически инертны относительно друг друга и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и тогда они способны обратно переходить сначала в высокоэластичный, а затем и в вязкотекучее состояние. Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует считать, что термин линейные обозначает прямолинейные, наоборот, для них более характерна зубастая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко разрушаются под действием реагентов.

Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем линейные. Контролируемое разветвление цепей служит одним из главных промышленных методов модификации свойств термопластичных полимеров. Сетчатая структура характерна тем, что цепи связаны друг с другом, а это сильно ограничивает движение и приводит к изменению как механических, так и химических свойств. Обычная резина мягкая, но при вулканизации серой образуются ковалентные связи типа S-О, и прочность растет. Полимер может получить сетчатую структуру и спонтанно, например, под действием света или кислорода произойдет старение с потерей эластичности и работоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционные группы, то при нагревании они соединяются множеством поперечных прочных связей, полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру. Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяющие свойства, материала, который приобретает прочность и высокую вязкость, становится нерастворимым и неплавящимся. Вследствие большой реакционной способности молекул, проявляющейся при повышении температуры, такие полимеры называют термореактивными. Нетрудно представить, что их молекулы активны не только относительно друг друга, но и к поверхностям инородных тел. Поэтому термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, обладают высокой адгезированными способность даже при низких температурах, что позволяет использовать их как защитные покрытия, клеев и связующего в композиционных материалах.

Термопластичные полимеры получают по реакции полимеризации. При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно, промежуточные продукты неустойчивы, реакция чувствительна к присутствию примесей и требует, как правило, высоких давлений. Неудивительно, что такой процесс в естественных условиях невозможен, и все природные полимеры образовались иным путем. Современная химия создала новый инструмент - реакцию полимеризации, а благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализуется лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Реакционность молекулы термореактивных полимеров могут образоваться более простым и естественным путем-постепенно от мономера к димера, затем в тримера, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их конденсацию, называют реакцией поликонденсации, она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара). Именно эта реакция реализуется в природе, она может быть легко осуществлена ​​за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров предоставляет широкие возможности изготовлять различные изделия на нехимических предприятиях, в том числе на радиозаводе.

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокнита, слоистые пластики, ливкы, покрытия, клеи.


3. Физические свойства

Полимеры основном аморфные вещества. Длинные цепочки и большая молекулярная масса не позволяют полимерам переходить до жидкого состояния (быстрее наступает химический распад). Однако при повышении температуры с полимерами происходят изменения - они размягчаются и становятся очень пластическими. Температура перехода от хрупкого состояния к пластическому называется температурой стеклования. Температура стеклования не является четко определенной температурой фазового перехода, а скорее указывает на температурный диапазон, в котором происходят изменения. При низких температурах полимеры являются достаточно хрупкими материалами.

В основном используются механические свойства полимеров. При темература превышающей температуру стеклования их нетрудно прессовать в произвольную форму, при застывании они сохраняют форму и могут служить для инкапсуляции и других целей. Однако сопряженные полимеры все чаще используются как органические полупроводники.


4. Структура полимеров

Структурные элементы полимеров - макромолекулы. Структура макромолекулы - это сложное понятие, которое включает химическое строение, длину и распределение по длинам и молекулярными массами, пространственное расположение звеньев, форму макромолекулы. Знание основных параметров структуры дает возможность ее регулировать и влиять на свойства.

При рассмотрении структуры полимера нужно учитывать:

  • строение конечных групп, которые отличаются от строения основного звена, которая повторяется (это существенно для олигомеров);
  • неоднородность химического состава (результат побочных реакций при образовании);
  • неоднородность по числу составляющих звеньев, обусловленную статистическим характером протекания реакций образования;
  • разное пространственное размещение звеньев в макромолекуле;
  • надмолекулярную структуру.

4.1. Химическое строение

Химическое строение составляющей звена характеризует химическое строение макромолекулы. В зависимости от этого полимеры делятся на:

  • органические - главная цепь содержит атомы C, O, N, S. В боковые группы могут входить Н, галогены, непосредственно соединенные с углеродом или атомы других элементов непосредственно не соединены с углеродом главной цепи.
  • неорганические - состоят из неорганических атомов и не содержат органических боковых радикалов.
  • элементоорганическими - их макромолекулы наряду с атомами углерода неорганические фрагменты. По составу главных цепей их разделяют:
    • соединения с неорганическими цепями, обрамленные боковыми органическими группами;
    • соединения, в главном цепи которых находятся атомы углерода, а боковые группы содержат другие атомы за исключением азота, серы, кислорода и галогенов, соединенных непосредственно с атомами углерода;
    • соединения органонеорганичнимы цепями.

4.2. Молекулярная масса

По строению, т.е. формой макромолекулы полимеров делятся на: линейные, разветвленные, ленточные (Драбинко) и пространственные (трехмерные).

Если каждую элементарную звено обозначить через А, то макромолекула линейного строения будет иметь вид: ...-A-A-A-... .

В этом случае каждая элементарная звено связано только с двумя соседними и образуют неразветвленный цепь. Линейные макромолекулы могут иметь зигзагообразную форму или быть закрученными в спираль. На физико-механические свойства линейного полимера влияет плотность упаковки макромолекул в единице объема. При плотной упаковке сильнее взаимодействие макромолекул способствует увеличению прочности и уменьшению растворимости полимера. Линейные полимеры используют преимущественно для изготовления пленок и волокон (полиэтилен, полиамиды).

Разветвленные отличаются от линейных тем, что их макромолекулы имеют боковые ответвления.

Драбинко полимеры состоят из двух цепей объединенных химическими связями. Эти полимеры имеют жесткий главная цепь - повышенное теплостойкость, большую жесткость, нерастворимые в органических растворителях ( кремнийорганические полимеры).

Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении ("сшивание") макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы.

По структуре молекулярных цепей в зависимости от густоты сетки различают: ридкоситчасти (сетчатые) полимеры, имеющие упругость (мягкие резины) густоситчасти (пространственные) полимеры - характерные свойства твердость, повышенная теплостойкость, нерастворимость иногда хрупкость (смолы). Пространственные полимеры лежат в основе создания конструкционных неметаллических материалов. В сетчатых относятся пластинчатые, имеющих плоскостную двухмерную устройство (например, графит).


5. Применение

Полимерные материалы обладают комплексом характеристик, которые при умелом их использовании обеспечивают эффективные эксплуатационные свойства изделий и рентабельность их производства. К основным преимуществам полимеров относят:

  • высокая технологичность, благодаря которой из цикла можно удалить трудоемкие и дорогие операции механической обработки изделий;
  • минимальная энергоемкость обусловлена ​​тем, что температура переработки этих материалов составляет, как правило, 150 - 250 C, что значительно ниже чем в металлов и керамики;
  • возможность получения за один цикл формирования сразу несколько изделий, в том числе сложной конфигурации, а при производстве погонажных изделий вести процесс на больших скоростях;
  • практически все процессы переработки автоматизированы.

Вследствие перечисленных особенностей полимеры получили исключительно широкое распространение и эффективно используются практически во всех отраслях мирового хозяйства.

Основными производителями полимеров является США, Япония, Германия, Корея, Китай.

Около 90% всего производства полимерных материалов приходится на несколько разновидностей крупнотоннажных полимеров. Выпуск полиолефинов, полиэтилена низкой и высокой плотности (ПЭНП и ПЭВП) и полипропилена (ПП), составляет от 35 до 45% общего количества объема производства, от 11 до 20% - доля поливинилхлорида (ПВХ), 9 - 13% приходится на полистирольные полимеры, от 2 до 7% - на полиамиды. До 4% характеризуется доля эпоксидных смол, ненасыщенных полиэфиров, полиэтилентерефталата (ПЭТФ), поликарбоната (ПК), полиацетали.

В горном деле и касательных областях полимерные реагенты применяют при флокуляции, обогащении полезных ископаемых, заводнение месторождений нефти, подготовке буровых растворов, специальных твердеющих веществ вяжущих материалов и т.п..


6. Сырьевая база производства полимеров

В начале развития отрасли основной сырьем были продукты переработки угля (продукты коксования и газификации каменного угля). Современное производство полимеров базируется на углеводородах - продуктах переработки нефти, попутного и природного газа. Доля цього виду сировини складає близько 90 %, доля продуктів переробки вугілля - 9-10 %, а доля рослинної сировини - лише 1 %. Вартість сировини в собівартості виробництва полімерів складає 70-80 %.

Основною сировиною для виробництва полімерів є мономери - вуглеводневі гази різних джерел (природні та попутні нафтові гази, гази нафтопереробки). Вони є продуктами основного органічного синтезу і відносяться до різних гомологічних рядів:

  • парафінів - метана, етана, пропана, бутана і пентанів; вуглеводні цієї групи зустрічаються у природному і попутному нафтовому газі, а також утворюються при термічних і каталітичних процесах переробки нафти, вугілля та інших горючих копалин;
  • олефінів - етилена, пропілена, бутилена - утворюються при термічних і каталітичних процесах переробки нафти, а також при піролізі і гідруванні вуглеводневих газів групи парафінів;
  • діолефінів; головними представниками цього ряду, які мають велике практичне значення, є бутадієн і ізопрен. Вони найбільш економічно утворюються при дегідруванні вуглеводнів групи А і Б;
  • ацетилена - одержують крекінгом або піролізом вуглеводнів парафінового ряду.

Мономери використовують для синтезу проміжних продуктів (напівпродуктів), наприклад фенолу, аніліну, метанолу, етилового спирту, бутадієну, стиролу, вінілацетилену, формальдегіду та ін. Далі відповідною переробкою напівпродуктів з них одержують складніші органічні речовини - синтетичні смоли, пластмаси, каучуки та ін.

Основний органічний синтез базується на обмеженому числі вихідних з'єднань - продуктів переробки нафти і газу. Це в першу чергу етилен, пропілен, бутилен. Приблизно половина етилену, що виготовляється, використовується на одержання поліетилену; з решти виробляють етиленоксид, стирол, вінілхлорид, вінілацетат - мономери великотоннажних полімерів. З пропілена одержують поліпропілен (20 %), пропіленоксид (15 %), акрілонітріл (20 %), ізопропілбензол, спирти, в тому числі фенол (40 %), епіхлоргідрін, метакрілати.

Ароматические углеводороды в 50-х годов получали из коксохимического сырья. Сейчас такие продукты, как бензол, толуол, ксилол, получают из нефтяного сырья путем крекинга, дегидрогенизации нафтеновых углеводородов или циклизацией парафиновых углеводородов. Далее из них получают ряд мономеров, например, из бензола фенол, малеиновий ангидрид, и стирол, из ксилола путем окисления терефталевую кислоту, из нафталина-фталевый ангидрид и т. д.


См.. также

Литература

  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.
  • Технические свойства полимерных материалов: Учеб.-дел. пособие / В. К. Крыжановский, В. Бурлов, А. Д. Паниматченко, Ю. В. Крыжановская. - 2-е изд., Испр. и доп. - СПб.: Профессия, 2005. - 248стр., Ил. ISBN 5-93913-093-3. (Рус.)
  • Тугов И. И., Костыркина Г.И. Химия и физика полимеров: Учеб. пособие для вузов. - М.: Химия, 1989. - 432 с. (Рус.)

Что такое полимеры?

Физика Это незавершенная статья физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам