Министерство Науки и образования Украины

Реферат на тему:

Виды полимеров

Выполнил:

Ученик 10 - В класса

Средней общеобразовательной

школы № 94

Гладков Евгений

Проверила:

Пистрик О.И.

г. Харьков, 2004.

1. Историческая справка

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 г. для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например, этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине ХІХ века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 г. (поливинилиденхлорид) и 1839 г. (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К. Гарриес, И.Л. Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годах было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х годов ХХ века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и координационных валентностей.

2. Классификация

По происхождению полимеры делятся:

· природные (биополимеры), например, белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные;

· синтетические, например, полиэтилен, полипропилен, фенолоформальдегидные смолы.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде:

· открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например, каучук натуральный)

- А - А - А - А - А -

· цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например, амилопектин)

Р

А

Р

А

Р

- А - А - А - А - А - А - А - А - А - А - А - . . .

Р Р

А А

Р Р

А А

Р Р

А

Р

· цепи с разветвлением трехмерной сетки (сшитые полимеры, например, отверждённые эпоксидные смолы)

Р Р

- А - А - А - А - А - А -

Р Р

А А

Р Р

- А - А - А - А - А - А -

Р

А

Р

- А - А - А - А - А -

Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например, поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза).

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами.

Сополимеры могут быть четырех основных типов:

1. Сополимеры с нерегулярным расположением элементарных звеньев (обозначенных А и Б):

- А - Б - Б - А - Б - Б - Б - А - Б -

2. Сополимеры с регулярным расположением элементарных звеньев:

- А - Б - А - Б - А - Б - А - Б -

3. Сополимеры, содержащие в линейной цепи блоки, каждый из которых состоит из довольно большого числа одинаковых элементарных звеньев:

- А - А - А - А - Б - Б - Б - Б - Б - А - А - А - А - А - Б - Б - Б - Б -

Такие сополимеры называются блоксополимеры.

4. Сополимеры разветвленного строения, в котором основная цепь составлена из остатков одного мономера, а ответвления - из звеньев другого мономера:

Б - Б - Б - Б - Б -

Р

- А - А - А - А - А - А - А - А - А - А - . .

Р

Б - Б - Б - Б - Б -

Такие сополимеры носят название привитых сополимеров.

Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости от состава основной (главной) цепи полимеры, делят:

· гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора;

· гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов.

Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат. Примеры гетероцепных полимеров: полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

3. Свойства и важнейшие характеристики

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств:

· способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки;

· способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям;

· способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением;

· высокая вязкость растворов.

Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавкие и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов), тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических состояниях:

· стеклообразном,

· высокоэластичном,

· вязкотекучем.

Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться, и размягчается при температуре около 80 °С.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций:

· образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи;

· распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты,

· реакции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые, полимераналогичные превращения);

· внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация.

Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров:

· химический состав,

· молекулярная масса,

· молекулярно-массовое распределение,

· степень разветвленности и гибкости макромолекул,

· стереорегулярность и др.

Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

4. Получение

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С = О, С = N, N = С = О) или непрочные гетероциклические группировки.

5. Каучуки

В результате быстрого развития промышленных отраслей в начале ХХ века, появилась огромная потребность в каучуке. Но натурального каучука было слишком мало для удовлетворения этих потребностей. Поэтому остро встал вопрос о синтетическом получении каучука. В конце 20-х годов нашего столетия ленинградские химики во главе с С.В.Лебедевым разработали способ получения каучука из этилового спирта с последующей полимеризацией его на металлическом натрии. На основе этого метода в нашей стране было основано первое в мире промышленное производство синтетического каучука.

5.1 Производство дивинилстирольного каучука

Сырье:

- бутадиен СН₂ = СН - СН = СН₂,

- стирол С₆Н₅ - СН = СН₂.

Вспомогательные материалы:

- гидроперекись изопропилбензола

О - ОН

(СН₃)₂ - С ,

С₆Н₅

(инициатор сополимеризации),

- вода,

- додецилмеркаптан С₁₂Н₂₅SH (регулятор роста цепи).

Основной химический процесс: водная эмульсия бутадиена (70%) и стирола (30%) в присутствии инициатора при 5єС и 1·10⁵-2·10⁵ Па сополимеризуется.

Особенности технологического процесса: эмульсионную сополимеризацию проводят в батарее, состоящей из двенадцати последовательно соединенных полимеризаторов. Это автоклавы, снабженные мешалками и водяными рубашками для регулирования температуры. Реакционная смесь последовательно перетекает из одного аппарата в другой, степень превращения мономеров в сополимер составляет 60-70%. Процесс непрерывный.

Основной продукт: каучук.

5.2 Производство изопренового каучука

Сырье:

2-метилбутадиен-1,3 (изопрен).

Вспомогательные материалы:

растворитель - изопентан,

катализатор - триизобутилалюминий и хлорид титана (Й?V).

Основной химический процесс: изопрен в растворе изопентана в присутствии катализатора при 30єС полимеризуется.

Особенности технологического процесса: в растворитель, содержащий катализатор вводят изопрен, и смесь пропускают через батарею катализаторов. Готовый раствор полимера промывают для отделения катализатора и высаживают в горячую воду. Процесс непрерывный.

Основной продукт: стереорегулярный каучук, содержащий 95 - 98% цис- формы.

5.3 Синтетические каучуки

Синтетические каучуки - синтетические полимеры, способные перерабатываться в резину путем вулканизации, составляют основную массу эластомеров.

Синтетический каучук - высокополимерный, каучукоподобный материал. Его получают полимеризацией или сополимеризацией бутадиена, стирола, изопрена, хлоропрена, изобутилена, нитрила акриловой кислоты. Подобно натуральным каучукам, синтетические имеют длинные макромолекулярные цепи, иногда разветвленные, со средним молекулярным весом, равным сотням тысяч и даже миллионам. Полимерные цепи в синтетическом каучуке в большинстве случаев имеют двойные связи, благодаря которым при вулканизации образуется пространственная сетка, получаемая при этом резина, приобретает характерные физико-механические свойства.

Обычно принята классификация и наименование каучуков:

· по мономерам, используемых для их получения (изопреновые, бутадиеновые и т. д.);

· по характерной группировке атомов в основной цепи или в боковых группах (уретановые, полисульфидные и др.)

Синтетические каучуки также подразделяют по признакам:

· по содержанию наполнителей (наполненные и ненаполненные),

· по молекулярной массе (консистенции),

· выпускной форме (твердые, жидкие, порошкообразные).

Часть синтетических каучуков выпускают в виде водных дисперсий - синтетических латексов. Особую группу каучуков составляют - термоэластопласты.

Некоторые виды синтетических каучуков (например, полиизобутилен, силиконовый каучук) представляют собой полностью предельные соединения, поэтому для их вулканизации применяют органические перекиси, амины и др. вещества. Отдельные виды синтетических каучуков по ряду технических свойств превосходят натуральный каучук.

По области применения синтетические каучуки разделяют:

· каучуки общего назначения

· специального назначения

К каучукам общего назначения относят каучуки с комплексом достаточно высоких технических свойств (прочность, эластичность и др.), пригодных для массового изготовления широкого круга изделий.

К каучукам специального назначения относят каучуки с одним или несколькими свойствами, обеспечивающими выполнение специальных требований к изделию и иго работоспособности в часто экстремальных условиях эксплуатации.

Каучуки общего назначения: изопреновые, бутадиеновые, бутадиенстирольные и др.

Каучуки специального назначения: бутилкаучук, этиленпропиленовые, хлоропреновые, фторкаучуки, уретановые и др.

6. Химические волокна

С 1931 года кроме бутадиенового каучука, синтетических полимеров еще не было, а для изготовления волокон использовались единственно известные тогда материалы на основе природного полимера - целлюлозы.

В начале 60-х годов промышленность нашей страны начала осваивать производство волокон на основе поликапроамида, полиэфиров, полиэтилена, полиакрилонитрила, полипропилена и других полимеров.

В то время полимеры считали лишь дешевыми заменителями дефицитного природного сырья - хлопка, шелка, шерсти. Но вскоре пришло понимание того, что - они легче, прочнее, более жаростойки, способны работать в агрессивных средах. Поэтому все свои усилия химики и технологи направили на создание новых полимеров, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, и методов их переработки.

В начале 70-х за рубежом появились поражающие воображение своей прочностью волокна кевлар (США), несколько позже - тварон (Нидерланды), технора (Япония) и другие, изготовленные на основе поли-пара-фенилентерефталамида и других аналогичных полимеров ароматического ряда, получивших собирательное название арамидов. На основе таких волокон были созданы различные композиционные материалы, которые стали успешно применять для изготовления ответственных деталей самолетов и ракет, а также шинного корда, бронежилетов, огнезащитной одежды, канатов, приводных ремней, транспортерных лент и множества других изделий.

В те же годы российские химики и технологи самостоятельно создали арамидное волокно - терлон, не уступающее по своим свойствам зарубежным аналогам. А потом здесь же были разработаны методы получения волокон СВМ и армос, прочность которых превышает прочность кевлара в полтора раза, а удельная прочность (то есть прочность, отнесенная к единице веса) превосходит прочность высоколегированной стали в 10-13 раз!

Другой класс полимеров, пригодных для получения высокопрочных волокон - жидкокристаллические ароматические полиэфиры, то есть полимеры, обладающие свойствами кристаллов в жидком состоянии. Волокнам на их основе свойственны не только достоинства арамидных волокон, но еще и высокая радиационная стойкость, а также устойчивость к воздействию неорганических кислот и различных органических растворителей. Это идеальный материал для армирования резины и создания высоконаполненных композитов; на его основе созданы образцы световодов, качество которых соответствует высшему мировому уровню. А ближайшая задача - создание так называемых молекулярных композитов, то есть композиционных материалов, в которых армирующими компонентами служат сами молекулы жидкокристаллических полимеров.

Молекулы обычных полимеров содержат, помимо углерода, еще и атомы других элементов - водорода, кислорода, азота. Но сейчас разработаны методы получения волокон, представляющих собой, по сути дела, чистый полимерный углерод. Такие волокна обладают рекордной прочностью (свыше 700 кг/мм²) и жесткостью, а также чрезвычайно малыми коэффициентами термического расширения, высокой стойкостью к износу и коррозии, к воздействию высоких температур и радиации. Это позволяет успешно использовать их для изготовления композиционных материалов - углепластиков, применяемых в самых ответственных конструкционных узлах скоростных самолетов, ракет и космических аппаратов.

Еще одно замечательное свойство материалов на основе углеродных волокон - их способность хорошо проводить электричество и тепло. Это позволяет делать на их основе сухие безынерционные электронагреватели в виде либо жестких пластин, либо мягких тканей. Они совершенно безопасны в пожарном отношении, так как тепловой поток равномерно распределяется по большой поверхности, и их можно использовать для обогревания помещений или сидений автомобилей и тракторов.

Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим электричеством (вредным для здоровья человека): достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02 - 1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.

Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный. А углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов - в том числе и химических. Сорбционные свойства специально приготовленного углеродного волокна в 2,5 раза выше сорбционных свойств активированного угля!

6.1 Производство химических волокон

6.1.1 Получение ацетатного волокна

Сырье: целлюлоза.

Вспомогательные материалы: уксусный ангидрид, уксусная кислота, катализатор, вода, ацетон.

Основной химический процесс: целлюлозу ацетилируют уксусным ангидридом в среде уксусной кислоты при температуре 35є С:

[С₆Н₇О₂(ОН)₃]_п + 3п (СН₃СО)₂О > [С₆Н₇О₂(ОСОСН₃)₃]_п + 3п СН₃СООН

триацетилцеллюлоза

Особенности технологического процесса: прядильный раствор получают растворением ацетилцеллюлозы в ацетоне, волокно формуют сухим способом, продавливая прядильный раствор через фильеры и удаляя растворитель током теплого воздуха.

Основной продукт: ацетатное волокно.

6.1.2 Получение капрона

Сырье: капролактам.

Вспомогательный материал: вода.

Основной химический процесс: полимер получают ступенчатой полимеризацией капролактама в присутствии активатора - воды:

СН₂ - СН₂ - СО

п Н₂С Р > ( -NН - (СН₂)₅ - СО - )_п

СН₂ - CН₂ - NН

Особенности технологического производства: непрерывную полимеризацию ведут при атмосферном давлении за 18-24 часа в вертикальном реакторе. Реакционная смесь медленно опускается, затем поступает в камеру, где удаляются низкомолекулярные фракции, а расплавленный полимер отправляют на формование волокна в прядильные машины.

Основной продукт: капрон.

7. Производные метилметакрилата

Полиметилметакрилат - это линейный полимер метилметакрилата.

Получение: В промышленности получают свободорадикальной полимеризацией мономера (метилметакрилата) главным образом в блоке и суспензии, реже в эмульсии и растворе.

Форма выпуска: Выпускают, в основном, в виде листов и гранулированных материалов.

Дальнейшая обработка: Переработка литьем под давлением.

Виды выпуска полиметилметакрилата: Суспензионный полиметилметакрилат производится во многих странах и имеет следующие разновидности: люсайт, диакон, плексигум, ведрил и др.

Основной технический продукт: Известен как “Органическое стекло”, хотя органическое стекло состоит не только из полиметилметакрилата

Органическое стекло: Это техническое название оптически прозрачных твердых материалов на основе органических полимеров: поликрилатов, полистирола, поликарбонатов, сополимеров винилхлорида в соединении с метилметакрилатом.

Получение органического стекла: В промышленности органическое стекло это листовой материал, который получают полимеризацией в блоке с метилметакрилатом. Реакция осуществляется в формах, собранных из листов силикатного стекла, стали или алюминия; между ними помещают эластичные прокладки, толщина которых и определяет толщину листа стекла. Чтобы избежать дефектов в листе, вызываемых значительной усадкой (23%) реакционной массы, процесс проводят следующими образами: вначале получают так называемый форполимер (сиропообразная жидкость с большой вязкостью), которую затем заливают в форму и полимеризуют. Пластификаторы, красители, замутнители, стабилизаторы и другие, в зависимости от назначения стекла, вводят в форполимер, смесь тщательно перемешивают, вакуумируют, фильтруют, заливают в герметизированные формы, которые помещают в камеры с циркулирующим теплым воздухом или ванны с теплой водой. По окончании полимеризации листы стекла извлекают из форм и подвергают окончательной обработке.

Свойства органического стекла: молярная масса до 2х10⁶, исключительно прозрачно, обладает высокой проницаемостью для лучей видимого и ультрафиолетового цвета, хорошие физико-механические и электроизоляционные свойства. Оно атмосферостойкое, устойчиво к действию разбавленных кислот и щелочей, воды, спиртов, жиров и минеральных масел; физиологически безвредно и стойко к биологическим средам; размягчается при температуре несколько выше 120⁰ по Цельсию и легко перерабатывается. Органическое стекло можно перерабатывать вакуумно и пневмоформированием, штампованием; его можно обрабатывать механически, склеивать и сваривать.

Использование органического стекла: Используется в транспортном машиностроении, авиационной и светотехнической промышленности, строительстве и архитектуре, приборостроении, для изготовления вывесок и реклам, бытовых изделий и др. Применяется как конструкционный материал для остекления парников и теплиц, куполов, окон, веранд и декоративной отделки зданий, для изготовления деталей приборов и инструментов, протезов - в медицине, линз и призм в оптике, труб в пищевой промышленности.

8. Переработка полимеров

Большинство методов, применяемых в настоящее время в технологии переработки полимеров, являются модифицированными аналогами методов, используемых в керамической и металлообрабатывающей промышленности.

8.1 Пластики

Слово "пластик" происходит из греческого языка и обозначает материал, который может быть спрессован или сформован в любую форму по выбору. Пластик - это любой представитель широкого круга разнообразных материалов, полностью или частично органических по составу, которому можно придать необходимую форму при воздействии температуры и давления. Основные типы пластиков:

Тип	Типичные представители	Тип	Типичные представители
Акриловые пластики Аминопластики	Полиметилметакрилат (ПММА) Полиакрилонитрил (ПАН) Мочевиноформальдегидная смола Меламиноформальдегидная смола	Полиэфиры	Ненасыщенные полиэфирные смолы Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) Полиэтиленадипат
Целлюлозы	Этилцеллюлоза Ацетат целлюлозы Пластики нитрат целлюлозы	Полиолефины Стирольные пластики	Полиэтилен (ПЭ) Полипропилен (ПП) Полистирол (ПС)
Эпоксидные пластики	Эпоксидные смолы Эпоксидные новолачные смолы		Сополимер стирола с акрилонитрилом
Фторопласты	Политетрафторэтилен (ПТФЭ) Поливинилиденфторид		Сополимер акрилонитрила со стиролом и бутадиеном (АБС)
Фенопласты	Фенолоформальдегидная смола Фенолофурфуроловая смола	Виниловые пластики	Поливинилхлорид (ПВХ) Поливинилбутираль
Полиамидные пластики (нейлоны)	Поликапролактам (ПА-6) Полигексаметиленадипамид (ПА-6,6)		Сополимер винилхлорида с винилацетатом

8.2 Получение фенолформальдегидной смолы и пластмасс (фенопластов)

Сырье: фенол, формалин (40%-ный раствор формальдегида в воде).

Вспомогательные материалы: катализаторы - соляная кислота и 20-25%-ный раствор аммиака.

Основной химический процесс: при взаимодействии 7 моль фенола и 8 моль формальдегида в присутствии соляной кислоты получают термопластичные новолачные смолы (полимер линейного строения).

При небольшом избытке формальдегида (на 6 моль фенола берут 7 моль формальдегида) с применением в качестве катализатора аммиачной воды поликонденсация протекает с образованием резольной термореактивной смолы, способной при нагревании образовывать трехмерную структуру.

Особенности технологического процесса: производство периодическое. Сырье загружают в реактор, снабженный мешалкой и рубашкой для регулирования температуры реакционной смеси. Удаление воды производят в вакууме (для резольной смолы) или при атмосферном давлении (для новолачных смол). Готовую смолу выдавливают из реактора сжатым воздухом.

Основные продукты: новолачная смола, резольная смола.

Для получения фенопластов спиртовым раствором (лаком) или водной эмульсией фенолформальдегидной смолы пропитывают ткань, стекловолокно, фанеру или древесные стружки и прессуют при 150 - 170 є С и 7·10⁶ - 15· 10⁶ Па. Так получают соответственно текстолит, стеклотекстолит, гетинакс, древеснослоистые пластики.

Из смеси резольной смолы с асбестом или графитом в качестве наполнителей получают фаолит - материал, обладающий высокой химической стойкостью к действию большинства кислот и органических растворителей.

8.3 Эластомеры

Обычно эластомеры называют каучуками. Воздушные шары, подошвы ботинок, шины, хирургические перчатки, садовые шланги - это типичные примеры изделий из эластомеров. Классическим примером эластомеров является природный каучук. В настоящее время используется несколько синтетических эластомеров. Они включают в себя полибутадиены, сополимеры стирола с бутадиеном, акрилонитрила с бутадиеном (нитрильный каучук), полиизопрен, полихлоропрен (неопрен), сополимер этилена с пропиленом, сополимер изопрена с изобутиленом (бутиловый каучук), полифторуглерод, полиуретан и силиконовые каучуки.

8.4 Волокна

Всем нам известны волокна природного происхождения, такие, как хлопок, шерсть, лен и шелк. Также нам знакомы синтетические волокна из нейлона, полиэфиров, полипропилена и акрилов. Основной отличительной чертой волокон является то, что их длина в сотни раз превосходит их диаметр. Если натуральные волокна (кроме шелка) представляют собой штапельные волокна, то синтетические могут быть получены как в виде непрерывных нитей, так и в виде штапельною волокна.

Волокна могут быть трех типов:

· повседневного спроса,

· безопасные

· промышленные.

Волокнами повседневного спроса называют волокна, используемые для изготовления нижней и верхней одежды. В эту группу входят волокна для изготовления белья, носков, рубашек, костюмов, женской одежды и пр. Эти волокна должны обладать соответствующей прочностью и растяжимостью, мягкостью, негорючестью, поглощать влагу и хорошо окрашиваться. Типичными представителями этого класса волокон являются хлопок, шелк, шерсть, нейлон, полиэфиры и акрилаты.

Безопасными волокнами называют волокна, используемые для производства ковров, занавесей, чехлов для кресел, драпировок и пр. Подобные волокна должны быть жесткими, прочными, долговечными и износостойкими. С точки зрения безопасности к этим волокнам предъявляются следующие требования: они должны плохо воспламеняться, не распространять пламя и при горении выделять минимальное количество тепла, дыма и токсических газов. При добавлении небольших количеств веществ, содержащих такие атомы, как В, N, Si, P, C1, Вr или Sb, в волокна повседневного спроса удается придать им огнестойкие свойства и, таким образом, превратить их в безопасные волокна. Введение в волокна модифицирующих добавок уменьшает их горючесть, снижает распространение пламени, но не приводит к уменьшению выделения токсических газов и дыма при горении. Исследования показали, что в качестве безопасных волокон могут быть использованы ароматические полиамиды, полиимиды, полибензимидазолы и полиоксидиазолы. Однако при горении этих волокон наблюдается выделение токсических газов, поскольку в их молекулах содержатся атомы азота. Этого недостатка лишены ароматические полиэфиры.

Промышленные волокна используются в качестве армирующих материалов в композитах. Эти волокна также называют структурными волокнами, поскольку они обладают высоким модулем, прочностью, термостойкостью, жесткостью, долговечностью. Структурные волокна используют для упрочнения таких изделий, как жесткие и гибкие трубы, трубки и шланги, а также в композиционных структурах, называемых волокнитами и применяемых в конструкциях кораблей, автомобилей, самолетов и даже зданий. К этому классу волокон относятся одноосно ориентированные волокна ароматических полиамидов и полиэфиров, углеродные и кремневые волокна.

8.5 Компаундирование

Процесс, включающий в себя введение таких ингредиентов, как пластификаторы, вулканизирующие агенты, отвердители, стабилизаторы, наполнители, красители, пламегасители и смазочные вещества, в первичный полимер, называют компаундированием.

Полимеры в чистом виде, полученные с промышленных предприятий после их выделения и очистки, называются "первичными" полимерами или "первичными" смолами. За исключением некоторых полимеров, таких, как полистирол, полиэтилен, полипропилен, первичные полимеры обычно не пригодны для прямой переработки. Первичный поливинилхлорид, например, является материалом рогоподобной фактуры и не может быть сформован без предварительного смягчения путем добавления пластификатора. Аналогично этому для формования натурального каучука требуется введение в него вулканизующего агента. Большинство полимеров защищают от термической, окислительной и фотодеструкции введением в них подходящих стабилизаторов. Добавление в полимер красителей и пигментов перед формованием позволяет получить изделия самых различных цветов. Для уменьшения трения и улучшения течения полимера внутри перерабатывающего оборудования в большинство полимеров добавляют смазочные материалы и вещества для улучшения технологических свойств. Наполнители же в полимер обычно добавляют для придания им специальных свойств и уменьшения стоимости конечного продукта.

8.6 Полимеры в сельском хозяйстве

И в отечественной и в мировой практике первое место принадлежит пленкам. Главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизировано; теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются с помощью полимерных труб.

Использование пластмассовых труб, особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем.

8.7 Производство полиэтилена низкого давления

Сырье: этилен (степень чистоты 99,8%).

Вспомогательные материалы: бензин ( t _кип.- 75 - 95 є С) в качестве растворителя, катализаторы Al (C₂H₅)₃ и TiCl₄ , метиловый спирт.

Основной химический процесс: этилен в присутствии катализатора при t = 60 - 80 є С и давлении 2·10⁵ - 4·10⁵ Па полимеризуется:

п СН₂ = СН₂ = ( - СН₂ - СН₂ -)_п

Прямой синтез триэтилалюминия осуществляют из алюминия, этилена и водорода в среде готового продукта Al (C₂H₅)₃ при 130 є С и 6·10⁶ Па:

2 Al + 3 H₂ + 6 C₂H₄ = 2 Al (C₂H₅)₃

Особенности технологического процесса: в реактор непрерывно поступает суспензия катализатора в бензине и этилен. Малорастворимый в бензине полимер отфильтровывают, катализатор удаляют отмывкой метиловым спиртом. Бензин и непрореагировавший этилен возвращают после очистки в реактор (принцип циркуляции). Выход продукта 85 - 98%.

Основной продукт: полиэтилен со средней относительной молекулярной массой 70000 - 350000, степенью кристалличности 80 - 90%, плотностью 0,94 - 0,96 г/см³.

8.8 Полимеры в машиностроении

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию.

Применяются полимерные материалы и в приборостроении, изготовлении металлорежущего инструмента.

Первое место по темпам роста применения пластических масс занимает сейчас автомобильная промышленность. Первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры.

Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности.

8.9 Сварка без нагрева

Как прикрепить друг к другу две пластмассовые панели? Самый лучший способ и оборудование для него разработала французская фирма “Брансон”. Генератор ультразвука мощностью 3 кВт, частотой 20 кГц, “звуководы” - сонотроды - и все. Наконечник сонотрода, вибрируя, проникает сквозь верхнюю из скрепляемых деталей толщиной до 8 мм погружаются в нижнюю, и увлекает за собой расплав верхнего полимера. Энергия ультразвуковых колебаний превращается в тепло лишь локально, получается точечная сварка.

Литература

1). В.В.Перекалин, С.А.Зонис «Органическая химия», Москва: «Просвещение», 1973г.

2). В.Г.Жиряков «Органическая химия», Москва: «Химия», 1971г.

3). А.И.Астахов, А.И.Касьяненко «Химия», Киев: «Вища школа»,1979г.

4). «Химия». Справочные материалы. Химическое производство. Москва «Просвещение», 1988г.

5). «Древо познания». Наука и техника.