Из чего состоят полимеры: Что такое Полимеры

alexxlab | 09.03.1979 | 0 | Разное

Содержание

легче, надежнее, прочнее. Интервью с кандидатом хим. наук М. А. Солдатовым

Как известно, полимеры представляют собой сложные вещества, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. В зависимости от структуры и решаемых при использовании задач полимеры обладают различными физическими свойствами. Некоторые полимеры легко тянутся и обладают высокой эластичностью. Другие, напротив, отличаются твердостью. Но речь не только об искусственно созданных материалах. Белки, полисахариды, из которых состоят цепочки ДНК и РНК, тоже считаются полимерами. “Даже человек в каком-то смысле ходячий полимер”, – подчеркнул в интервью молодой ученый Михаил Солдатов. Он несколько лет работал с китайскими коллегами над пористыми полимерами, которые можно использовать для очистки воды и воздуха. Подробнее – в нашем интервью.

К.х.н. Михаил Александрович Солдатов. РХТУ. Фото- Андрей Луфт

Михаил Александрович Солдатов − главный специалист управления научных и технологических проектов Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева, старший научный сотрудник, кандидат химических наук.

− Полимерные материалы известны многим. И, в принципе, все уже привыкли к тому, что они окружают нас повсюду. Но, тем не менее, давайте вновь обозначим, что они собой представляют.

− Как говорилось в песне группы «Сплин»: «…Все на свете из пластмассы и вокруг пластмассовая жизнь». Действительно, полимеры окружают нас повсюду, и даже человек в какой-то степени – ходячий полимер. В целом, речь идёт о любых длинных молекулах, которые иногда называют макромолекулами или высокомолекулярными соединениями. Полимеры состоят из определённых, как правило, повторяющихся звеньев. Именно поэтому они такие длинные.

Кроме этой характеристики, полимеры обладают другим уникальным свойством − эластичностью. Это свойство присуще исключительно полимерным веществам. Плюс ко всему, из-за их высокой молекулярной массы, полимеры невозможно перевести в газообразное состояние: при нагревании полимер попросту разрушается раньше предполагаемой температуры кипения.

− Где полимеры используются сейчас?

− Везде. Любое лакокрасочное покрытие – полимерное. Все, что нас окружает, вся техника покрыта пластиком − полимером. Их можно встретить даже на производстве бумаги, потому что бумага – это целлюлоза. А целлюлоза – это природный полимер. Все ДНК, РНК, белки – это тоже разного рода полимеры.

Поэтому полимеры – это не только полиэтилен или пластик. Сейчас их активно используют в автомобилестроении, внедряют в сферу самолетостроения. Ведь они дешевле и легче металла.

− С другой стороны, мы постоянно с этим пластиком боремся. И при этом наращиваем его производство. Нет ли тут противоречия?

− Здесь встает вопрос цены и высокой функциональности. Сегодня зачастую дешевле получить что-то из пластика, а затем потратить деньги на его переработку, нежели создавать что-то из дорогого металла. Помимо этого, учёные проводят исследования, направленные на создание биоразлагаемых видов пластика. Будучи аспирантом, я узнал, что компания «Тойота», например, активно была заинтересована в производстве автомобильного бампера из разлагаемого пластика. Поэтому на сегодняшний день это очень перспективное направление, в том числе в науке о полимерах.

− Расскажите о специфике пористых полимеров? Как их используют?

− Пористые полимеры – это, собственно говоря, то направление, над которым я два года работал в Китае. У пористых материалов, как известно, очень высокая площадь поверхности. Самый наглядный пример пористых материалов, которые используются в быту – это активированный уголь. За счёт своей высокой площади поверхности и пористости активированный уголь способен вбирать в себя различные токсины из организма при отравлении. Поэтому одно из ключевых применений пористых материалов связано с адсорбцией.

Так вот китайские коллеги нацелены на использование пористых полимеров для очистки воды. В целом в Китае одна из основных проблем – нехватка качественной воды. Напомню, что из основных источников там две крупные реки – Янцзы, Хуанхэ, и море с солёной водой. Поэтому пресную воду необходимо как-то накапливать и генерировать.

Цепочки молекул полипропилена

Источник: Wikipedia

Один из проектов был связан с очисткой сточных вод – с адсорбцией тяжёлых металлов, красителей и других вредных для человека элементов, попадающих в воду с производств. Я, в свою очередь, разрабатывал адсорбенты на основе определённых мономерных соединений, которые в иностранной литературе принято называть «building blocks». С помощью определённых реакций мы буквально собирали эти «строительные блоки-кубики» таким образом, чтобы образовывалась небольшая полость, то есть пора. Когда таких кубиков много, создаётся большая пористая структура. Я же решил пойти дальше и вводил функциональные соединения − фосфазены. Это направление активно развивается на кафедре технологии и пластических масс РХТУ имени Д.И. Менделеева. Как оказалось, такие соединения обладают хорошей адсорбционной активностью по отношению к тяжёлым металлам. В дальнейшем подобные подходы мы применяли и для адсорбции красителей, паров йода и углекислого газа.

Плюс ко всему, в Китае заинтересованы в использовании сжатого углекислого газа в качестве гидроразрыва пласта при добыче нефти. Обычно пласт разрывают с помощью воды. А у китайцев, как я сказал, с водой большая проблема. Зато углекислого газа много. Поэтому одно из перспективных применений связано с нефтедобычей.

И последнее направление, в которое я был вовлечён, посвящено использованию пористых материалов в качестве катализаторов. Чем больше площадь поверхности, тем лучше на этой поверхности могут протекать различные реакции. Помимо этого, есть и другое полезное свойство. Например, гетерогенные катализаторы не растворяются. После отработки, при помощи обычного фильтрования мы можем заново использовать их в следующем процессе.

− Как выглядят подобные полимерные «фильтры»?

− Как правило, полимер производится в виде порошка. Вы даже не поймете, что он пористый, поскольку поры очень мелкие – всего несколько нанометров. Поэтому специалисты используют электронную микроскопию в качестве одного из основных методов при исследовании таких полимеров.

− На основе каких элементов они создаются?

− В своей работе я использовал так называемые элементоорганические соединения, содержащие в своём составе кремний, фосфор, азот, углерод. Это направление находится на стыке органической и неорганической химии. Таким полимерам присущи плюсы как органических, так и неорганических соединений. Они обладают высокой функциональностью, их можно модифицировать для определённых применений. Кроме того, такие полимеры устойчивы к высоким температурам, различным воздействиям химических реагентов.

− Какова специфика их производства?

− Процесс лабораторного получения достаточно прост. «Ингредиенты» помещаются в колбу с магнитной мешалкой. Далее добавляются растворитель и катализатор, и затем смесь греется в течение нескольких часов, а иногда – дней. На выходе мы получаем раствор, в котором образуется пористый или сшитый полимер – то есть одна очень большая молекула – в виде порошкообразного продукта. Затем уже полученный порошок из колбы фильтруется, его промывают, сушат. И получается готовый продукт.

Молекулярная масса полимеров может достигать нескольких тысяч и даже миллионов атомных единиц массы

− Вы получили опыт работы в Китае. Насколько отличаются подходы в организации науки? Что можно привнести в отечественную практику?

− Надо сказать, что до этого я работал в научно-исследовательских институтах, в том числе академических, где основная деятельность связана исключительно с наукой. Хотя студенты, конечно, приходили. В образовательном учреждении опыта работы у меня не было. Поэтому, когда я приехал в Китай, то был приятно удивлен, что студентов уже с третьего курса привлекают к научной работе. И уже спустя год они начинают работать самостоятельно.

Сейчас я работаю в РХТУ, и замечаю, что здесь такая же система. Студентов стараются привлекать как можно раньше, чтобы они как молодые учёные быстро всему научились, в том числе, работать самостоятельно.

Чему у китайских коллег точно стоит поучиться, так это решению бюрократических формальностей. Хотя, казалось бы, в Китае бюрократия серьёзнее, чем у нас. При этом доступность необходимых материалов, реактивов в разы выше. Достаточно написать небольшой запрос, и через неделю нужный реактив доставят в лабораторию. В России за неделю даже документы на закупку не оформишь.

Чему бы им у нас поучиться? Я убежден, что главное преимущество России – в сохранении качественного фундаментального образования.

− Расскажите о нерешенных задачах в сфере пористых полимеров. Есть ли какие-то сложности, которые не позволяют внедрить их в повсеместный обиход?

− Начну с того, что один из типов полимеров относительно недавно стал очень популярен. В русскоязычной литературе такие полимеры известны как ковалентные органические каркасы. Это пористые полимеры высокой степени кристалличности, то есть они очень упорядоченные – буквально «кирпичик к кирпичику». А полимеры, которые получал я в Китае вместе с коллегами, аморфные. Их структура очень не упорядочена. Проще говоря, все фрагменты просто сцеплены случайным образом. Структура ковалентных органических каркасов, напротив, всегда ровная. Поэтому самая большая сложность состоит в их получении. В целом получение большого кристалла – непростая задача для неорганической химии. А чтобы получить кристалл на основе органических соединений требуется от 3 до 7 дней и соблюдение определённых условий. Поэтому сейчас перед нами стоят две главные задачи – научиться создавать большие пористые кристаллы и получать их как можно быстрее.

− Что это привнесет в науку и промышленность? Более качественные материалы?

− В том числе. Например, сегодня некоторые высококристаллические соединения используются в лазерных и сенсорных установках. Также они могут использоваться в различных газоразделительных процессах, например, когда необходимо в воздухе отделить азот от кислорода или других газов.

− У вас есть и международный научный опыт, и опыт работы в отечественной структуре. Какой совет вы бы дали молодым студентам, которые только начинают путь в науку? На что стоит обратить внимание и как добиться высоких результатов?

− Я бы сказал, что в первую очередь необходимо учить язык. Сегодня это главное, поскольку качественная научная литература публикуется на английском языке. Как и многие учебники. Это объективный факт: английский – это международный язык, и поэтому все учёные, в первую очередь, стараются публиковать результаты своей работы на английском языке. В Китае, кстати сказать, с этим тоже большая проблема, как и в России. Китайцы очень плохо говорят по-английски. А учить при этом не хотят. У нас то же самое.

Но без знания языка вы не сможете нормально участвовать ни в одной международной конференции, не напишете хорошую статью и не опубликуете её в международном журнале. Поэтому первостепенная задача – выучить английский язык. После этого всё сложится.

− Что для вас химия?

− Я занимаюсь химией с шестого класса. Поэтому для меня химия – это, можно сказать, почти вся моя сознательная жизнь. Химия всегда меня привлекала, поэтому я продолжил изучать её в университете, а дальше − в аспирантуре. Мне нравится проводить новые опыты. Я могу сидеть целыми сутками в поисках новых научных статей, зачитываться ими. И появляется миллиард идей в голове, которые срочно надо переносить на бумагу, иначе потом все забудется и пропадет.

− В чем главная прелесть химии? Почему она вас так привлекла в свое время и до сих пор вдохновляет?

− Благодаря химии можно создавать нечто новое, уникальное, а главное полезное. А результат своей работы можно буквально увидеть, пощупать руками. Химия – это возможность создавать нечто полезное не на словах, а на деле.

Название видео

Что такое полимеры и мономеры?

Одним из важнейших направлений в органической химии является изучение и создание полимерных материалов, из которых сегодня изготавливается множество изделий бытового и промышленного назначения.

Это сложная тема, но разобраться в ней хотя бы в общих чертах необходимо, чтобы лучше понимать свойства и особенности разных видов полимеров.

Что такое мономеры?

В органической химии мономерами принято называть атомы, группы атомов либо небольшие молекулы, которые способны образовывать устойчивые полимерные цепочки. Слово образовано от двух греческих: «моно» – один, единичный, и «мерос» – часть. Чаще всего в качестве мономеров выступают органические вещества – этилен, ацетилен, алкены и т.д.

В качестве примера натуральных мономеров можно вспомнить аминокислоты, которые, полимеризуясь, образуют сложные белковые молекулы. Находящиеся в клеточном ядре нуклеотиды образуют чрезвычайно важные естественные полимеры – нуклеиновые кислоты РНК и ДНК. Но подавляющее большинство полимеров, используемых современной промышленностью, получены всё же путём органического синтеза на химических предприятиях, из акриламида и акриловой кислоты, этилена и ацетилена, винила хлорида и др.

Что такое полимеры?

Слово «полимер» получено из греческих слов «поли» – много и «мерос» – часть. Это химическое вещество, преимущественно органическое, молекула которого состоит из большого количества одинаковых молекулярных отрезков-мономеров.

Полимеры часто называют высокомолекулярными соединениями (ВМС), так как их молекулярный вес чрезвычайно высок и достигает сотен тысяч и даже миллионов единиц. Полимеры образуются в результате химических реакций поликонденсации и полимеризации.

Существует три типа формирования полимерных молекул:

– линейный, когда мономерные отрезки соединены друг с другом в виде длинной цепи двумя связями;

– сетчатый, когда макромолекула образует сетчатую структуру, а каждый мономер связан с другими при помощи трёх или четырёх связей;

– разветвлённый, сочетающий в одной молекуле двухвалентные (с двумя связями) и трёх-четырёхвалентные мономеры.

Линейные и разветвлённые полимеры могут образовывать эластичные плёнки и анизотропные волокна, тогда как сетчатые полимеры отличаются высокой прочностью, твёрдостью и достаточно высокой термоустойчивостью. Но сильный нагрев, до температуры плавления, разрушает сетчатую структуру, после чего она не восстанавливается.

Если же нагревать линейный или разветвлённый полимер, то он превращается в пластичную массу, а после застывания восстанавливает свои свойства, поэтому они пригодны для многоразового использования.

Получение полимеров химическим путём

Полимеры образуются из отдельных мономеров в ходе процессов поликонденсации либо полимеризации. Поликонденсация возможна для мономеров, состоящих из двух или нескольких атомных групп. В макромолекуле полимера, как правило, элементарное звено отличается по составу от исходного мономера.

В ходе реакции некоторые атомы теряются, и из них образуется, помимо полимера, другое вещество. Ярким примером служит поликонденсация капрона из аминокапроновой кислоты, протекающая с выделением молекул воды из «потерянных» атомов водорода и гидроксильной группы.

В процессе полимеризации единичные мономеры соединяются в молекулу полимера целиком, без потери атомов. При этом кратные связи в молекулах мономера преобразуются в одинарные, а валентные электроны вторых связей служат для установления связей между молекулами мономеров. Именно так из этилена образуется полиэтилен.

Природные и синтетические полимеры

Некоторые виды полимеров образуются естественным путём. Примерами натуральных полимеров могут служить таким распространённые вещества, как целлюлоза, крахмал, волокна шерсти, шёлка или хлопка, натуральный каучук, а также все виды белковых соединений.

Большинство видов полимеров получают искусственным путём в ходе полимерного синтеза из дешёвых и доступных видов органического сырья – каменного угля, природного газа, различных фракций нефти и т.д. Это разнообразные пластмассы, синтетические волокна, вспененные материалы, синтетический каучук и т.д.

Многие синтетические полимеры по прочности, химической стойкости, водонепроницаемости и ряду других важных свойств существенно превосходят натуральные материалы. Кроме того, в производстве полимеры намного дешевле природных материалов, поэтому их широко используют во всех сферах промышленности и быта.

Пластмассы и природные полимеры

Полимеры состоят из небольших молекул, соединенных в длинные цепи. Пластмасса и синтетические волокна. например нейлон, — полимеры, полученные из содержащихся в нефти соединений. Помимо синтетических, существуют природные полимеры — резина, крахмал, шерсть, шелк и даже волосы человека. Пластик может принимать любую форму благодаря формовке.

Как делают пластмассу

Пластмассы — это синтетические полимеры, состоящие из органических соединений, входящих в состав нефти. Множество пластмасс, включая полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол получают из этилена — одного из алканов. Полиэтилен и полистирол можно расплавить и затем делать из них посуду. В тонкие листы полиэтилена упаковывают продукты.

Этилен — ненасыщенное соединение т.е. в нем есть двойные ковалентные связи, по которым могут присоединяться новые атомы. Термин «двойная связь» означает, что у двух атомов есть две общие пары электронов. В состав молекулы этилена (C₂H₄) входят два атома углерода, соединенные двойной ковалентной связью. Двойная связь может открыться и присоединить новые атомы. При нагревании, высоком давлении и в присутствии катализатора молекулы этилена могут реагировать друг с другом. При этом двойные связи раскрываются, атомы углерода соединяются и образуют длинные цепочки — огромные молекулы полиэтилена. Такое соединение молекул называется полимеризацией. Небольшие молекулы, из которых состоит молекула полимера, называются мономерами. Гигантская молекула полиэтилена может содержать до 20 000 атомов углерода. При замене некоторых атомов в мономерах на другие можно получать разные виды пластмасс. Поливинилхлорид (ПВХ) образуется при замещении атомов водорода в этилене атомами хлора: при этом образуется хлорэтилен. Молекула ПВХ состоит из длинной цепочки мономеров – молекул хлорэтилена.

Пластмассы делятся на две группы. Термопластичные пластмассы можно расплавить и использовать вновь, а термореактивные расплавить вновь нельзя. В термопластичных пластмассах полимерные цепочки не связанны между собой. В термореактивных пластмассах полимерные цепи жестко связаны друг с другом. Термопластичные пластмассы – такие, как полиэтилен, полистирол, нейлон, — гибкие, но не термостойкие. Эти пластмассы можно перерабатывать по нескольку раз, но пока это мало применяется. Термореактивные пластмассы используются только один раз. Они имеют жесткую структуру, они тверды и теплостойки. Эбонит, из которого делают посуду, относится к термореактивным пластмассам.

Синтетические волокна

Из некоторых пластмасс, например из нейлона, полистирола и акрила, можно делать волокна. Их можно прясть, как шерсть и хлопок, делать из них одежду ковры, веревки и прочные ткани для парусов и парашютов. Синтетические волокна, например лайкра, гладкие и легкие. Они помогают уменьшить вес и трение, что важно для танцоров и спортсменов. Синтетические волокна прочнее и легче натуральных — шерсти, хлопка. К тому же из синтетических волокон, в отличие от натуральных, можно сделать очень длинные нити.

Свойства пластмасс

Здесь вы найдете описание множества полезных свойств пластмасс. Некоторые свойства пластмасс создают трудности. Пластмассы не подвержены гниению и коррозии, поэтому их нелегко уничтожить, а некоторые из них при горении выделяют ядовитые газы. Впрочем, сейчас уже разработаны новые сорта пластмасс, поддающихся биологическому разложению. Первые пластмассы были получены более 170 лет назад. Тогда был создан целлулоид, а позднее – бакелит. В начале XX века из бакелита делали корпуса радиоприемников и телефонов. Сейчас телефоны не делают из бакелита, а из значительно более легких материалов. Полиэтилен, полистирол и нейлон появились в 1930 годах. В упаковке из полистирола еда долго не остывает. Пенополистирол — прекрасный изолятор, к тому же он очень легок. Из него делают упаковки для продуктов и бьющихся приборов. Современные паруса делают из чрезвычайно прочных и легких синтетических волокон, например майлара. Тефлон (политетрафторэтилен) делает поверхность сковородок гладкими, и к ним ничего не прилипает. Компакт-диски делают из поликарбоната. Затем их покрывают тонким слоем алюминия. Пластмассы не проводят электричество, поэтому из них делают вилки и розетки, а также изоляцию для проводов. В аэрокосмической промышленности используются композитные материалы – пластмассы, укрепленные стеклянным волокнами.

Природные полимеры

До изобретения пластмасс в текстильной промышленности использовались природные полимеры – шерсть, хлопок, джут. Молекулы природных полимеров, как и пластмасс, представляют собой длинные цепочки более простых молекул. Белки – тоже природные полимеры. ДНК, вещество, из которого состоят хромосомы, — природный полимер. Хромосомы находятся в составе ядер живых клеток. В них записана генетическая информация организма. Резину делают из природного полимера под названием латекс, млечного сока коры каучуконосных растений. После вулканизации — нагревания в присутствии серы — резина становится прочной. Вулканизация используется при производстве автомобильных шин.

Общая характеристика полимеров и их классификация

Полимерами называют соединения, макромолекулы которых состоят из атомных группировок мономеров, последовательно связанных в виде цепи. Цепное строение макромолекул предопределяет повышенную прочность связей между ними, что обеспечивает возможность образования волокон и пленок. Другое свойство макромолекул – гибкость – обуславливает эластичность полимеров, т.е. способность к значительным, многократным, обратимым деформациям под действием малых нагрузок.

Вследствие большой молекулярной массы и цепного строения растворы полимерных соединений обладают высокой вязкостью. Часто достаточно нескольких процентов растворяемого вещества, чтобы раствор потерял текучесть.

Наряду с химическим составом важнейшей характеристикой высокомолекулярных соединений (ВМС) является молекулярная масса и степень полимеризации, равная числу повторяющихся звеньев цепи. Полимеры, как правило, состоят из макромолекул разной массы. Это принципиальное, присущее только полимерам свойство называется полидисперсностью или полимолекулярностью. Молекулярно-массовыми характеристиками полимеров являются средние молекулярные массы и функции распределения по этому показателю. Среднечисловая молекулярная масса Мn полимеров вычисляется как отношение суммарной массы макромолекул к их общему числу n.

Зависимость агрегатного состояния вещества при различной температуре Т от его молекулярной массы М.

Эластическое состояние. Характеризуется наличием больших обратимых деформаций (например, каучук при растяжении может увеличиваться на 700-800%, а после снятия нагрузки вернуться к первоначальному состоянию). При этом перемещаются лишь сегменты макромолекул без изменения взаимного расположения последних.

Стеклообразное состояние. Это твердое состояние аморфных полимеров. Переход полимеров из высокоэластического или вязкотекучего состояния в стеклообразное, наблюдаемый при понижении температуры или повышении давления, называется стеклованием (прекращение теплового движения сегментов). Температурный интервал, при котором происходит постепенный переход полимера из эластического в стеклообразное состояние (и наоборот) называется интервалом стеклования.

Вязкотекучее состояние. Это состояние, для которого характерны необратимые деформации, т.е. течение. В процессе течения сегменты перемещаются в одном преимущественном направлении, что приводит к поступательному движению макромолекулы в целом. Это состояние полимеров исключительно важно с точки зрения переработки их в изделия. Все современные методы переработки термопластов (экструзия, литье под давлением, вакуум-формование и др.) связаны с переводом полимера в расплав.

Кристаллическое состояние. Под кристаллической структурой полимера понимают взаимное расположение в пространстве структурных элементов, их строение и взаимодействие между собой. Регулярная структура, или определенный дальний порядок в расположении макромолекул, наблюдается лишь в кристаллических полимерах. Для аморфных полимеров характерен только ближний порядок, т.е. наличие отдельных областей с более или менее упорядоченным расположением отрезков макромолекул. Процесс кристаллизации и конечная структура полимера зависят от следующих факторов: молекулярная масса; концентрация раствора полимера; температура кристаллизации и др.

Сложившаяся классификация полимеров основана на нескольких признаках: природе атомов основной цепи и полимера в целом; количестве и распределении повторяющихся звеньев; строении основной цепи и конфигурации повторяющегося ее участка; механических свойствах.

Полимеры бывают синтетические и натуральные. Последние могут быть модифицированы химическими способами обработки. По химическому составу синтетические полимеры делятся на органические, неорганические и элементорганические.

Органические полимеры содержат углеродные связи и функциональные группы, включающие атомы азота, кислорода, галогенов. Карбоцепными органическими полимерами являются, в частности, полиолефины и полимеры виниловых мономеров.

Неорганические полимеры не содержат углеродых связей в основной цепи. К типичным гомоцепным полимерам относятся линейные модификации серы и селена, к гетероцепным — полифосфонитрилхлорид.

В элементорганических полимерах имеются как органические, так и неорганические группы.

С точки зрения природы атомов основной цепи полимеры делятся на гомо- и гетероцепные. В гомоцепных полимерах цепь построена из одинаковых атомов, например в карбоцепных полимерах из атомов углерода. Основная цепь гетероцепных полимеров содержит разные атомы.

Полимеры, макромолекулы которых построены из повторяющихся звеньев одного типа, называются гомополимерами (полимерами). В сополимерах макромолекулы образованы мономерными звеньями нескольких типов, чаще всего двух.

Сополимеры, содержащие повторяющиеся звенья двух типов (условно А и В), имеют следующую классификацию:

С точки зрения строения основной цепи макромолекулы сополимеров подразделяются на линейные, двухтяжевые (две параллельные цепи, скрепленные между собой), разветвленные и сшитые (сетчатые).

Классификация полимерных материалов по химическому составу

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из повторяющихся звеньев. Целлюлозу, каучук, крахмал, белок относят к природным высокомолекулярным соединениям. Развитие органической химии позволило получать искусственные полимерные вещества синтезом. Углеводородная молекула мономер с линейной, циклической или комбинированной структурой представляют звено в цепи. Синтез полимера происходит в результате реакций полимеризации и поликонденсации. Заряженная частица, радикал, соединяется с подобными, образуя цепь. Она может быть линейной или с разветвлениями. Развивается реакция полимеризации, молекула растет, и количество звеньев в ней измеряется тысячами.

Определение вида пластмассы

Химических соединений с двойными связями много, их необходимо классифицировать по основным признакам, разделить на группы. Для синтеза подходят вещества, легко образующие радикалы. Чем меньше затрачивается энергии, тем выгоднее производство полимера. Синтезу лучше поддаются линейные молекулы с двойной связью между углеродом, бензольные кольца. В первичной молекуле могут быть галогены, кислотные остатки. Каждый мономер обладает собственными характеристиками. Синтезом получают вещества, превосходящие по отдельным свойствам традиционные материалы.
Определить химическую основу полимера можно нагреванием образца в открытом пламени. Термопласты доводятся до текучего состояния, реактопласты остаются твердыми.
Определение состава пластмассы нагреванием:

Формальдегидные реактопласты сохраняют форму. Появляется сопутствующий запах аммиака, рыбы, фенола в зависимости от состава смолы.
Образец горит в пламени, но затухает. Так ведут себя хлорсоединения, выделяя резкие запахи жженой резины, хлора. Пахнет горелым молоком – казеин, уксусом – ацетилцеллюлоза.
Образец продолжает гореть после вынесения из пламени – производные целлюлозы, полиэтилен, полипропилен, полиамид.
Самовозгорание свойственно полистиролу, нитроцеллюлозе.

Химический состав полимеров

Синтез макромолекул с повторяющими звеньями возможен с участием органических и неорганических радикалов. Третью группу составляют комбинированные полимеры из углеводородов, с включением в структуру неорганического иона металла или галогена. В результате полимеризации получаются кремний-, боро- , хлор-, фосфороорганические полимеры. Классификация полимерных материалов по химическому составу необходима. Распределение макромолекулярных структур по группам позволяет подобрать соединение, отвечающее условиям эксплуатации.
Длина цепочки повторяющихся звеньев определяется по молекулярной массе (ММ) вещества. Классификация молекул по количеству радикалов в макромолекуле:

Мономеры – ММ соответствует весу простой молекулы, лежащей в основе синтеза.
Олигомеры – ММ до 540
Полимеры – цепочки линейные и с разветвлениями содержащие до 500000 звеньев (n).
Сверхвысокомолекулярные – сетчатые и сшитые макромолекулы, n=>500 000

Органические полимеры

Различают органические полимеры натурального происхождения – крахмал, целлюлоза, каучук. Модифицированные продукты, например, резина. Синтетические соединения, полученные методом полимеризации.
Структура органических полимеров может содержать кислород, серу, азот, но в основной молекуле обязательно присутствует не менее двух атомов углерода, с двойной связью. К группе относят смолы, каучуки и полимеры из газовых продуктов крекинга нефти, каменного угля и природного газа. Макромолекулы на основе синтеза этилена, пропана, бутана, стирола принадлежат к самой большой группе композитных полимеров. Физико-химические свойства продуктов в группе зависят от длины и строения цепи, технологии получения полимера.

Неорганические полимеры

Определяющим свойством неорганических полимеров является химическая стойкость и возможность их применения в большом диапазоне температур.
Природные и синтетические углеродные полимеры представлены древесным и каменным углем, графитом, алмазами и искусственными углеродными волокнами, придающими материалу механическую стойкость и малое омическое сопротивление. Углеродное стекло – пластмасса повышенной твердости с зеркальной поверхностью.
Оксиды кремния, алюминия и других металлов являются главными компонентами земной коры, их строение – многомерные кристаллы. Макромолекулы с ионами S, Se, Te образуют только линейные цепи. Синтезированные полимеры используют в соответствии полученным свойствам.

Элементорганические полимеры

Так называют пластмассы, представленные углеводородными звеньями и неорганическими фрагментами на основе ионов металлов, галогенов. Соединения образуются в результате реакции поликонденсации, полимеризации и совмещения обоих процессов. Структура мономера в цепи может выглядеть так:

[ -P(OR)2=N-]n – основная цепь –неорганические звенья, обрамленные углеводородными.
[-Si(R)2-Ch3-]n – в радикале чередуются ионы углерода с другими элементами.
[-Ch3-CH(SiR3)-]n –органическая цепь, основа, обрамленная неорганическими радикалами.

Наибольшее практическое значение имеют сложные двухкомпонентные соединения с включением фосфора, кремния и бора в макромолекулы. Синтезированные полимеры обладают специфическими свойствами. Одни термостойкие, другие имеют высокую проводимость, применяются как полупроводники, третьи отличаются твердостью алмаза в сочетании с хорошей эластичностью. Область применения ВМС соединения зависит от полученных химических характеристик продукта.

Экологическое направление синтеза полимеров

Искусственные материалы стареют, не все из них годятся для вторичной переработки. Современное решение экологической проблемы – создание новых полимеров, рассчитанных на самоуничтожение. Одним из таких материалов является искусственный хитин.

Разработаны бессточные методы производства, позволяющие исключить промывку конечного продукта водой. Для биоразложения композитных полимеров используется крахмал и перекисные компоненты. Добавки ускоряют окисление и распад макромолекул.

Какие вещества называют полимерами | Polimer Info

Обычно при слове «полимеры» мы сразу представляем искусственные материалы, синтезированные промышленностью. Однако полимеры могут быть и естественными, природными. Для начала надо разобраться в происхождении слова. Оно состоит из двух греческих слов: «поли» — много и «мерос» — часть.

Характеристики полимеров

В химии под полимерами подразумевают устойчивые высокомолекулярные соединения. Обычно они отвечают нескольким требованиями:

молекулы таких веществ состоят из множества отрезков-мономеров;
имеют высокий молекулярный вес;
образуются путем полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация протекает без потери атомов. Так из этилена получается полиэтилен. При поликонденсации отдельные атомы теряются.

Способ образования молекул

Существует три способа, которыми формируются молекулы со множеством структурных звеньев:

Сетчатый. В этом случае в макромолекуле формируется особая структура. Каждое звено-мономер в ней связано с соседними с помощью 3-4 связей.
Линейный. Мономеры соединяются с помощью 2 связей в длинную цепочку.
Разветвленный. Это самый сложный вид образования, он сочетает в молекулярной структуре двух-, трех- и четырехвалентные мономеры.

Органические и неорганические

Полимеры могут быть органическими. Самый простой пример — белковые соединения, ДНК и РНК, крахмал, волокна хлопка и шелка. Однако многие соединения образуются искусственным путем. Из искусственных полимеров сразу вспоминаются различные пластмассы, синтетические волокна.

Такие изделия по своим свойствам превосходят натуральные. Преимуществом синтетических полимеров является и более низкая стоимости такой продукции. Изделия используются не только в научных целях — искусственные материалы широко применяются в быту.

1. Молекулярная структура и основные свойства пленкообразующих веществ

Большинство пленкообразующих веществ относится к олигомерам и полимерам.

Олигомеры – полимеры низкой молекулярной массы (обычно не более нескольких тысяч). Олигомерами часто называют полимеры со степенью полимеризации меньше той, при которой начинают проявляться специфические свойства полимера, связанные с гибкостью его макромолекул. Важное значение имеют олигомеры, которые содержат функциональные группы, обуславливающие способность молекул олигомера соединяться друг с другом с образованием длинных молекулярных цепей или трехмерных сетчатых структур (феноло-формальдегидные смолы в стадии резола, смолы эпоксидные, полиэфиракрилаты, которые полимеризуются за счет концевых двойных связей, и др.).

Полимеры – высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев с молекулярной массой, составляющей величину от нескольких тысяч до нескольких миллионов. В состав молекул высокомолекулярных соединений (макромолекул) входят сотни и тысячи атомов, связанных друг с другом силами главных валентностей.

Говоря о структурной формуле макромолекул, отметим, что атомы или атомные группировки в молекуле высокомолекулярного соединения могут располагаться либо в виде длинной цепи (линейные, например целлюлоза), либо в виде длинной цепи с разветвлениями (разветвленные, например амилопектин), либо, наконец, в виде трехмерной сетки, состоящей из отрезков цепного строения (сшитые). Примером сшитых высокомолекулярных соединений являются фенолоальдегидные смолы.

Если молекулярные цепи макромолекул состоят из большого числа повторяющихся группировок – звеньев, имеющих одинаковое строение, то такие высокомолекулярные соединения называют полимерами; если содержат несколько типов повторяющихся группировок – сополимерами – А – Б – А – Б -.

В зависимости от химического состава основной цепи высокомолекулярные соединения делятся на гетероцепные, в основной цепи макромолекул которых содержатся атомы различных элементов (углерода, азота, кремния, фосфора), и гомоцепные, макромолекулярные цепи которых построены из одинаковых атомов, основное место среди них занимают карбоцепные полимеры (главные цепи макромолекул состоят только из атомов углерода). Если макромолекулы полимера наряду с атомами углерода содержат атомы неорганических элементов, то они называются элементоорганическими.

Химическое строение некоторых представителей полимеров выглядит так:

… –
СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – …

фрагмент карбоцепного полимера (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полиметилметакрилат, поливиниловый спирт и др.).

К полимерам гетероцепного класса относятся многочисленные простые и сложные полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, природные белки и т. д., а также большая группа элементоорганических полимеров:

… –
СН2 – СН2 – О – СН2 – СН2 – О – СН2 – СН2 – О –

полиэтиленоксид (простой эфир)

полиэтилентерефталат (сложный полиэфир)

полиамид

полидиметилсилоксан (элементоорганический полимер)

полифосфонитрилхлорид (неорганический полимер).

Еще один класс полимеров – это высокомолекулярные соединения с сопряженной системой связей: различные полиацетилены, полинитрилы, полифенилены, полиоксадиазолы и многие другие соединения. Например,

… – СН = СН – СН = СН – СН = СН -…

полиацетилен

полифенилен

полиоксадиазол

К этому же классу относится группа хелатных полимеров, в состав которых входят различные элементы, способные к образованию координационных связей (они обычно обозначаются стрелками). Элементарное звено таких полимеров часто имеет сложное строение:

Свойства хелатных полимеров изучены еще недостаточно, но, несомненно, они очень интересны с многих точек зрения.

В зависимости от формы макромолекул высокомолекулярные соединения делятся на фибриллярные и глобулярные. У фибриллярных полимеров молекулы по форме представляют собой линейные или слабо разветвленные цепи. Фибриллярные высокомолекулярные соединения легко образуют надмолекулярные структуры в виде асимметричных пачек молекул – фибрилл. Цепи молекул внутри каждой фибриллы ориентированы в одном и том же направлении (целлюлозные волокна, полиамиды и др.).

Глобулярными называют высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых имеют форму более или менее шарообразных клубков, глобул, последней может быть сильно разветвленная макромолекула. Разрушение такой глобулы невозможно без химической деструкции макромолекулы. Возможно также образование глобул у фибриллярных высокомолекулярных соединений, связанное с изменением формы их молекул.

Отдельная глобула может быть образована гибкой линейной макромолекулой, свернувшейся в клубок под влиянием сил внутримолекулярного взаимодействия.

Строение полимеров в виде длинных макромолекул, звенья которых связаны химическими связями вдоль цепи макромолекул, доказано различными способами. Одним из мощных методов анализа химического строения молекул является метод рентгеноструктурного анализа. С помощью этого метода можно определять расстояние между центрами масс соседних атомов, связанных как химически, так и межмолекулярными (физическими) связями. Поскольку длины химических связей в низкомолекулярных кристаллических веществах хорошо известны, можно, проведя рентгеноструктурный анализ ориентированных полимерных систем, находящихся в кристаллическом состоянии, определить, какие из атомов расположены на расстоянии друг от друга, равном длине химической связи, а какие – на большем расстоянии, т. е. химически не связаны. Этим путем и было установлено наличие химических связей вдоль цепи макромолекулы и межмолекулярных связей у соседних атомов как внутри цепи, так и между соседними цепями.

Следует отметить, что наличие множества звеньев в макромолекуле обуславливает разнообразие химического строения полимеров. Например, каждое звено в процессе элементарного акта роста цепи может присоединяться к соседнему звену по-разному – «голова к голове», «хвост к хвосту» или «голова к хвосту». Различные варианты присоединения звена к растущей макромолекуле возможны для несимметричных мономеров типа

У таких мономеров возможны варианты «голова к голове»:

и «голова к хвосту»:

Возможно и чередование типов присоединения. Таким образом, полимер содержит не макромолекулы строго одинакового химического строения, а смесь изомерных макромолекул, что и отличает его от чистых низкомолекулярных веществ, построенных из одинаковых молекул.

В ряду замещенных предельных углеводородов с возрастанием числа углеродных атомов количество возможных изомеров быстро увеличивается. А когда число звеньев достигает десятков или сотен тысяч, то количество возможных изомеров будет выражаться астрономическими числами.

Полимеры, построенные из звеньев с регулярно чередующимся направлением заместителей, получили название стереорегулярных.

Если заместители расположены по одну сторону плоскости главных связей, стереорегулярные полимеры называются изотактическими, если по обе стороны – синдиотактическими.

Если заместители располагаются беспорядочно по обе стороны плоскости главных связей, их называют нерегулярными или атактическими:

Еще сложнее строение полимеров, полученных из дизамещенных мономеров, поскольку уже в самом мономере заместители могут располагаться по одну сторону первичных связей (цис-изомер) или по обе стороны (транс-изомер):

цис- транс-

Синтез макромолекул из цис-изомеров приводит к получению эритродиизотактических полимеров:

а из транс-изомеров – треодиизотактических полимеров:

Все изменения в химическом строении полимера влекут за собой изменение свойств материалов на их основе.

Вопросы, связанные со стереорегулярностью построения макромолекулярных цепей, очень интересны, но и не менее сложны, привлекают внимание исследователей многие годы. Материалы на основе стереорегулярных полимеров по свойствам сильно отличаются от материалов, созданных из нерегулярных полимеров. Они легко кристаллизуются, обеспечивая регулирование их физической структуры и свойств, а также расширяются температурные границы работоспособности. Классический пример «сшитого» полимера – отвержденные эпоксидные смолы:

Если все главные цепи в блоке полимерного материала связаны между собой пространственными связями или цепочками, блок можно рассматривать как одну гигантскую макромолекулу.

Сейчас установлено, что структурированные полимеры типа фенолоформальдегидных и эпоксидных смол вовсе не образуют правильную пространственную сетку с последовательным чередованием звеньев и сшивок. Блок такого пространственно-структурированного полимера часто построен из глобул, образующихся уже в процессе синтеза смол. Возникающие на первой стадии синтеза глобулярные образования растворяют мономер, и дальнейший процесс конденсации состоит в наращивании размеров глобул. На конечной стадии процесса глобулы содержат большое количество макромолекул. Это не мешает последующей химической связи между отдельными скрученными цепями.

Существует несколько основных способов получения сетчатых полимеров:

1. Проведение химической реакции между двумя (или более) различными функциональными концевыми группами, присоединенными к цепи небольшой молекулярной массы. В результате формируется частая сетка с короткими цепями между узлами сшивки.

2. Химическое связывание высокомолекулярных соединений по концевым группам с помощью низкомолекулярного сшивающего агента. В результате формируется редкая сетка с протяженными линейными фрагментами между узлами сшивки.

3. Образование сетки за счет сополимеризации двух – и полифункциональных мономеров. Примером такой сетки является система стирол – дивинилбензол:

4. Вулканизация полимерных цепей путем вовлечения в реакцию функциональных групп, расположенных вдоль основной цепи. Реакция проводится либо при использовании низкомолекулярного сшивающего агента, либо за счет радиации и других типов воздействия на функциональные группы.

5. Образование сеток за счет реакции двух (или более) разнородных полимеров по функциональным группам, расположенным вдоль цепи каждого из полимеров (т. е. в повторяющихся звеньях, а не по концам).

6. Синтез полимерных сеток с помощью реакции полициклотримеризации. Для этого используются олигомеры с концевыми группами, способными к образованию циклов в ходе реакции. Например, тримеризация бифункциональных олигомеров (или мономеров), содержащих цианатные концевые группы:

Возможны и другие пути получения полимерных сеток.

Относительно новым типом полимеров являются «интерполимеры», под которыми подразумевают систему, построенную из двух (или более) разнородных по химическому строению макромолекул, химически связанных между собой за счет функциональных групп, расположенных в повторяющихся звеньях каждой макромолекулы. Схематически это показано на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение макромолекулы интерполимера

Конкретный пример такой системы – продукт взаимодействия полистирола с политрихлорбутадиеном:

Получение интерполимеров позволяет открывать возможности модификации структуры и свойств полимеров.

Таким образом, согласно современным представлениям о структуре и свойствах полимеров, структура полимера начинается уже с формы макромолекулы и ее расположения в пространстве. Макромолекула всегда является первичным элементом любой структуры (так же, как элементарное звено – первичный элемент химического строения цепи).

В лакокрасочной технологии химические процессы, приводящие к образованию пространственных полимеров, занимают особое место и являются важным приемом получения покрытий с заданными свойствами. Так, химическому отверждению при пленкообразовании подвергаются алкидные, феноло – и аминоформальдегидные, эпоксидные, полиуретановые и другие по молекулярной массе и свойствам пленкообразователи.

Перевод пленкообразователей в состояние «сетчатого» полимера пространственного строения приводит к улучшению атмосферо-, водо-, масло – и теплостойкости, твердости и прочности, адгезии и др.

Все термореактивные пленкообразователи содержат реакционноспособные группы, но в некоторых случаях для образования пространственного полимера необходим дополнительный реагент – отвердитель, как бы «сшивающий» макромолекулы между собой.

Чрезмерная частота межмолекулярных связей приводит к увеличению хрупкости и склонности пленки к растрескиванию, обусловленной возрастанием внутренних напряжений. Поэтому частоту связей регулируют путем изменения режима отверждения (температуры, длительности), числа функциональных групп пленкообразователя, а также природы и содержания отвердителя.

Полимеры

Пользовательский поиск

дальше к сложным эфирам обратно к органическим связям

Полимеры представляют собой вещества с высокой молярной массой и состоят из большого количества повторяющихся единиц. Существуют как природные, так и синтетические полимеры. Среди встречающихся в природе полимеров – белки, крахмалы, целлюлоза и латекс.Синтетические полимеры производятся в промышленных масштабах в очень больших масштабах и имеют широкий спектр свойств и применений. Все материалы, обычно называемые пластиками, представляют собой синтетические полимеры.

Полимеры образуются в результате химических реакций, в которых большое количество молекул, называемых мономерами, последовательно соединяются, образуя цепь. Во многих полимерах используется только один мономер. В других случаях можно комбинировать два или три разных мономера. Полимеры классифицируются по характеристикам реакций, в которых они образуются.Если все атомы в мономерах включены в полимер, полимер называется аддитивным полимером . Если некоторые из атомов мономеров выделяются в небольшие молекулы, такие как вода, полимер называется конденсационным полимером . Большинство аддитивных полимеров состоит из мономеров, содержащих двойную связь между атомами углерода. Такие мономеры называются олефинами, и большинство коммерческих аддитивных полимеров представляют собой полиолефины. Конденсационные полимеры состоят из мономеров, которые имеют две разные группы атомов, которые могут соединяться вместе, образуя, например, сложноэфирные или амидные связи.Полиэфиры являются важным классом коммерческих полимеров, как и полиамиды (нейлон).

Силикон Силикон

Полиэстер – одежда (дакрон)

Полиамидные нейлоны

Полиуретановые пены

Полиацеталы – инженерные пластмассы

Силиконы – силиконы, теплообменные жидкости

Полиангидрид – не широко используемые

покрытия

Полимеры целлюлозы – древесина, растительные волокна, хлопок, лен, крахмалы, хлопковые волокна

Другие синтетические полимеры

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) или полиэтилентерефталат, представляет собой конденсированный эфир полиэтилентерефталата полимер про полученный из мономеров этиленгликоль, HOCH ₂ CH ₂ OH, диалкогольный спирт и диметилтерефталат, CH ₃ O ₂ C – C ₆ H ₄ –CO ₂ CH ₃, диэфир.В процессе переэтерификации эти мономеры образуют сложноэфирные связи между собой, давая полиэфир. Волокна ПЭТФ производятся под торговыми марками Dacron и Fortrel. Складки и складки можно постоянно термофиксировать на тканях, содержащих полиэфирные волокна, так называемых тканях для перманентного прессования. ПЭТФ также можно формовать в виде прозрачных листов и отливок. Майлар – торговое название пленки из ПЭТФ. Прозрачные двухлитровые бутылки для газированных напитков производятся из ПЭТФ. (Непрозрачная основа некоторых бутылок обычно изготавливается из полиэтилена высокой плотности.) Одна из форм ПЭТЭ – самый твердый из известных полимеров, который используется в очковых линзах.

ПОЛИЭТИЛЕН

Полиэтилен, пожалуй, самый простой полимер, состоящий из цепочек повторяющихся звеньев –CH ₂ -. Его получают аддитивной полимеризацией этилена, CH ₂ = CH ₂ (этен). Свойства полиэтилена зависят от способа полимеризации этилена. При катализе металлоорганическими соединениями при умеренном давлении (от 15 до 30 атм) продукт представляет собой полиэтилен высокой плотности, HDPE.В этих условиях полимерные цепи вырастают до очень большой длины, а молярные массы составляют в среднем несколько сотен тысяч. HDPE твердый, прочный и эластичный. Большая часть полиэтилена высокой плотности используется при производстве емкостей, таких как бутылки для молока и кувшины для стирального порошка. Когда этилен полимеризуется при высоком давлении (1000–2000 атм), повышенных температурах (190–210 ° C) и катализируется пероксидами, продукт представляет собой полиэтилен низкой плотности, LDPE. Эта форма полиэтилена имеет молярную массу от 20 000 до 40 000 граммов. LDPE относительно мягкий, и большая часть его используется в производстве пластиковых пленок, таких как те, которые используются в пакетах для сэндвичей.

ПОЛИВИНИЛХЛОРИД

Полимеризация винилхлорида, CH ₂ = CHCl (хлорэтилен), дает полимер, подобный полиэтилену, но имеющий атомы хлора у альтернативных атомов углерода в цепи. Поливинилхлорид (ПВХ) жесткий и несколько хрупкий. Около двух третей ежегодно производимого ПВХ используется в производстве труб. Он также используется при производстве «винилового» сайдинга для домов и прозрачных пластиковых бутылок. Когда он смешивается с пластификатором, таким как сложный эфир фталевой кислоты, ПВХ становится пластичным и используется для образования гибких изделий, таких как плащи и занавески для душа.

ПОЛИПРОПИЛЕН

Этот полимер получают аддитивной полимеризацией пропилена, CH ₂ = CHCH ₃ (пропен). Его молекулярная структура аналогична структуре полиэтилена, но имеет метильную группу (–CH ₃) на альтернативных атомах углерода в цепи. Его молярные массы находятся в диапазоне от 50 000 до 200 000 граммов. Полипропилен (ПП) немного более хрупкий, чем полиэтилен, но размягчается при температуре примерно на 40 ° C выше.Полипропилен широко используется в автомобильной промышленности для внутренней отделки, например, приборных панелей, и упаковки пищевых продуктов, например контейнеров для йогурта. Он формируется в волокна с очень низкой абсорбцией и высокой устойчивостью к пятнам, которые используются в одежде и домашней мебели, особенно в ковровых покрытиях.

ПОЛИСТИРОЛ

Стирол, CH ₂ = CH – C ₆ H ₅, легко полимеризуется с образованием полистирола (PS), твердого, высокопрозрачного полимера.Молекулярная структура аналогична структуре полипропилена, но метильные группы полипропилена заменены фенильными (–C ₆ H ₅). Большая часть продукции идет на упаковку. Тонкие, жесткие, прозрачные контейнеры, в которые упаковываются свежие продукты, например салаты, изготовлены из полистирола. Полистирол легко вспенивается или формируется в шарики. Эти пены и шарики являются отличными теплоизоляционными материалами и используются для изготовления домашних изоляционных материалов и контейнеров для горячих продуктов.Пенополистирол – это торговое название пенополистирола. Когда каучук растворяется в стироле перед его полимеризацией, полученный полистирол становится намного более ударопрочным. Этот тип полистирола широко используется в бытовой технике, например, в холодильниках и корпусах кондиционеров. [Для получения дополнительной информации об этом полимере см. Chemical Demonstrations: A Handbook for Teachers of Chemistry , by Bassam Z. Shakhashiri, Volume 1 (1983), page 241.]

POLYTETRAFLUOROETHYLENE

Teflon является торговым наименованием компании политетрафторэтилен, ПТФЭ.Он образуется в результате аддитивной полимеризации тетрафторэтилена, CF ₂ = CF ₂ (тетрафторэтилен). ПТФЭ отличается полной стойкостью к воздействию практически всех химикатов и скользкой поверхностью. Он сохраняет свои физические свойства в широком диапазоне температур от -270 до 385 ° C. Эти свойства делают его особенно полезным для компонентов, которые должны работать в суровых химических условиях и при экстремальных температурах. Его наиболее распространенное использование в быту – покрытие кухонной утвари.

ПОЛИУРЕТАН

Этот важный класс полимеров образован аддитивной полимеризацией диизоцианата (молекулы которого содержат две группы –NCO) и диалкоголя (две группы –ОН). Полимерная цепь связана уретановыми группами (–O – CO – NH–). Часть –NH– уретановой группы может реагировать аналогично группе –OH, создавая поперечные связи между полимерными цепями. Полиуретан превращается в эластичные волокна, называемые спандексом, и продается под торговым названием лайкра.Полиуретан также можно вспенивать. Мягкие пенополиуретаны используются в обивке, а твердые пенопласты используются в конструкциях крыльев и парусных досок легких самолетов. Образование некоторого количества пенополиуретана (и полистирола) использует экзотермический характер реакции полимеризации. Жидкость с низкой температурой кипения, называемая вспенивающим агентом, добавляется к мономерам до начала полимеризации. По мере протекания полимеризации выделяется достаточно тепла, чтобы вскипятить жидкость. Кипящая жидкость образует пузырьки, образующие пену.В прошлом наиболее часто используемыми низкокипящими жидкостями были хлорфторуглероды. Однако разрушительное воздействие хлорфторуглеродов на стратосферный озоновый слой исключило их использование. Другие низкокипящие жидкости имеют другие недостатки, например горючесть. Поэтому большинство пенополиуретана и полистирола производят путем нагнетания сжатого газа, такого как азот или диоксид углерода, в полимеризуемую смесь. [Для получения дополнительной информации об этом полимере см. Ibid. , том 1, стр. 216.]

ПОЛИАМИД

Полиамиды представляют собой группу конденсационных полимеров, обычно известных как нейлон. Нейлон состоит из двух мономеров: дихлорида и диамина. Один конкретный нейлон изготовлен из 1,6-диаминогексана, NH ₂ (CH ₂) ₆ NH ₂ и себацилхлорида, ClCO (CH ₂) ₈ COCl. Когда они полимеризуются, образующиеся молекулы содержат повторяющиеся звенья –NH (CH ₂) ₆ NH – CO (CH ₂) ₈ CO–.Молекулы HCl высвобождаются во время полимеризации. Этот конкретный полимер называется нейлоном 6-10, потому что он содержит чередующиеся цепи из 6 и 10 атомов углерода между атомами азота. Нейлон можно легко превратить в волокна, которые являются прочными и долговечными, что делает их хорошо подходящими для использования в ковровых покрытиях, обивочной ткани, шнурах шин, щетках и газоне для спортивных площадок. Из нейлона также изготавливают стержни, стержни и листы, которые легко формовать и обрабатывать. В таком виде нейлон используется для зубчатых передач и автомобильных топливных баков.[Для получения дополнительной информации об этом полимере см. Ibid. , Volume 1, page 213.]

ПОЛИАКРИЛАМИД

Полиакриламид – это конденсационный полимер с необычным и полезным свойством. Структура полиакриламида аналогична структуре полиэтилена, но с заменой водорода на всех остальных атомах углерода амидной группой –CONH ₂. Молекула состоит из повторяющихся –CH ₂ –CH (CONH ₂) – звеньев. Амидные группы позволяют связываться между полимерными цепями.Группа –CONH ₂ одной молекулы может реагировать с той же группой другой молекулы, образуя связь между ними со структурой –CONHCO–. В результате образуется сеть полимерных цепей, похожая на крошечную губку. Свободные несвязанные амидные группы, поскольку они содержат группы –NH ₂, могут образовывать водородные связи с водой. Это придает крошечным сетчатым губкам большое сродство к воде. Полиакриламид может впитывать воду во много раз больше своей массы. Это свойство полезно во множестве применений, например, в подгузниках и в горшечной почве.Полиакриламид высвободит абсорбированную воду, если добавлено вещество, препятствующее образованию водородных связей. Ионные вещества, такие как соль, заставляют полиакриламид выделять поглощенную воду. [Для получения дополнительной информации об этом полимере см. Ibid. , Volume 3 (1989), page 368.]

дальше по химии полимеров (flash)

дальше по сложным эфирам

назад к Organic Links

Демонстрационные видео по химическим веществам

Натуральные полимеры	Синтетические полимеры
Крахмал	Нейлон
Целлюлоза	Полиэстер
Протеины	Кевлар 11
Кевлар

Polymers – Chemistry LibreTexts

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Без заголовков

Полимеры представляют собой длинноцепочечные гигантские органические молекулы, состоящие из множества более мелких молекул, называемых мономерами.Полимеры состоят из множества повторяющихся мономерных звеньев в длинных цепях, иногда с разветвлением или сшивками между цепями.

Аддитивные полимеры
Аддитивный полимер – это полимер, который образуется в результате реакции присоединения, где многие мономеры связываются вместе посредством перегруппировки связей без потери какого-либо атома или молекулы при определенных условиях тепла, давления и / или наличие катализатора.
Конденсационные полимеры
Конденсационные полимеры – это любые полимеры, образованные в результате реакции конденсации, когда молекулы соединяются вместе, теряя небольшие молекулы в качестве побочных продуктов, таких как вода или метанол, в отличие от аддитивных полимеров, которые включают реакцию ненасыщенных мономеры.
Введение в полимеры
Полимеры – это вещества, содержащие большое количество структурных единиц, соединенных связями одного типа. Эти вещества часто образуют цепочечную структуру. Полимеры в мире природы существуют с незапамятных времен. Крахмал, целлюлоза и каучук обладают полимерными свойствами. Искусственные полимеры изучаются с 1832 года. Сегодня полимерная промышленность выросла и стала больше, чем алюминиевая, медная и стальная промышленность вместе взятые.
Молекулярная масса полимеров
Большинство полимеров не состоят из идентичных молекул. Например, все молекулы HDPE представляют собой длинные углеродные цепи, но длина может варьироваться на тысячи мономерных единиц. По этой причине молекулярные массы полимеров обычно являются средними.
Полиэтилен
Полиэтилен – самый популярный пластик в мире. Это полимер, из которого делают продуктовые пакеты, бутылки из-под шампуня, детские игрушки и даже бронежилеты.Для такого универсального материала он имеет очень простую структуру, самый простой из всех коммерческих полимеров. Молекула полиэтилена – это не что иное, как длинная цепочка атомов углерода, с двумя атомами водорода, присоединенными к каждому атому углерода.
Полимеры каучука
Резина является примером полимера эластомерного типа, где полимер имеет способность возвращаться к своей исходной форме после растяжения или деформации. В состоянии покоя каучуковый полимер наматывается.Эластичные свойства проистекают из его способности растягивать цепи, но когда напряжение снимается, цепи возвращаются в исходное положение. Большинство молекул каучукового полимера содержат, по крайней мере, некоторые звенья, полученные из сопряженных диеновых мономеров.

Миниатюра: Модель заполнения пространства секции полиэтилентерефталатного полимера, также известного как ПЭТ и ПЭТЭ, полиэстер, используемый в большинстве пластиковых бутылок. Цветовой код: Углерод, C (черный), Водород, H (белый) и Кислород, O (красный).Изображение используется с разрешения (Public Domain; Jynto).

3. Производство: материалы и обработка | Наука и инженерия полимеров: новые горизонты исследований

реакций конденсации были использованы для создания гибридных гелей, которые не усаживаются при сушке.

Выделение молекул органических красителей, жидких кристаллов или биологически активных частиц в неорганических или гибридных матрицах привело к появлению огромного множества композитных оптических материалов, которые в настоящее время разрабатываются в качестве лазеров, датчиков, дисплеев, фотохромных переключателей и нелинейно-оптических устройств.Эти материалы превосходят композиты с органической матрицей, потому что неорганическая матрица (обычно кремнезем) имеет больший коэффициент пропускания и менее подвержена фотодеградации. Органические молекулы, встроенные в неорганические матрицы, также могут служить шаблонами для создания пористости. Удаление шаблонов термолизом, фотолизом или гидролизом создает поры четко определенных размеров и форм. Неорганические материалы с заданной пористостью в настоящее время представляют интерес для мембран, сенсоров, катализаторов и хроматографии.

Неорганические, металлоорганические и гибридные полимеры и сетки представляют собой потенциально огромный класс материалов с практически неограниченными задачами синтеза и обработки. Предполагается, что будущие исследования продолжат изучение периодической таблицы в поисках новых комбинаций материалов, новых молекулярных структур и улучшенных свойств. Гибридные системы особенно удобны для исследований в области многофункциональных материалов, то есть интеллектуальных материалов, которые одновременно выполняют несколько оптических, химических, электронных или физических функций.Также ожидается разработка гибридных материалов, которые демонстрируют некоторые из исключительных прочности и трещиностойкости природных материалов, таких как скорлупа и кость. Замечательная универсальность полифосфазенов и полисилоксанов будет по-прежнему использоваться для биомедицинских приложений, таких как доставка лекарств и замена органов и мягких тканей, а также усовершенствованные эластомеры, покрытия и мембраны.

Будущее прекерамических полимеров и золь-гель-систем кажется светлым. Основной задачей является разработка способов получения чистой стехиометрической неоксидной керамики, особенно SiC, которая демонстрирует прядильность и высокий выход керамики.Новые пути синтеза, такие как подходы к созданию «молекулярных строительных блоков» для многокомпонентной керамики, будут изучены для получения сверхпроводниковых, сегнетоэлектрических, нелинейно-оптических и ионно-проводящих фаз, в основном в форме тонких пленок. Использование золь-гель обработки для получения «индивидуальных» фаз. Пористые материалы для применения в сенсорах, мембранах, катализаторах, адсорбентах и хроматографии являются особенно привлекательной областью исследований и разработок.

ОБРАБОТКА ПОЛИМЕРА

Рост объемов полимеров и их использования, как описано выше, отчасти связан с простотой их обработки.Вопреки распространенному мнению, пластмассы часто дороже стали, то есть в расчете на фунт, но они также намного легче стали, стекла или алюминия. Огромное преимущество полимеров заключается в том, что их можно обрабатывать многими способами за

штук.

Что такое полимер?

… много-много мономеров сливаются, бормоча -мер -мер -мер -мер -мер …

Poly- означает «много», а -mer означает «часть» или «сегмент». Mono означает «один».Итак, мономеры – это крошечные молекулы, которые могут соединяться вместе, образуя длинную полимерную цепь.

Это МОНОМЕР. Он маленький мышиный лемур. Он держит мономер, небольшую молекулу

Это простая схема цепочки мономеров.

Много-много-много МОНОМЕРОВ делают ПОЛИМЕР! Ты понял!

Сколько есть «много-много-много»? Что ж, обычно одна молекула полимера состоит из сотен тысяч (или даже миллионов!) Мономеров! Ух ты! Это много!

Кстати, мы используем специальное название «мономер», потому что не все молекулы могут образовывать полимеры.

(но не полимер …)

Хммм, держу пари, что их называют «полимерами», потому что «полимолекулы» звучит слишком глупо! Попробуйте сказать «полимолекула» пять раз быстро, и вы поймете, что я имею в виду!

“полли молли круто
полли молли подсказка
полли колли туалет!”

Иногда полимеры называют «макромолекулами». «Макро» означает «большой», и теперь вы выяснили, что полимеры должны состоять из очень больших молекул!

Стань в очередь!

Большинство полимеров, о которых мы здесь поговорим, являются линейными полимерами.Линейный полимер состоит из одной молекулы за другой, связанных длинной цепью. Эта цепочка называется магистральной.

Теперь линейные полимеры не обязательно должны находиться на прямой жесткой линии. Эти одинарные связи между атомами в основной цепи могут немного поворачиваться, как скрепки для бумаг, соединенные встык.

ЛИНЕЙНАЯ полимерная цепь начинается с начала и идет прямо до конца. Вы можете взять палец и проследить извилистый путь от одного конца до другого.
Для остального мира «линейный» означает «прямой и не изогнутый», но для полимеров линейный означает «не разветвленный».

Разветвление!

Разветвленная полимерная цепь имеет дополнительные начала (разветвления!) Вдоль цепи, поэтому у нее много концов.

Независимо от того, с чего вы начнете, вы не сможете отследить весь полимер без возврата.

Полимеры похожи на ТВ: у обоих много и много повторов

Атомы, составляющие основу полимерной цепи, расположены в правильном порядке, и этот порядок повторяется по всей длине полимерной цепи.(Боже, это имеет смысл, не так ли – учитывая, что полимеры создаются путем соединения одной молекулы за другой, за другой …)

Например, посмотрите на полипропилен (звучит как polly-pro-pill-een):

Его основная цепь состоит всего из двух атомов углерода, повторяющихся снова и снова. К одному атому углерода присоединены два атома водорода, а к другому атому углерода – один атом водорода и одна боковая метильная группа (CH ₃). (Что такое подвесная группа? Нажмите здесь, чтобы узнать.)

Это называется повторяющейся структурой или повторяющимся блоком . Наведите указатель мыши на полимер ниже, чтобы увидеть повторяющиеся единицы:

Чтобы упростить задачу, мы обычно рисуем
только одну единицу повторяющейся структуры, например:

Повторяющаяся единица заключена в скобки, а индекс n просто обозначает количество повторяющихся единиц n в полимерной цепи.

Другой пример: мономеры стирола объединяются в полистирол:

Под диаграммой стирола вы можете увидеть модель мономера стирола и молекулы полистирола, которую он образует. Удивительно, как из этого симпатичного маленького мономера стирола может получиться такая длинная витая цепочка из полистирола. Довольно круто! Теперь щелкните мышью по каждой модели, чтобы увидеть их в трехмерном виде.

Требуется некоторая сборка

Полимеры не начинаются большими. Они начинаются как крошечные маленькие молекулы.Но как они это делают? Щелкните здесь, чтобы создать свой собственный виртуальный полимер.

Итак, теперь вы знаете, что происходит, когда определенные маленькие молекулы объединяются в длинные цепочки. Получаются полимеры. Но не думайте, что полимеры – это какие-то редкие или особые молекулы. Они повсюду, как вы узнаете, изучая больше на этом сайте, от натуральных полимеров, таких как белки и целлюлоза, до синтетических, таких как полистирол. Так что продолжайте читать …

Факты о полимерах для детей

Полимер – это молекула, состоящая из соединения множества небольших молекул, называемых мономерами.Слово «полимер» можно разбить на «поли» (что по-гречески означает «много») и «мер» (что означает «единица»). Это показывает, как химический состав полимера состоит из множества более мелких единиц (мономеров), связанных вместе в более крупную молекулу. Химическая реакция связывания мономеров вместе с образованием полимера называется полимеризацией .

Некоторые полимеры являются натуральными и созданы организмами. Белки имеют молекулы полипептидов, которые представляют собой природные полимеры, состоящие из различных мономерных единиц аминокислот.Нуклеиновые кислоты – это огромные природные полимеры, состоящие из миллионов нуклеотидных единиц. Целлюлоза и крахмал (два типа углеводов) также представляют собой природные полимеры, состоящие из мономера глюкопиранозы, связанных друг с другом различными способами. Каучук – это смесь полимеров. Пластмассы – это искусственные полимеры. Многие волокна сделаны из полимеров.

Если «звенья» в полимере, называемые мономерами, одинаковы, то полимер называют «гомополимером». Гомополимеры именуются добавлением префикса poly- перед названием мономера, из которого сделан полимер.Например, полимер, полученный путем связывания молекул мономера стирола вместе, называется полистиролом.

Многие молекулы стирола соединяются в молекулу полистирола. Волнистые линии на обоих концах полимера означают, что здесь показан только короткий участок длинной молекулы.

Если не все мономеры одинаковы, полимер называют «сополимером» или «гетерополимером».

Многие молекулы полимера подобны цепочкам , где звеньями являются мономерные звенья.Молекулы полимера могут быть с прямой цепью, иметь разветвлений, от основной цепи или сшивки между цепями. В качестве примера сшивки, сульфгидрильные (-S-H) группы в двух цистеиновых аминокислотных единицах в полипептидных цепях могут связываться вместе, образуя дисульфидный мостик (-S-S-), соединяющий цепи вместе.

Относящиеся страницы

Картинки для детей

Внешний вид реальных линейных полимерных цепей, зарегистрированный с помощью атомно-силового микроскопа на поверхности в жидкой среде.Контурная длина цепи для этого полимера составляет ~ 204 нм; толщина составляет ~ 0,4 нм.
Мультяшная схема молекул полимера
Структура стирол-бутадиеновой цепи на основе молекулярного моделирования.
Некоторые памятные вехи в истории полимеров
Классификация реакций полимеризации
Образец полиэтилена, образовавшийся при растяжении.
Пластиковый предмет, выдержавший тридцать лет воздействия тепла и холода, тормозной жидкости и солнечного света. Обратите внимание на изменение цвета, набухание и растрескивание материала
.
Озоновое растрескивание в трубах из натурального каучука

Как делается пластик? – Британская федерация пластмасс

Автор: Д-р Паял Бахети

Пластик может быть «синтетическим» или «биологическим».Синтетические пластики получают из сырой нефти, природного газа или угля. В то время как пластик на биологической основе производится из возобновляемых продуктов, таких как углеводы, крахмал, растительные жиры и масла, бактерии и другие биологические вещества.

Подавляющее большинство используемых сегодня пластмасс является синтетическим из-за простоты производственных методов, связанных с переработкой сырой нефти. Однако растущий спрос на ограниченные запасы нефти вызывает потребность в новых пластмассах из возобновляемых источников, таких как отходы биомассы или отходы животноводства в промышленности.

В Европе только небольшая часть (около 4-6%) наших запасов нефти и газа идет на производство пластмасс, а остальная часть используется для транспорта, электричества, отопления и других применений (Ref)

Большая часть используемого сегодня пластика получается следующими этапами:

1. Добыча сырья (в основном сырая нефть и природный газ, но также и уголь) – это сложная смесь тысяч соединений, которые затем необходимо переработать.

2. Процесс нефтепереработки превращает сырую нефть в различные нефтепродукты – они превращаются в полезные химические вещества, включая «мономеры» (молекулы, которые являются основными строительными блоками полимеров). В процессе переработки сырая нефть нагревается в печи, которая затем отправляется в установку дистилляции, где тяжелая сырая нефть разделяется на более легкие компоненты, называемые фракциями. Один из них, называемый нафта, является ключевым компонентом для производства большого количества пластика.Однако есть и другие способы, например, использование газа.

Рис. 1. Наглядное изображение того, как изготавливаются пластмассы (Рисунок адаптирован из ссылки)

3. Полимеризация – это процесс в нефтяной промышленности, где легкие олефиновые газы (бензин), такие как этилен, пропилен, бутилен (т. Е. Мономеры), превращаются в углеводороды с более высокой молекулярной массой (полимеры). Это происходит, когда мономеры химически связаны в цепи. Есть два разных механизма полимеризации:

Аддитивная полимеризация

Реакция аддитивной полимеризации – это когда один мономер соединяется со следующим (димером), а димер со следующим (тример) и так далее.Это достигается за счет введения катализатора, обычно пероксида. Этот процесс известен как полимеры роста цепочки, поскольку он добавляет по одной мономерной единице за раз. Обычными примерами аддитивных полимеров являются полиэтилен, полистирол и поливинилхлорид.

Конденсационная полимеризация

Конденсационная полимеризация включает соединение двух или более различных мономеров путем удаления небольших молекул, таких как вода. Также требуется катализатор для реакции, протекающей между соседними мономерами.Это называется ступенчатым ростом, потому что вы можете, например, добавить существующую цепочку к другой цепочке. Обычными примерами конденсационных полимеров являются полиэстер и нейлон.

4. Компаундирование / переработка

При компаундировании различные смеси материалов смешиваются в расплаве (смешиваются путем плавления) для получения рецептур для пластмасс. Обычно для этой цели используют экструдер определенного типа, за которым следует гранулирование смеси. Затем экструзия или другой процесс формования превращает эти гранулы в готовый или полуфабрикат.Компаундирование часто происходит на двухшнековом экструдере, где гранулы затем перерабатываются в пластмассовые предметы уникального дизайна, различного размера, формы и цвета с точными свойствами в соответствии с заранее определенными условиями, установленными в обрабатывающей машине.

…

Более подробная информация о том, как производится пластик, представлена в следующих разделах ниже:

Полимер против пластика
Что такое углеводороды?
Как синтетический пластик создается из сырой нефти?
Как получается пластик из нафты?
Что является основным ингредиентом пластика?
Какой был первый пластик, сделанный человеком?
Что раньше использовали пластик?
Можно ли сделать пластик без масла?

Все пластмассы по существу являются полимерами, но не все полимеры являются пластиками.

Термин «полимер и мономер » происходит от греческих слов: где «поли» означает «множество», «мер» означает «повторяющееся звено», а слово «моно» означает «один». Это буквально означает, что полимер состоит из множества повторяющихся мономеров звеньев. Полимеры – это более крупные молекулы, образованные путем ковалентного соединения множества мономерных звеньев вместе в виде цепочек, подобных жемчужинам на нити жемчуга.

Слово пластик происходит от «пластикус» (лат. «Способный к формованию») и «пластикос» (греч. «Пригодный для литья»).Когда мы говорим о пластмассах, мы имеем в виду органические полимеры (синтетические или натуральные) с высокой молекулярной массой, которые смешаны с другими веществами.

Пластмассы – это высокомолекулярные органические полимеры, состоящие из различных элементов, таких как углерод, водород, кислород, азот, сера и хлор. Они также могут быть получены из атома кремния (известного как силикон) вместе с углеродом; распространенный пример – силиконовые грудные имплантаты или силикон-гидрогель для оптических линз. Пластмассы состоят из полимерной смолы, часто смешанной с другими веществами, называемыми добавками.

«Пластичность» – это термин, используемый для описания свойства, характеристики и свойства материала, который может необратимо деформироваться без разрушения. Пластичность описывает, выдержит ли полимер температуру и давление во время процесса формования.

Chemistry позволяет изменять различные параметры для настройки свойств полимеров. Мы можем использовать разные элементы, изменять тип мономеров и переставлять их по разному образцу, чтобы изменить форму полимера, его молекулярную массу или другие химические / физические свойства.Это позволяет разрабатывать пластики с нужными свойствами для конкретного применения.

Большинство используемых сегодня пластмасс получают из углеводородов, получаемых из сырой нефти, природного газа и угля – ископаемого топлива.

Что такое углеводород?

Углеводороды – это органические соединения (могут быть алифатическими или ароматическими), состоящие из углерода и водорода . Алифатические углеводороды не имеют циклических бензольных колец, тогда как ароматические углеводороды имеют бензольные кольца.

Углерод

( C , атомный номер = 6) имеет валентность четыре, что означает, что он имеет четыре электрона во внешней оболочке. Он способен образовывать химические связи с четырьмя другими электронами любого элемента периодической таблицы (для углеводорода он образует пары с водородом). С другой стороны, водород ( H, , с атомным номером = 1) имеет только один электрон в валентной оболочке, поэтому четыре из этих H-атомов готовы к спариванию с C-атомом, образуя одинарную связь, чтобы дать CH ₄ молекула.Молекула CH ₄ называется метаном, который является простейшим углеводородом и первым членом семейства алканов. Точно так же, если два атома углерода связаны вместе, они могут связываться с шестью атомами водорода, при этом по три находятся на каждом атоме углерода, чтобы получить химическую формулу CH ₃ -CH ₃ (или C ₂ H ₆), известный как этан, и серия продолжается следующим образом.

Семейство алканов : метан (CH ₄), этан (CH ₃ -CH ₃ или C ₂ H ₆), пропан (CH ₃ -CH ₂ -CH ₃), бутан (CH ₃ -CH ₂ -CH ₂ -CH ₃), пентан (CH ₃ -CH ₂ -CH ₂ – CH ₂ -CH ₃), гексан, гептан, октан, нонан, додекан, ундекан и так далее.

Обратите внимание, что этот тип связи с углеродом и водородом представляет собой насыщенную связь (сигма-связь обозначается как σ-связь). Также может быть ненасыщенная связь , где пи-связь (π-связь) присутствует вместе с сигма-связью, дающей двойные углерод-углеродные связи ( алкены ), или иметь две π-связи с сигмой, дающей тройную углерод-углеродную связь ( алкинов ), что очень сильно зависит от типа гибридизации между элементами.

Семейство алкенов : этилен (CH ₂ = CH ₂ или C ₂ H ₄), пропилен (CH ₂ = CH-CH ₂), 1-бутилен (CH ₂ = CH-CH ₂ -CH ₃), 2-бутилен (CH ₃ -CH = CH-CH ₃) и так далее.(Обратите внимание, что 1-бутилен и 2-бутилен являются изомерами бутилена).

Алкиновые углеводороды : этин (CH ≡ CH или C ₂ H ₂), пропин (CH≡C-CH ₃), 1-бутин (CH≡C-CH ₂ -CH ₃), 2-бутин (CH ₃ -CH≡CH-CH ₃) и так далее.

Что такое ископаемое топливо и откуда оно берется?

Ископаемое топливо – это в основном сырая нефть, природный газ и уголь, состоящие из углерода, водорода, азота, серы, кислородных элементов и других минералов (рис. 1, исх.).Общепринятая теория состоит в том, что эти углеводороды образуются из останков живых организмов, называемых планктонами (крошечные растения и животные), которые существовали в юрскую эпоху. Планктоны были погребены глубже под тяжелыми слоями отложений в мантии Земли из-за сжатия из-за огромного количества тепла и давления. Мертвые организмы разлагались без кислорода, что превращало их в крошечные карманы из нефти и газа. Затем сырая нефть и газ проникают в породы, которые в конечном итоге накапливаются в коллекторах.Скважины с нефтью и природным газом находятся на дне наших океанов и под ними. Уголь в основном получают из мертвых растений (см.).

Рис. 2. Элементный состав ископаемого топлива (исх.).

Ученые также подвергли сомнению эту теорию. Недавнее исследование, проведенное Институтом Карнеги Nature Geoscience в сотрудничестве с российскими и шведскими коллегами, показало, что органическое вещество не может быть источником тяжелых углеводородов и что они могут существовать уже глубоко в недрах Земли.Эксперты обнаружили, что этан и другие тяжелые углеводороды могут быть получены, если условия давления и температуры могут быть сопоставлены с условиями, присутствующими глубоко внутри ядра Земли. Это означает, что углеводороды могут образовываться в верхней мантии, которая представляет собой слой Земли между корой и ядром. Они демонстрируют это, подвергая метан лазерной термообработке в верхнем слое Земли, который затем превращается в молекулу водорода, этан, пропан, петролейный эфир и графит. Затем ученые подвергли этан тем же условиям, при которых в результате обратимости образовался метан.Вышеуказанные данные показывают, что эти углеводороды могут образовываться естественным путем без остатков растений и животных (исх.).

3. Как синтетический пластик создается из сырой нефти?

Синтетический пластик поступает из нефтехимии. Когда источник нефти под поверхностью Земли идентифицируется, в скалах в земле просверливаются отверстия для добычи нефти.

Добыча нефти – Нефть перекачивается из-под земли на поверхность, где танкеры используются для транспортировки нефти на берег.Бурение нефтяных скважин также может проводиться под океаном с использованием платформ. Насосы разного размера могут производить от 5 до 40 литров масла за такт (рис. 1).

Переработка нефти – Нефть перекачивается по трубопроводу длиной в тысячи миль и транспортируется на нефтеперерабатывающий завод (рис. 1). Разлив нефти из трубопровода во время транспортировки может иметь как немедленные, так и долгосрочные экологические последствия, но приняты меры безопасности для предотвращения и минимизации этого риска.

Рисунок 3: Фракционная перегонка сырой нефти

Дистилляция сырой нефти и производство нефтехимических продуктов – Сырая нефть представляет собой смесь сотен углеводородов, которая также содержит некоторое количество твердых веществ и растворенные в ней газообразные углеводороды из семейства алканов (в основном это CH ₄ и C ₂ H ₆, но это может быть C ₃ H ₈ или C ₄ H ₁₀).Сырая нефть сначала нагревается в печи, затем полученная смесь подается в виде пара в колонну фракционной перегонки. Колонна фракционной перегонки разделяет смесь на различные отсеки, называемые фракциями. Существует температурный градиент в дистилляционной башне, где верх холоднее основания. Смесь жидкой и паровой фракций разделяется в башне в зависимости от их веса и температуры кипения (точка кипения – это температура, при которой жидкая фаза переходит в газообразную).Когда пары испаряются и встречаются с жидкой фракцией, температура которой ниже точки кипения пара, она частично конденсируется. Эти пары испаряющейся сырой нефти конденсируются при разной температуре в башне. Пары (газы) самых легких фракций (бензин и нефтяной газ), поступающие в верхнюю часть колонны, жидкие фракции промежуточного веса (керосин и дизельные дистилляты) задерживаются в середине, более тяжелые жидкости (называемые газойлями) отделяются ниже , в то время как самые тяжелые фракции (твердые частицы) с наивысшими температурами кипения остаются в основании башни.Каждая фракция в колонке содержит углеводороды с одинаковым числом атомов углерода, молекулы меньшего размера расположены вверху, а более длинные – ближе к низу колонки (см.). Таким образом, нефть разлагается на нефтяной газ, бензин, парафин (керосин), нафту, легкую нефть, тяжелую нефть и т. Д.

После стадии дистилляции полученные длинноцепочечные углеводороды превращаются в углеводороды, которые затем могут быть превращены во многие важные химические вещества, которые мы используем для приготовления широкого спектра продуктов, применимых от пластика до фармацевтики.

Крекинг углеводородов – это основной процесс, который под воздействием высокой температуры и давления расщепляет смесь сложных углеводородов на более простые алкены / алканы с низкой относительной молекулярной массой (плюс побочные продукты).

Крекинг может осуществляться двумя способами: крекинг с водяным паром и каталитический крекинг.

Паровой крекинг использует высокую температуру и давление для разрыва длинных цепей углеводородов без катализатора, в то время как каталитический крекинг добавляет катализатор, который позволяет процессу протекать при более низких температурах и давлениях.

Сырье, используемое в нефтехимической промышленности, – это в основном нафта и природный газ, полученный при переработке нефти в нефтехимическом сырье. При паровом крекинге используется сырье из смеси углеводородов из различных фракций, таких как газы-реагенты (этан, пропан или бутан) из природного газа или жидкости ( нафта или газойль ) (Рисунок 4).

Рис. 4. Различные химические вещества, полученные из ископаемого топлива после переработки нефти.

(Нафта представляет собой смесь углеводородов от C ₅ до C ₁₀, полученных при перегонке сырой нефти).

Например, углеводород декана расщепляется на такие продукты, как пропилен и гептан, где первый затем используется для производства полипропилена (рис. 5).

Рис. 5. Представление крекинга декана для превращения в пропилен и гептан.

Молекулы сырья превращаются в мономеры, такие как этилен, пропилен, бутен и другие.Все эти мономеры содержат двойные связи, так что атомы углерода могут впоследствии реагировать с образованием полимеров.

Полимеризация – углеводородные мономеры затем связываются вместе с помощью механизма химической полимеризации с образованием полимеров. В процессе полимеризации образуются густые вязкие вещества в виде смол, которые используются для изготовления пластмассовых изделий. Если мы посмотрим здесь на случай этиленового мономера; этилен – газообразный углеводород. Когда он подвергается воздействию тепла, давления и определенного катализатора, он объединяется в длинные повторяющиеся углеродные цепи.Эти соединенные молекулы (полимер) представляют собой пластиковую смолу, известную как полиэтилен (PE).

Производство пластика на основе полиэтилена – Поли (этилен) перерабатывается на заводе по производству пластиковых гранул. Гранулы переливают в реактор, растворяют в густой жидкости и отливают в форму. Жидкость остывает, превращается в твердый пластик и образует готовый продукт. Обработка полимера также включает добавление пластификаторов, красителей и антипиренов.

Типы полимеризации

Синтетический пластик получают в результате реакции, известной как полимеризация, которая может осуществляться двумя разными способами:

Аддитивная полимеризация : Синтез включает объединение мономеров в длинную цепь.Один мономер соединяется со следующим и так далее, когда катализатор вводится в процессе, известном как полимеры роста цепи, добавляя одно мономерное звено за раз. Считается, что некоторые реакции аддитивной полимеризации не создают побочных продуктов, и реакцию можно проводить в паровой фазе (то есть в газовой фазе), диспергированной в жидкости. Примеры: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полистирол.

Конденсационная полимеризация : В этом случае два мономера объединяются, образуя димер (две единицы), высвобождая побочный продукт.Затем димеры могут соединяться с образованием тетрамеров (четыре звена) и так далее. Эти побочные продукты необходимо удалить для успеха реакции. Наиболее распространенным побочным продуктом является вода, которую легко очистить и утилизировать. Побочные продукты также могут быть ценным сырьем, которое повторно используется в потоке сырья.

Примеры: нейлон (полиамид), полиэстер и полиуретан.

Пластик часто делают из нафты.Например, этилен и пропилен являются основным сырьем для пластика на масляной основе, получаемого из нафты.

Что такое нафта?

Есть разные виды нафты. Это термин, используемый для описания группы летучих смесей жидких углеводородов, полученных перегонкой сырой нефти. Это смесь углеводородов от C ₅ до C ₁₀.

Нафта термически разлагается при высокой температуре (~ 800 ° C) в установке парового крекинга в присутствии водяного пара, где она распадается на легкие углеводороды, известные как основные промежуточные звенья.Это олефины и ароматические углеводороды. Среди олефинов C ₂ (этилен), C ₃ (пропилен), C ₄ (бутан и бутадиен). Ароматические углеводороды состоят из бензола, толуола и ксилола. Эти небольшие молекулы связаны друг с другом в длинные молекулярные цепи, называемые полимерами. Когда полимер поступает с химического завода, он все еще не в форме пластика – он находится в форме гранул или порошков (или жидкостей). Прежде чем они смогут стать повседневным пластиком, они должны пройти ряд преобразований.Их замешивают, нагревают, плавят и охлаждают в предметы различной формы, размера, цвета с точными свойствами в соответствии с технологическими трубками.

Например, для полимеризации этилена в полиэтилен (PE) добавляются инициаторы для запуска цепной реакции, только после образования PE он отправляется на переработку путем добавления некоторых химикатов (антиоксидантов и стабилизаторов). После этого экструдер преобразует полиэтилен в нити, а затем измельчители преобразуют его в гранулы полиэтилена.Затем фабрики перерабатывают их в конечную продукцию.

Основным ингредиентом большинства пластических материалов является производное сырой нефти и природного газа.

Существует много различных типов пластиков – прозрачные, непрозрачные, однотонные, гибкие, жесткие, мягкие и т. Д.

Пластиковые изделия часто представляют собой полимерную смолу, которую затем смешивают со смесью добавок (см. Полимер vs.пластик). Добавки важны, поскольку каждая из них используется для придания пластику заданных оптимальных свойств, таких как ударная вязкость, гибкость, эластичность, цвет, или для того, чтобы сделать их более безопасными и гигиеничными для использования в определенных условиях (см.).

Иногда можно определить тип пластика, из которого изготовлен продукт, по номеру на дне пластиковых контейнеров. Некоторые из основных типов пластика и исходного мономера приведены ниже (Таблица 1). В этой таблице показаны типы пластика и мономеры, из которых он состоит.

Таблица 1. Основные типы полимеров, мономеры и их химическая структура

Идентификационный код смолы

Полимеры

Мономеры

♳

PETE

Полиэтилентерефталат (ПЭТ)

Этиленгликоль и диметилтерефталат

♴

ПНД

Полиэтилен высокой плотности

(HDPE)

Этилен (CH ₂ = CH ₂)

* (меньшее разветвление между полимерными цепями)

♵

ПВХ

Поливинилхлорид

(ПВХ)

Винилхлорид (CH ₂ = CH-Cl)

♶

ПВД

Полиэтилен низкой плотности

(ПВД)

Этилен (CH ₂ = CH ₂)

* (чрезмерное разветвление)

♷

Полипропилен

(ПП)

Пропилен (CH ₃ -CH = CH ₂)

♸

Полистирол

(ПС)

Стирол

♹

прочие

Пластмассы прочие, включая акрил, поликарбонаты, полимолочную кислоту (PLA), волокна, нейлон

Для одного полимера используются разные мономеры.

Например, PLA из молочной кислоты

* Мономером, используемым в LDPE и HDPE, является этилен, но есть разница в степени разветвления.

Мезоамериканские культуры (ольмеки, майя, ацтеки, 1500 г. до н.э.) использовали натуральный латекс и резину для изготовления водонепроницаемых контейнеров и одежды.

Александр Паркс (Великобритания, 1856 г.) запатентовал первый искусственный биопластик, названный Parkesine, сделанный из нитрата целлюлозы. Парксин был твердым, гибким и прозрачным пластиком. Джон Уэсли Хаятт (США, 1860-е годы) разбогател на изобретении Паркса. Братья Хаятт улучшили пластичность нитрата целлюлозы, добавив камфору, и переименовали пластик в целлулоид. Целью было производство бильярдных шаров, которые до этого делались из слоновой кости. Многие считают изобретение самым ранним примером искусственного биопласта (ссылка).

Первым по-настоящему синтетическим пластиком был бакелит, сделанный из фенола и формальдегидной смолы. Лео Бекеланд (Бельгия, 1906 г.) изобрел бакелит, который был придуман как «национальный исторический памятник химии», поскольку он полностью произвел революцию во всех отраслях современной жизни. Обладает высокой устойчивостью к электричеству, теплу и химическим веществам. Он обладает непроводящими свойствами, что чрезвычайно важно при проектировании электронных устройств, таких как корпуса радиоприемников и телефонов. (ссылка).

До появления пластика мы использовали дерево, металл, стекло и керамику, а также материалы животного происхождения, такие как рог, кость и кожу.

Для хранения использовались формованные глины (керамика), смешанные со стеклом, что означало, что емкости часто были тяжелыми и хрупкими.

Появились натуральные материалы из коры каучукового дерева – камедь (латексная смола), смесь была липкой и пластичной, но не пригодной для хранения.

В 18 веке Чарльз Гудиер случайно обнаружил каучук – он добавил

В 18 веке Чарльз Гудиер случайно обнаружил каучук – он добавил серу в горячий неочищенный каучук, который вступил в реакцию и сделал резину упругой, которая при охлаждении стала эластичной, то есть имела свойство возвращаться в исходную форму (см.).

Да, пластик можно создавать не только из нефти.

Хотя сырая нефть является основным источником углерода для современного пластика, множество вариантов производится из возобновляемых материалов. Пластик, сделанный без масла, продается как пластик на биологической основе или биопластик. Они сделаны из возобновляемой биомассы, такой как:

Лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза,
терпенов,
Жиры и масла растительные,
Углеводы (сахар из сахарного тростника и т. Д.)
Переработанные пищевые отходы
Бактерии

Однако следует отметить, что биопластики не всегда автоматически становятся более устойчивой альтернативой.Биопластики различаются по способам разложения, и биопластики, как и любой другой материал, требуют ресурсов для своего производства.

Биопласты, такие как, например, PLA, представляют собой биоразлагаемый материал, который разлагается в определенных условиях окружающей среды, но не может разлагаться биологически во всех климатических условиях. Поэтому требуется поток отходов из пластика на основе PLA. В случае PLA это чувствительный полиэстер, который начинает разлагаться во время процедуры переработки и может в конечном итоге загрязнить существующий поток переработки пластика (см.).

Но биопластики могут найти множество применений, если они разработаны с учетом правильного потока отходов.

Биопластики – это потенциальные материалы для производства одноразового пластика, например, необходимого для изготовления биоразлагаемых бутылок и упаковочных пленок. Например, в 2019 году исследователь из Университета Сассекса создал прозрачную пластиковую пленку из отходов рыбьей кожи и водорослей; называется МаринаТекс (Ref). Биополимеры также были исследованы для медицинских применений, таких как контролируемое высвобождение лекарств, упаковка лекарств и рассасывающиеся хирургические швы (ссылка, ссылка).

Морис Лемуан (Франция, 1926) открыл первый биопластик, полученный из бактерий, полигидроксибутирата (ПОБ), из бактерии Bacillus megaterium. По мере того как бактерии потребляют сахар, они производят полимеры (см.). Важность изобретения Лемуана игнорировалась до тех пор, пока нефтяной кризис, разразившийся в середине 1970-х годов, не подстегнул интерес к поиску заменителей нефтепродуктов.

Генри Форд (США, 1940) использовал биопластик, сделанный из соевых бобов, для некоторых деталей автомобилей.Форд прекратил использование соевых пластиков после Второй мировой войны из-за излишков недорогого масла (см.).

Развитие метаболической и генной инженерии расширило исследования биопластиков, и стали известны приложения для многих типов биопластиков, в частности, PHB и полигидроксиалканоат (PHA), хотя постоянно происходит множество других интересных разработок.

Полимеры на каждый день – Урок – Инженерное дело

(1 Рейтинг)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 10 (10-12)

Требуемое время: 30 минут

Зависимость урока: Нет

Тематические области: Химия, Физические науки

Ожидаемые характеристики NGSS:

Резюме

Студенты изучают химические свойства полимерных материалов, часто используемых в их повседневной жизни.Они узнают, как химический состав влияет на физические свойства материалов, с которыми они сталкиваются и часто используют, а также как сшивание влияет на свойства полимерных материалов. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры по материалам, особенно те, кто занимается дизайном пластмасс, объединяют понимание химии и материаловедения для проектирования, разработки и производства новых материалов с особыми свойствами для новых применений.Например, спрос на легкие детали и автомобили, использующие переработанные материалы, заставляет инженеров создавать «умные полимеры», которые меняют свои свойства в зависимости от окружающей среды. Такие материалы могут быть чувствительны к температуре, влажности, pH, интенсивности света, электрическому или магнитному полю и могут реагировать по-разному, например, изменять цвет или прозрачность, становиться проводящими или проницаемыми для воды или изменять форму (полимеры с памятью формы). .

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

Опишите, как полимеры синтезируются путем объединения двух типов мономеров при нагревании в течение достаточного периода времени.
Предсказать, как сшивающий агент вызовет изменение физических свойств полимерной системы и как молекулярные структуры влияют на свойства этих материалов.
Опишите примеры использования полимеров в повседневной жизни.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными предметами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).
Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).
В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .
NGSS: научные стандарты нового поколения – наука
Ожидаемые характеристики NGSS
HS-PS2-6. Сообщать научную и техническую информацию о том, почему структура на молекулярном уровне важна для функционирования разработанных материалов.(9–12 классы)
Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Щелкните здесь, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям.
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Передавать научно-техническую информацию (e.грамм. о процессе разработки, а также о проектировании и исполнении предлагаемого процесса или системы) в различных форматах (включая устную, графическую, текстовую и математическую).
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Анализируйте данные с помощью инструментов, технологий и / или моделей (например, вычислительных, математических), чтобы сделать обоснованные и надежные научные утверждения или определить оптимальное проектное решение.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Притяжение и отталкивание между электрическими зарядами в атомном масштабе объясняют структуру, свойства и преобразования материи, а также силы контакта между материальными объектами.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Исследование или проектирование новых систем или структур требует детального изучения свойств различных материалов, структур различных компонентов и соединений компонентов, чтобы выявить их функции и / или решить проблему.
Соглашение о выравнивании: Спасибо за отзыв!
Общие основные государственные стандарты – математика
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технологии
ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше
Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Рабочие листы и приложения
Посетите [www.teachengineering.org/lessons/view/csu_polymer_lesson01], чтобы распечатать или загрузить.
Больше подобной программы
Предварительные знания
Знакомство с основными понятиями химии.
Введение / Мотивация
(Поднесите пару солнцезащитных очков, полиэтиленовый пакет и футляр для компакт-дисков, чтобы они увидели его.Используя рисунок 2, напишите на классной доске химическое название и структуру каждого материала. Затем поговорите о каждом предмете, подчеркнув его химическую структуру. Какие атомы входят в структуру? Существуют ли химические группы в позвоночнике?)
Полимеры встречаются в повседневной жизни и используются во многих целях! Полимеры представляют собой цепи, состоящие из субъединиц мономера. Мономер – это повторяющаяся химическая единица. Структура и химический состав полимерной цепи определяет физические свойства материала.
Какие изделия из полимерных материалов вы часто используете? (Послушайте ответы студентов.) Полимеры используются для изготовления электронных компонентов, красок, пластиковых бутылок, линз для солнцезащитных очков, DVD-дисков и многого другого! Полимерные материалы обычно получают из нефти или нефти, но в настоящее время ведутся значительные исследования по разработке новых методов производства этих материалов с использованием возобновляемых источников энергии.
Инженеры по материалам полагаются на одни полимеры из-за их жесткости, других – из-за их гибкости, а третьи – из-за их устойчивости к коррозии.Например, поли (винилхлорид) – прочный, устойчивый к коррозии полимер, обычно используемый в сантехнике, тогда как полиэтилен – это пример гибкого полимера, который содержится в пластиковых пакетах.
Предпосылки и концепции урока для учителей
(Представьте студентам следующую информацию, пока вы показываете им презентацию Polymer с восемью слайдами, файл PowerPoint.)
Слайд 1
Полимер – это химический термин, обозначающий материал, состоящий из повторяющихся звеньев, называемых мономерами.
Многие потребительские товары изготавливаются из полимерных материалов. Полимерный материал состоит из тысяч повторяющихся мономеров, объединенных в функциональный материал.
Слайд 2
Некоторые потребительские товары изготавливаются из полимеров, обычно называемых пластиками. Здесь показаны лишь несколько примеров из множества полимерных материалов.
Не все, что вы здесь видите, имеет полимерный состав. Вы можете догадаться, что делает? (Ответ: прозрачная часть Nalgene изготовлена из поликарбоната, но крышки не из поликарбоната.Прозрачный синий гелевый пластик на беговой обуви – это полиуретановый материал, предназначенный для амортизации беговой ноги.)
Слайд 3
Эта анимация представляет собой упрощенное представление синтеза полимера, где мономеры A и B объединяются в реакционном сосуде, а затем нагреваются для создания полимера.
В конце анимации последняя полимерная нить показана в виде шаблона A-B-A-B.
Слайд 4
Примеры нескольких широко распространенных потребительских товаров из полимерных материалов.
Слайд 5
Некоторые медицинские изделия изготавливаются из полимеров. Например, для игл, используемых для вакцин и внутривенных инъекций, используется пластиковый кожух, обычно сделанный из полиуретана.
(Внизу слайда слева направо 🙂 На первых двух изображениях показаны сосудистые трансплантаты, сделанные из политетрафторэтилена, причем второй сосудистый трансплантат (в центре) имеет шероховатость на поверхности, чтобы способствовать интеграции сосудистого трансплантата с пациентом. На изображении справа показан поливинилхлорид, обычно используемый в медицинских трубках.
Слайд 6
Познакомьте студентов с различными химическими игроками, участвующими в создании глупой замазки: мономером, сшивающим агентом и полимером.
Мономер – это основной строительный блок полимера. Многие мономеры винилового спирта, химически связанные, дают полимер, называемый поливиниловым спиртом.
Поли (виниловый спирт) – это полимер, который студенты будут использовать для изготовления глупой замазки.
Чтобы повлиять на свойства материала глупой замазки, которую делают студенты, им нужно будет определить количество тетрагидроксиборат-аниона или сшивающего агента, включенного в полимер.Сшивающий агент способен связывать цепи поли (винилового спирта) вместе, образуя химическую связь.
Слайд 7
Иллюстрация химической связи между двумя полимерными цепями.
Примечание для преподавателей: см. Рис. 2 в таблице «Имитация глупой шпатлевки». чтобы понять, как образуется эта химическая связь. Объяснять цифру ученикам не нужно.
Слайд 8
Этот слайд очень важен, чтобы помочь учащимся задуматься о предстоящей задаче дизайна (в соответствующем задании).
Материал “без поперечных связей” имеет свободно текучие полимерные цепи и растягивается, если сила приложена к любому концу цепей материала.
Обратное верно для материала «с поперечными связями», потому что химические линкеры между изменениями предотвращают растяжение отдельных полимерных цепей при приложении силы к любому концу, что делает более идеальным материал для отскока.
Эта информация дает учащимся представление о том, как подойти к задаче дизайна после того, как они сделают два разных состава простой замазки на основе поливинилового спирта.
Синтетические и природные полимеры
Полимеры – это большие молекулы, удерживаемые вместе химически связанными субъединицами, называемыми мономерами. Первым ученым, обнаружившим, что полимеры содержат множество небольших повторяющихся звеньев (мономеров), был Герман Стададингер. Стададингер получил Нобелевскую премию по химии за открытие химической структуры натурального каучука. После открытия синтетических материалов ученые научились изменять и настраивать их химические и физические свойства, чтобы сделать их полезными для различных приложений.Рис. 1. Общие области применения полимерных материалов. Авторское право
Copyright © 2011 Cherelle Bishop, Colorado State University
На рисунках 1 и 2 приведены лишь несколько примеров того, как полимерные материалы изменили нашу повседневную жизнь благодаря в основном недорогим материалам массового производства. Многие из этих материалов сделаны из синтетических полимеров и были разработаны в коммерческих лабораториях, но бесчисленное множество других полимеров встречается в природе и в живых организмах.Например, хитин, также известный как N-ацетилглюкозамин (полученный из мономеров глюкозы), образует твердый внешний вид панцирей многих ракообразных, черепах и жуков. Целлюлоза, полисахарид, используется многими растениями для обеспечения структурной стабильности. Полимеры также существуют внутри человеческого тела. Белки и ДНК синтезируются из небольших субъединиц, называемых аминокислотами. Рисунок 2: Структуры и общие области применения шести полимеров. Авторское право
Copyright © 2012 Cherelle Bishop, Colorado State University
Полимеризация
Полимеры образуются с помощью процесса, называемого полимеризацией, при котором химическая реакция реагирующих молекул мономера формирует полимерные цепи различной сложности.В зависимости от условий реакции полимеризации полученный полимер может представлять собой простую линейную цепочку связанных атомов углерода. Полимеризация с ростом цепи (или аддитивная полимеризация) включает связывание вместе молекул, содержащих двойные или тройные углерод-углеродные связи. На физические свойства материалов влияет расположение цепей. Полимерная сеть состоит из множества полимерных цепей, соединенных рядом ковалентных связей, называемых поперечными связями. Большинство полимеров, о которых мы здесь говорим, являются линейными полимерами.Линейный полимер состоит из одной молекулы за другой, связанных в длинную цепь, называемую основной цепью. Теперь линейные полимеры не обязательно должны находиться на прямой жесткой линии. Эти одинарные связи между атомами в основной цепи могут немного поворачиваться, как скрепки, соединенные встык. Рисунок 3: Три конформации, в которых полимерные цепи могут быть расположены внутри полимерного материала. Авторское право
Copyright © 2011 Cherelle Bishop, Colorado State University
Молекулярные силы и химический состав полимеров
Различия в химическом составе могут повлиять на применение материала.Например, полимерный полиэтилен имеет этиленовую основу (CH ₂ CH ₂). Полиэтилен – один из наиболее распространенных полимерных материалов, используемых в пластиковой упаковке, бутылках и сумках для покупок. Использование полиэтилена сильно отличается от другого полимера, поливинилхлорида, который обычно используется для водопроводных труб и способен выдерживать большое давление. Другие области применения поливинилхлорида – дверные коробки, водонепроницаемая ткань и изоляция электрических проводов. Единственное химическое различие между полиэтиленом и поливинилхлоридом – это замена одного атома водорода в полиэтилене на ион хлорида в поливинилхлориде. , как показано на рисунке 4.Включение атома хлора приводит к изменению физических свойств всего материала. Следующим мономером, показанным на рисунке 2, является поликарбонат. Рисунок 4: Мономерная единица полиэтилена и три других полимерных мономера: поливинилхлорид, полистирол и полиакриламид. Авторское право
Copyright © 2012 Cherelle Bishop, Colorado State University
Поликарбонат обычно используется в пуленепробиваемых стеклах и фарах, в линзах для фар, очках и солнцезащитных очках, а также в дисках CD, DVD и Blu-Ray.Мономер поликарбоната включает объединение двух шестичленных ароматических колец, разделенных атомом углерода, к которому присоединены две метильные группы. Ароматические кольца (также известные как ароматические соединения или арены) – это углеводороды, содержащие бензол. Бензол, C ₆ H ₆, часто изображается как кольцо из шести атомов углерода с чередующимися двойными связями и одинарными связями, как показано ниже.
Включение ароматических колец может привести к пи-стэкинга между различными полимерными цепями.В химии пи-стэкинг (также называемый π-π-стэкингом) относится к привлекательным нековалентным взаимодействиям между ароматическими кольцами. Это означает, что нековалентные взаимодействия между электронами пи-связи, доступными в одной полимерной цепи, могут взаимодействовать с ароматическими кольцами в другой полимерной цепи, когда они находятся в непосредственной близости. Поликарбонат также включает сложноэфирную связь в основной части полимера. Сложноэфирные функциональные группы являются менее полярными функциональными группами, чем спиртовая группа. Полистирол содержится во многих продуктах, включая: рамки для номерных знаков, коробки для компакт-дисков, чашки Петри, изоляцию и арахис для упаковки из пенополистирола.Мономерная единица полистирола аналогична полиэтилену и поливинилхлориду, в которых атом водорода в мономере полиэтилена замещен шестичленным ароматическим кольцом в случае полистирола (см. Рисунок 4). Между цепями полистирола, как и в случае поликарбоната, также можно наблюдать штабелирование колец. Полиакриламиды используются в различных областях, начиная от очистителей воды, покрытия бумаги, косметических добавок, фотоэмульсии и контактных линз. Опять же, полиакриламид может быть получен из полиэтилена путем замены атома водорода амидной функциональной группой.Последний мономер, показанный на рисунке 2, является мономерной единицей для полиуретана. Полиуретаны используются в пенах, красках, клеях и спандексе. Этот мономер похож на поликарбонат в том, что он не может быть получен из мономерного звена полиэтилена. Полиуретаны связаны уретановыми связями.
Эффект перекрестных ссылок
Сшивка – это ковалентная связь, образованная между двумя полимерными цепями в материале (см. Рисунок 5). Эти ковалентные связи заставляют полимерные цепи в полимерном материале объединяться в сеть.Полимерная сеть – это сеть, в которой все полимерные цепи соединены между собой, образуя единый макроскопический объект множеством поперечных связей. В общем, поперечные связи стремятся сблизить полимерные цепи и сделать материал более жестким. В сопутствующем упражнении «Сделаем глупую замазку» учащиеся используют гидрокситетраборат для образования четырех ковалентных связей между двумя цепями поливинилового спирта при создании имитации «Глупой замазки». В зависимости от степени сшивки в материале полимерная цепь будет иметь разные свойства.Когда отсутствуют поперечные связи, которые химически связывают цепь вместе, цепи могут двигаться намного более свободно. Полимеры с длинной цепью часто имеют много перегибов в цепях, и эти перегибы могут перемещаться и расцепляться, вызывая растяжение материала. Чтобы проиллюстрировать это, представьте себе перегиб садового шланга; изгибы ослабляются после приложения достаточного усилия, что аналогично тому, как растягиваются полимерные материалы. Акт растяжения полимера заставляет полимерные цепи выравниваться друг с другом из-за силы, приложенной к материалу.
Когда в материале присутствует много длинных полимерных цепей с большим количеством поперечных связей, цепи химически связаны, что делает материал более жестким. Таким образом, степень сшивки в материале очень важна для понимания того, как меняются физические свойства материала. Другими словами, большее количество сшивок внутри полимерного материала приводит к более жесткому материалу, тогда как меньшее сшивание приводит к более эластичному материалу. Рисунок 5: Сшивка внутри полимера.авторское право
Copyright © 2011 Cherelle Bishop, Государственный университет Колорадо
Сопутствующие мероприятия
Закрытие урока
Помните, сшивание влияет на свойства полимерного материала, ограничивая движение отдельных полимерных цепей внутри материала (как визуально выделено на рисунке 5). Мы можем увидеть влияние сшивки на полимерные материалы, сравнив прочность полиэтилена и сшитого полиэтилена.Полиэтилен, как обсуждалось ранее, используется для изготовления пластиковых пакетов для покупок и многих пластиковых контейнеров, тогда как трубы из сшитого полиэтилена (сокращенно PEX) используются в сантехнике. Полиэтиленовый полиэтиленовый пакет и водопровод из сшитого полиэтилена по прочности сильно различаются. Сшивание полимерных цепей усиливает свойства материала, присутствующие в настройке PEX.
Словарь / Определения
сополимер: полимер, состоящий из двух или более типов мономерных субъединиц.
сшивающий агент: ковалентная связь, связывающая две полимерные цепи вместе, иногда облегчаемая небольшой молекулой.
гомополимер: полимер, состоящий только из одного типа мономера.
мономер: строительный блок полимеров. Мономеры могут быть объединены в различные повторяющиеся узоры с образованием различных типов полимеров.
природный полимер: полимер, который естественным образом синтезируется растением или организмом.
полимер: материал, состоящий из повторяющихся мономерных звеньев.
полимеризация: процесс химического связывания мономеров в различных формах для получения полимерного материала.
синтетический полимер: полимер был создан людьми.
Оценка
Рабочий лист: Попросите учащихся заполнить Рабочий лист по полимерам.Просмотрите их ответы, чтобы оценить их понимание.
Мероприятия по продлению урока
Привод по переработке отходов: Попросите учащихся принести несколько примеров полимерных материалов для занятия по переработке отходов. Воспользуйтесь этой возможностью, чтобы определить семь кодов переработки (см. Рис. 6) и обсудить химические свойства каждого пластикового материала. В потребительских товарах также обычно используется начальный штамп для обозначения химического состава полимера, используемого для создания материала.Хотя коды утилизации обычно размещаются на полимерных материалах, не все полимерные материалы, используемые в потребительских товарах, имеют маркировку с кодом утилизации, и не все полимерные материалы фактически утилизируются. Часто это связано с тем, что некоторые полимерные материалы чрезвычайно долговечны, что делает переработку материала дорогостоящей и трудоемкой. Еще одним препятствием на пути к вторичной переработке некоторых пластиков является отсутствие спроса на вторично переработанные материалы. Чтобы сделать использование переработанных материалов более распространенным в потребительских товарах, это помогает увеличить спрос за счет покупки переработанных материалов или продуктов, в которых используется переработанный пластик.Полимерные материалы, как показано на этом уроке и на рисунках 2 и 6, не все химически одинаковы. Уже один этот факт делает переработку всех этих различных пластиковых материалов сложной, трудоемкой и дорогостоящей. Еще одно соображение заключается в том, что многие потребительские товары изготавливаются из смешанных полимерных материалов, а это означает, что используется более одного полимера. Эти смешанные и композитные пластмассы не могут использовать один и тот же процесс переработки, что делает переработку дорогостоящей и сложной для них. Определенные успехи были достигнуты в переработке некоторых полимерных материалов, таких как полиэтилентерефталат (ПЭТЭ), который используется для изготовления пластиковых бутылок, упаковки и пластиковых контейнеров.Его переработанный материал нашел свое применение в качестве изоляционного волокна из полиэстера, используемого в зимних куртках, подушках, постельных принадлежностях и ковровых покрытиях. Рис. 6. Распространенные сокращения кодов переработки, а также названия и структура полимеров. Авторское право
Copyright © 2011 Cherelle Bishop, Colorado State University
Исследовательские проекты: Предложите студентам (в небольших группах или индивидуально) исследовать назначенный полимерный материал, исследуя его химические свойства, методы обработки и области применения.Предложите учащимся описать, как свойства материала и методы обработки позволяют полимеру хорошо работать в различных областях применения. При желании попросите учащихся включить схемы полимерных цепей и описать, как определенные функциональные группы взаимодействуют с другими функциональными группами между различными полимерными цепями. Используйте это как возможность включить в курс руководства по написанию научных статей, электронные инструменты исследования и научное цитирование.
Домашнее задание: Проведите в классе обсуждение возможных типов пластмасс, которые учащиеся используют дома.Попросите их привести примеры, не упомянутые в презентации урока, и рассказать об их типах и свойствах полимеров. Выберите полимерные материалы на основе химических структур, упомянутых в презентации PowerPoint и суммированных на рисунке 2. Кроме того, попросите каждого учащегося найти материал, сделанный из полимера, и быть готовым объяснить его химическую структуру классу.
Дополнительная поддержка мультимедиа
Примечание: анимация в прилагаемой презентации PowerPoint (v.11.5.5 или выше) требуется Quicktime (версия 7.7 или выше).
использованная литература
Ахлувалия, В. К. и Мишра, А. Наука о полимерах: Учебник . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2008.
Бахадур П. и Састри Н. В. Принципы науки о полимерах . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press, 2002; п. 401.
Морган Н. «Полимеры и пластмассы». in Химия в действии: молекулы повседневной жизни .Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Oxford University Press, 1995, стр. 94-107.
Николсон, Дж. У. Химия полимеров . Третье издание. Лондон, Великобритания: Королевское химическое общество, 2006.
авторское право
© 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2011 Государственный университет Колорадо
Авторы
Черелл М. Бишоп; Кейт МакДоннелл; Джерами Ясманн; Мелисса М.Рейнольдс; Майкл А. де Миранда
Программа поддержки
Проект CHIP GK-12, Департамент электротехники и вычислительной техники, Государственный университет Колорадо
Благодарности
Эта работа была разработана в рамках междисциплинарного проекта высшего образования штата Колорадо (CHIP) Департамента электротехники и вычислительной техники на основе совместной работы, поддержанной грантом Национального научного фонда No.0841259. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.
Последнее изменение: 5 октября 2021 г.
.
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *
Email *
Сайт

Рубрики
Винторезные станки
Вопросы и ответы
Карусельные станки
Советы мастера
Станок 1М63
Токарные станки
Фрезерные станки
Разное
2019 © Все права защищены. Карта сайта