Презентация – Аминокислоты. Способы получения

Химия

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

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

Полимеризация — самопроизвольный экзотермический процесс (DG<0, DH<0 ), так как разрыв двойных связей ведет к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий (инициаторов, ка­тализаторов и т.д.) полимеризация протекает обычно медленно. Поли­меризация является цепной реакцией. В зависимости от характера ак­тивных частиц различают радикальную и ионную полимеризации.

При радикальной полимеризации процесс инициирует­ся свободными радикалами. Реакция проходит через несколько ста­дий: а) инициирование; б) рост цепи; в) передача или обрыв цепи:

а) инициирование – образование активных центров – радикалов и макрорадикалов — происходит в результате теплового, фотохимиче ского, химического, радиационного или других видов воздействий. Чаще всего инициаторами полимеризации служат пероксиды, азосое-динения (имеющие функциональную группу – N = N -) и другие со­единения с ослабленными связями. Первоначально образуются ради­калы, например:

(С₆Н₅СОО)₂2C₆H₅COO*(R*)

пероксид бензоила

Затем образуются макрорадикалы, например при полимеризации хлорвинила:

R* +СН₂ = СНСl ® RCH₂ – СНСl^*

RCH₂ — СНСl^* + СН₂ = CHCl ®  RCH₂ — СНСl — СН₂ — СНСl* и т.д.;

б)         рост цепи происходит за счет присоединения к радикалам об­разующихся мономеров с получением новых радикалов;

в)         передача цепи заключается в переносе активного центра на другую молекулу (мономер, полимер, молекулы растворителя):

R-(-CH₂-CHCl-)_n-CH₂-CHCl* + CH₂=CHCl ®

®R-(-CH₂ -CHCl-)_n -СН₂ -СН₂Сl + СН = СНСl*

В результате рост цепи прекращается, а молекула-передатчик, в данном случае молекула мономера, инициирует новую реакционную цепь. Если передатчиком служит полимер, то может произойти раз­ветвление цепи.

В стадии обрыва цепи происходит взаимодействие радикалов с образованием валентно-насыщенных молекул:

R-{-CH₂ – СНCl-)_n– СН₂– СНСl* + R-(-CH₂– СНСl-)_n– СН₂– СНСl* ® R- (-СН₂– СНСl-)_n– CH₂– CHCl – СН₂– СНСl- (-СН₂-СНСl)_n– R

Обрыв цепи может также произойти при образовании малоактив­ных радикалов, которые не способны инициировать реакцию. Такие вещества называют ингибиторами.

Таким образом, регулирование длины и соответственно молеку­лярной массы макромолекул можно осуществлять с помощью ини­циаторов, ингибиторов и других веществ. Тем не менее передача и обрыв цепи могут происходить на различных этапах роста цепи, по­этому макромолекулы имеют различную молекулярную массу, т.е. полидисперсны. Полидисперсность является отличительной особен­ностью полимеров.

Радикальная полимеризация служит промышленным способом синтеза многих важных полимеров таких, как поливинилхлорид [-СН-СНСl-]_n, поливинилацетат [-СН₂-СH(ОСОСНз)-]_n, полистирол [-СН₂-СН(С₆Н₅)-]_n, полиакрилат [-CH₂-C(CH₃)(COOR)-]_n, полиэти­лен [-СН₂-СН₂-]_n, полидиены [-CH₂-C(R)=CH-CH₂-]_n, и различных сополимеров.

Ионная полимеризация также происходит через стадию образования активных центров, роста и обрыва цепи. Роль активных центров в этом случае играют анионы и катионы. Соответственно различают анионную и катионную полимеризацию. Инициа­торами катионной полимеризации служат электроноакцепторные соединения, в том числе протонные кислоты, например H₂SO₄ и НСl, неорганические апротонные кислоты (SnCl₄, TiCl₄, A1Cl₃ и др.), металлоорганические соединения А1(С₂Н₅)₃ и др. В качестве инициато­ров анионной полимеризации используются элекронодонорные веще­ства и соединения, в том числе щелочные и щелочноземельные ме­таллы, алкоголяты щелочных металлов и др. Часто одновременно используется несколько инициаторов полимеризации.

Рост цепи можно записать уравнениями реакции:

при катионной полимеризации и

M_n⁺ + M ® M⁺_n+1

при анионной полимеризации

M_n^– + M ® M^–_n+1

Рассмотрим в качестве примера катионную полимеризацию изо-бутилена с инициаторами АlСl₃ и Н₂О. Последние образуют комплекс

А1Сl₃ + Н₂О « Н⁺[АlOНСlз]^–

Обозначив этот комплекс формулой H⁺X^– процесс инициирова­ния полимеризации можно представить в виде

Возникающий комплексный катион вместе с противоионом X^– образует макроион, который обеспечивает рост цепи:

С помощью некоторых комплексных инициаторов удается полу­чить полимеры, имеющие регулярную структуру (стереорегулярные полимеры). Например, таким комплексным инициатором может быть комплекс тетрахлорида титана и триалкилалюминия AIR3.

Метод ионной полимеризации используется в производстве поли-изобутилена [-СН₂-С(СНз)₂-]_п, полиформальдегида [-СН₂О-]_n, поли­амидов, например поли-e-капроамида (капрона) [-NH-(CH₂)₅-CO-]_n, синтетических каучуков, например бутадиенового каучука [-СН₂-СН=СН-СН₂-]_n.

Методом полимеризации получают ³/₄ всего объема выпускаемых полимеров. Полимеризацию проводят в массе, растворе, эмульсии, суспензии или газовой фазе.

Полимеризация в массе (в блоке) – это полимеризация жидкого мономера (мономеров) в неразбавленном состоянии. При этом получают достаточно чистый полимер. Основная сложность проведения процесса связана с отводом теплоты. При полимеризации в растворе мономер растворен в растворителе. При таком способе по­лимеризации легче отводить теплоту и регулировать состав и струк­туру полимеров, однако возникает задача удаления растворителя.

Эмульсионная полимеризация (полимеризация в эмульсии) заключается в полимеризации мономера, диспергирован­ного в воде. Для стабилизации эмульсии в среду вводят поверхност­но-активные вещества. Достоинство способа – легкость отвода тепло­ты, возможность получения полимеров с большой молекулярной мас­сой и высокая скорость реакции, недостаток – необходимость отмыв­ки полимера от эмульгатора. Способ широко применяется в промыш­ленности для получения каучуков, полистирола, поливинилхлорида, поливинилацетата, полиметилакрилата и др.

При суспензионной полимеризации (полимеризации в суспензии) мономер находится в виде капель, диспрегированных в воде или другой жидкости. В результате реакции образуются полимерные гранулы размером от 10^-6 до 10^-3 м. Недостаток метода – необходимость стабилизации суспензии и отмывки полимеров от стабилизаторов.

При газовой полимеризации мономер находится в газо­вой фазе, а полимерные продукты – в жидком или твердом состоя­нии. Метод применятся для получения полипропилена и других по­лимеров.

Поликонденсация. Реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н₂О, NH₃, HCl, СН₂О и др.), называется поликонденсацией. Существенный вклад в изучении процессов поликонденсации внесли российские ученые В.Коршак, Г.Петров и другие, из зарубежных ученых – У.Карозерс, П.Флори, П.Морган и др. Поликонденсация бифункциональных соединений получила название линейной, например:

2NH₂-(CH₂)₅-COOH ®

амииокапроновая кислота

®NH₂-(CH₂)₅-CO-NH-(CH₂)₅-COOH + Н₂О®

 NH₂-(CH₂)₅-CO-NH-(CH₂)₅-COOH + NH₂-(CH₂)₅-COOH ®

® NH₂-(CH₂)₅-CO-NH-(CH₂)₅-CO-NH-(CH₂)₅-COOH+ H₂O и т.д.

Конечным продуктом будет поли-e-капроамид [-CO-NH-(CH₂)₅-]_n. Поликонденсация соединений с тремя или более функциональ­ными группами называется трехмерной. Примером трехмерной поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида:

NH₂-CO-NH₂ + СН₂О ® NH₂-CO-NH-CH₂OH

NH₂-CO-NH-CH₂OH + СН₂О ® CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂OH

2 CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂OH ®

® Н₂О + CH₂OH-NH-CO-NH-CH₂-O-CH₂– NH-CO-NH-CH₂OH

На первом этапе синтезируется олигомер линейной структуры:

[-СН₂– NH-CO-NH-CH₂-O]_n

На втором этапе при нагревании в кислой среде происходит даль­нейшая поликонденсация олигомера с выделением СН₂О и возникно­вением сетчатой структуры:

Такой полимер невозможно превратит, в исходное состояние, он не обладает термопластичными свойствами и называется термо­реактивным полимером.

Кроме рассмотренной химической связи между мономерами при поликонденсации возникают химические связи между другими груп­пами мономеров, некоторые из них приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1. Химические связи между функциональными группами некото­рых мономеров, возникающих при их поликонденсации

Так как в процессе поликонденсации наряду с высокомолекуляр­ными образуются низкомолекулярные продукты, то элементные со­ставы полимеров и исходных веществ не совпадают. Этим поликон­денсация отличается от полимеризации. Поликонденсация протекает по ступенчатому механизму, при этом промежуточные продукты яв­ляются стабильными, т.е. поликонденсация может остановиться на любой стадии. Образующиеся низкомолекулярные продукты реакции (Н₂О, NH₃, HCl, СН₂O и др.) могут взаимодействовать с промежуточ­ными продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление (гидролиз, аминолиз, ацидолиз и др.), например:

– NH-CO-(CH₂)₅-NH-CO-(CH₂)₅– + Н₂О ®

® – NH-CO-(CH₂)₅-NH₂-HO-CO-(CH₂)₅

Поэтому низкомолекулярные продукты приходится удалять из ре­акционной среды.

Монофункциональные соединения, присутствующие в реакцион­ной среде, взаимодействуют с промежуточными продуктами, образуя нереакционноспособные соединения. Это приводит к обрыву цепи, поэтому исходные мономеры должны быть очищены от монофунк­циональных соединений. Монофункциональные соединения могут образовываться в ходе реакции из-за термической или окислительной деструкции промежуточных соединений. Это приводит к остановке ре­акции поликонденсации и уменьшению молекулярной массы полимера.

Поликонденсацию проводят либо в расплаве, либо в растворе, ли­бо на межфазной границе.

Поликонденсацию в расплаве ведут без растворителей, нагревая мономеры при температуре на 10—20 °С выше температуры плавле­ния (размягчения) полимеров (обычно 200—400°С). Процесс начина­ется в среде инертного газа и заканчивается в вакууме.

При поликонденсации в растворе используют растворитель, кото­рый также может служить абсорбентом низкомолекулярного продукта.

Межфазная поликонденсация происходит на границе раздела фаз газ — раствор или двух несмешивающихся жидкостей и обеспечива­ет получение полимеров с высокой молекулярной массой.

Информация в лекции “Красители” поможет Вам.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров, например поли-e-капроамид (капрон), поли-гексаметиленадипинамид (найлон) [—NH(CH₂)₆NHCO(CH₂)₄CO—]_n, полиэфиры (полиэтилентерефталат [-(-ОС)С₆Н₄(СО)ОСН₂СН₂-]_n), полиуретаны [-OROCONHR’NHCO-]_n, полисилоксаны [-SiR₂-O-]_n, полиацетали [- OROCHR’ -]_n, фенолоформальдегидные смолы

Таким образом, полимеры получают методами полимеризации и поликонденсации. Полимеризация протекает по цепному механизму. При поликонденсации образуются как полимеры, так и низкомолеку­лярные продукты.

Полимерные молекулы – конспект – Химия

2 ВВЕДЕНИЕ Полимерные молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями. В нашем урбанизированном быстро развивающемся мире резко возрос спрос на полимерные материалы. Трудно себе представить полноценную работу заводов, электростанций, котельных, учебных заведений, электрической бытовой техники, которая нас окружает дома и на работе, современных вычислительных машин, автомобилей и много другого без использования этих материалов. Хотим ли мы сделать игрушку или создать космический корабль – и в том, и в другом случае не обойтись без полимеров. Но каким образом можно придать полимеру требуемую форму и вид? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим иной аспект технологии полимеров, а именно их переработку, что и является предметом данной работы. В широком смысле переработку полимеров можно рассматривать как некую инженерную специальность, занимающуюся превращением исходных полимерных материалов в требуемые конечные продукты. Большинство методов, применяемых в настоящее время в технологии переработки по лимеров, являются модифицированными аналогами методов, используе мых в керамической и металлообрабатывающей промышленности. Дейст вительно, нам необходимо понять все тонкости переработки полимеров для того, чтобы заменить обычные традиционные материалы другими материалами с улучшенными свойствами и внешним видом. Около 50 лет назад существовало очень ограниченное количество процес сов переработки полимеров в конечные изделия. В настоящее время имеет ся множество процессов и методов, основными из них являются каландрование, отливка, прямое прессование, литье под давлением, экструзия, пневмоформование, холодное формование, термоформование, вспенивание, армирование, формование из расплава, сухое и мокрое формование. Последние три метода используют для производства волокон из волокнообразующих материалов, а остальные – для переработки пластических и эластомерных материалов в промышленные изделия. В следующих разде лах я попытался в общем виде рассмотреть эти важные процессы. Для более деталь ного ознакомления с этими и другими процессами, такими, как нанесение покрытий окунанием и методом вихревого напыления псевдоожиженного слоя, электронная и тепловая герметизация и сварка, следует обратиться к специальным учебникам по переработке полимеров. За пределы этого реферата также выходят и вопросы, касающиеся покрытий и адгезивов. Перед тем, как непосредственно перейти к рассмотрению способов и методов переработки полимеров в конечные продукты необходимо узнать: что же представляют собой полимеры, какие они бывают и где могут использоваться, т.е. какие конечные продукты могут быть получены из полимеров? Роль полимеров очень велика и мы должны понять необходимость их переработки. 2 1. ПОЛИМЕРЫ И ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ Полимером называется органическое вещество, длинные молеку лы которого построены из одинаковых многократно повторяю щихся звеньев — мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы. Природные образуются в результате жизнедеятельности рас тений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс. Обычно природные полимеры подвергаются операциям выде ления очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки явля ются искусственные полимеры. Примерами являются натураль ный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид, представляю щий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности. Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются неза менимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной про мышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических поли меров – материалов, полученных синтезом из низкомолекуляр ных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие хими ческой технологии высокомолекулярных веществ — неотъемлемая и существенная часть современной НТР. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветв ленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных поли меров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рис. 1). Рис.1. Схематическая диаграмма вязкости термопластичных полимеров в зависимости от температуры: Т1 – температура перехода из стеклообразного в высоко эластичное состояние, Т2 – температура перехода из высокоэластичного в вязкотекучее состояние. Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «ли нейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более ха рактерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность. Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под дей ствием реагентов. 2 сти ролом и бутадие ном (АБС) Фенопласты Фенолоформальдегидная смолаФенолофурфуроловая смола Виниловые пластики Поливинилхлорид (ПВХ) Поливинилбутираль Полиамидные пластики (найлоны) Поликапролактам (ПА-6) Полигексам етиленадипамид (ПА-6,6) Сополимер винилхлорида с винилацетатом Первым термопластом, нашедшим широкое применение, был целлулоид — искусственный полимер, полученный путем перера ботки природного — целлюлозы. Он сыграл большую роль в тех нике, особенно в кинематографе, но вследствие исключительной пожароопасности (по составу целлюлоза очень близка к бездым ному пороху) уже в середине XX в. ее производство упало почти до нуля. Развитие электроники, телефонной связи, радио настоятельно требовало создания новых электроизоляционных материалов с хо рошими конструкционными и технологическими свойствами. Так появились искусственные полимеры, изготовленные на основе той же целлюлозы, названные по первым буквам областей примене ния этролами. В настоящее время лишь 2 … 3% мирового про изводства полимеров составляют целлюлозные пластики, тогда как примерно 75% — синтетические термопласты, причем 90% из них приходится на долю только трех: полистирола, полиэтилена, поливинилхлорида. Полистирол вспенивающийся, например, широко используется как теплозвукоизоляционный строительный материал. В радиоэлектронике он находит применение для герметизации изделий, когда надо обеспечить минимальные механические напряжения, создать вре менную изоляцию от воздействия тепла, излучаемого другими эле ментами, или низких температур и устранить их влияние на элек трические свойства, следовательно, — в бортовой и СВЧ-аппаратуре. 1.3 ЭЛАСТОМЕРЫ Обычно эластомеры называют каучуками. Воздушные шары, подошвы ботинок, шины, хирургические перчатки, садовые шланги – это типичные примеры изделий из эластомеров. Классическим примером эластомеров является природный каучук. Макромолекула каучука имеет спиральное строение с периодом идентичности 0,913 нм и содержит более 1000 изопреновых остатков. Строение макромолекулы каучука обеспечивает его высокую эластичность – наиболее важное техническое свойство. Каучук обладает поразительной способностью обратимо растягиваться до 900% первоначальной длины. Разновидностью каучука является менее эластичная гуттаперча, или балата, – сок некоторых каучуконосных растений, произрастающих в Индии и на Малайском полуострове. В отличие от каучука молекула гуттаперчи короче и имеет транс-1,4-строение с периодом идентичности 0,504 нм. Выдающееся техническое значение натурального каучука, отсутствие его в ряде стран, в том числе в Советском Союзе, экономически рентабельных источников, стремление располагать материалами, превосходящими по ряду свойств (масло-, морозостойкость, прочность к стиранию) натуральный каучук, стимулировали исследования по получению синтетического каучука. 2 В настоящее время используется несколько синтетических эластомеров. Они включают в себя полибутадиены, сопо лимеры стирола с бутадиеном, акрилонитрила с бутадиеном (нитрильный каучук), полиизопрен, полихлоропрен (неопрен), сополимер этилена с пропиленом, сополимер изопрена с изобутиленом (бутиловый каучук), полифторуглерод, полиуретан и силиконовые каучуки. Сырьем для получения синтетического каучука по способу Лебедева служит этиловый спирт. Теперь разработано получение бутадиена из бутана через каталитическое дегидрирование последнего. Ученые добились успеха и сегодня более одной трети резины, производимой в мире, изготовляется из синтетического каучука. Каучук и резина внести огромный вклад в технический прогресс последнего столетия. Вспомним хотя бы о резиновых сапогах и разнообразных изоляционных материалах, и нам станет ясна роль каучука в важнейших отраслях хозяйства. Более половины мирового производства эластомеров расходуется на производство шин. На изготовление покрышек для малолитражки нужно около 20-ти кг каучука, причем разных сортов и марок, а для самосвала почти 1900 кг. Меньшая часть идет на остальные виды резиновых изделий. Каучук делает нашу жизнь удобнее. 1.4 ВОЛОКНА Всем нам известны волокна природного происхождения, такие, как хлопок, шерсть, лен и шелк. Также нам знакомы синтетические волокна из найлона, полиэфиров, полипропилена и акрилов. Основной отличительной чертой волокон является то, что их длина в сотни раз превосходит их диаметр. Если натуральные волокна (кроме шелка) представляют собой штапельные волокна, то синтетические могут быть получены как в виде непрерывных нитей, так и в виде штапельною волокна. С точки зрения потребителя волокна могут быть трех типов; повсед невного спроса, безопасные и промышленные. Волокнами повседневного спроса называют волокна, используемые для изготовления нижней и верхней одежды. В эту группу входят волокна для изготовления белья, носков, рубашек, костюмов и пр. Эти волокна должны обладать соответствующей прочностью и растя жимостью, мягкостью, не горючестью, поглощать влагу и хорошо окраши ваться. Типичными представителями этого класса волокон являются хло пок, шелк, шерсть, найлон, полиэфиры и акрилаты. Безопасными волокнами называют волокна, используемые для произ водства ковров, занавесей, чехлов для кресел, драпировок и пр. Подоб ные волокна должны быть жесткими, прочными, долговечными и изно состойкими. С точки зрения безопасности к этим волокнам предъявляются следующие требования: они должны плохо воспламеняться, не распрост ранять пламя и при горении выделять минимальное количество тепла, дыма и токсических газов. При добавлении небольших количеств веществ, содержащих такие атомы, как В, N, Si, P, C1, Вг или Sb, в волокна пов- седневного спроса удается придать им огнестойкие свойства и, таким образом, превратить их в безопасные волокна. Введение в волокна моди фицирующих добавок уменьшает их горючесть, снижает распространение пламени, но не приводит к уменьшению выделения токсических газов и дыма при горении. Исследования показали, что в качестве безопасных волокон’ могут быть использованы ароматические полиамиды, полиимиды, полибензимидазолы и полиоксидиазолы. Однако при горении этих волокон наблюдается выделение токсических газов, поскольку в их моле кулах содержатся атомы азота. Этого недостатка лишены ароматические полиэфиры. 2 Промышленные волокна используются в качестве армирующих материа лов в композитах. Эти волокна также называют структурными волокнами, поскольку они обладают высоким модулем, прочностью, термостойкостью, жесткостью, долговечностью. Структурные волокна используют для упроч нения таких изделий, как жесткие и гибкие трубы, трубки и шланги, а так же в композиционных структурах, называемых волокнитами и применяе мых в конструкциях кораблей, автомобилей, самолетов и даже зданий. К этому классу волокон относятся одноосно ориентированные волокна ароматических полиамидов и полиэфиров, углеродные и кремневые волокна. 2. ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРОВ 2.1 КОМПАУНДИРОВАНИЕ Полимеры в чистом виде, полученные с промышленных предприятий после их выделения и очистки, называются “первичными” полимерами или “первичными” смолами. За исключением некоторых полимеров, таких, как полистирол, полиэтилен, полипропилен, первичные полимеры обычно не пригодны для прямой переработки. Первичный поливинилхлорид, нап ример, является материалом рогоподобной фактуры и не может быть сформован без предварительного смягчения путем добавления пласти- фикатора. Аналогично этому для формования натурального каучука тре буется введение в него вулканизующего агента. Большинство полимеров защищают от термической, окислительной и фотодеструкции введением в них подходящих стабилизаторов. Добавление в полимер красителей и пигментов перед формованием позволяет получить изделия самых различ ных цветов. Для уменьшения трения и улучшения течения полимера внутри перерабатывающего оборудования в большинство полимеров добавляют смазочные материалы и вещества для улучшения технологических свойств. Наполнители же в полимер обычно добавляют для придания им специаль ных свойств и уменьшения стоимости конечного продукта. Процесс, включающий в себя введение таких ингредиентов, как пласти- фикаторы, вулканизирующие агенты, отвердители, стабилизаторы, напол нители, красители, пламегасители и смазочные вещества, в первичный полимер, называют “компаундированием”, а смеси полимеров с этими добавками – “компаундами”. Первичные пластические полимеры, такие, как полистирол, полиэтилен, полиметилметакрилат и поливинилхлорид, обычно находятся в виде сыпу чих мелких порошков. Ингредиенты в виде мелкого порошка или жид кости смешивают с порошкообразным первичным полимером с использо ванием планетарных миксеров, V-смесителей, мешалок с ленточной винто вой лопастью, Z-миксеров или опрокидывателей. Смещение можно прово дить или при комнатной, или при повышенной температуре, которая, одна ко, должна быть намного ниже температуры размягчения полимера. Жид кие форполимеры смешивают с использованием простых высокоскорост ных мешалок. Первичные эластомерные полимеры, такие, как натуральный каучук, бутадиенстирольный каучук или нитрильный каучук, получают в виде крошки, спрессованной в толстые пластины, называемые “кипами”. Они, как правило, смешаны с вулканизирующими агентами, катализаторами, наполнителями, антиоксидантами и смазочными материалами. Поскольку эластомеры не являются сыпучими порошками, как первичные пластичес кие материалы, их нельзя смешивать с названными выше ингредиентами, используя методы, применяемые для первичных пластиков. Смешение первичных пластических полимеров с другими компонентами компаунда достигается перемешиванием, тогда как получение компаунда первичных эластомеров включает в себя вальцевание крошки в пластичные листы и последующее введение в полимер требуемых ингредиентов. Компаундирование эластомеров проводят или на 2 полимеризации. Полимеризация в этом случае будет протекать внутри формы до образования твердого продукта. Для литья в форме подходят акрилы, эпоксиды, полиэфиры, фенолы и уретаны. Формы для литья изготавливают из алебастра, свинца или стекла. В про цессе отвердения происходит усадка полимерного блока, что облегчает его освобождение из формы. РОТАЦИОННОЕ ЛИТЬЕ. Полые изделия, такие, как мячи и куклы, получают в процессе, называемом “ротационное литье”. Аппарат, используемый в этом процессе, представлен на рис.3. Компаунд термопластического материала в виде мелкого порошка помещают в полую форму. Используемый аппарат имеет специальное приспособление для одновременного вращения формы вокруг первич ной и вторичной осей. Форму закрывают, нагревают и вращают. Это при водит к однородному распределению расплавленного пластика по всей внутренней поверхности полой формы. Затем вращающуюся форму охлаж дают холодной водой. При охлаждении расплавленный пластический ма териал, однородно распределенный по внутренней поверхности формы, затвердевает. Теперь форму можно открывать и вынуть конечное изделие. Также в форму может быть загружена жидкая смесь термореактивного форполимера с отвердителем. Отвердение в этом случае будет происхо дить при вращении под действием повышенной температуры. Ротационным литьем производят изделия из поливинилхлорида, такие, как галоши, полые шары или головы для кукол. Отвердение поливинилхлорида осуществляется путем физического гелеобразования между поливинилхлоридом и жидким пластификатором при температу рах 150 200°С. Мелкие частицы поливинилхлорида однородно дисперги рованы в жидком пластификаторе вместе со стабилизаторами и красителя ми, образуя, таким образом, вещество со сравнительно низкой вязкостью. Этот пастообразный материал, называемый “пластизоль”, загружают в фор му и откачивают из нее воздух. Затем форму начинают вращать и нагре вать до требуемой температуры, что приводит к гелеобразованию поли винилхлорида. Толщина стенок образующегося продукта определяется временем гелеобразования. Рис.3. В процессе ротационного литья полые формы, наполненные полимерным материалом, одновременно вращают вокруг первичной и вторичной осей 1 — первичная ось; 2 — вторичная ось; 3 — деталь разъемной формы; 4 — полости формы; 5 — кожух зубчатой передачи; б—к мотору 2 После достижения требуемой толщины стенок избыток пластизоля удаляется для проведения повторного цикла. Для окончательной гомогенизации смеси частиц поливинилхлорида с пластифи катором гелеобразный продукт внутри формы нагревают. Конечный про дукт вынимают из формы после его охлаждения струёй воды. Метод рота ционного литья с использованием жидкого материала известен как метод “формования полых изделий заливкой и вращением формы”. ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ. Наиболее удобным процессом для производства изделий из термоплас тичных полимеров является процесс литья под давлением. Несмотря на то что стоимость оборудования в этом процессе достаточно высока, его несомненным достоинством является высокая производительность. В этом процессе дозированное количество расплавленного термопластичного поли мера впрыскивается под давлением в сравнительно холодную пресс-фор му, где и происходит его затвердевание в виде конечного продукта. Аппарат для литья под давлением изображен на рис.6. Процесс сос тоит из подачи компаундированного пластического материала в виде гра нул, таблеток или порошка из бункера через определенные промежутки времени в нагретый горизонтальный цилиндр, где и происходит его раз мягчение. Гидравлический поршень обеспечивает давление, необходимое для того, чтобы протолкнуть расплавленный материал по цилиндру в фор му, расположенную на его конце. При движении полимерной массы вдоль горячей зоны цилиндра устройство, называемое “торпедой”, способствует однородному распределению пластического материала по внутренним стенкам горячего цилиндра, обеспечивая таким образом равномерное распределение тепла по всему объему. Затем расплавленный пластический материал впрыскивают через литьевое отверстие в гнездо пресс-формы. В простейшем виде пресс-форма представляет собой систему из двух частей: одна из частей движущаяся, другая — стационарная (см. рис.6). Стационарная часть пресс-формы фиксируется на конце цилиндра, а под вижная снимается и надевается на нее. При помощи специального меха нического устройства пресс-форма плотно закрывается, и в это время происходит вспрыскивание расплавленного пластического материала под давлением 1500 кг/см . Закрывающее механическое устройство долж но быть сделано таким образом, чтобы выдерживать высокие рабочие давления. Равномерное течение расплавленного материала во внутренних областях пресс-формы обеспечивается ее предварительным нагревом до определенной температуры. Обычно эта температура несколько ниже температуры размягчения прессуемого пластического материала. После заполнения формы расплавленным полимером ее охлаждают циркулирую щей холодной водой, а затем открывают для извлечения готового изделия. Весь этот цикл может быть повторен многократно как в ручном, так и в автоматическом режиме. ОТЛИВКА ПЛЕНОК. Метод отливки используют также и для производства полимерных пленок. В этом случае раствор полимера соответствующей концентрации постепенно выливают на движущийся с постоянной скоростью металли ческий пояс (рис.4), на поверхности которого и происходит образова ние непрерывного слоя полимерного раствора. 2 Рис.4. Схема процесса отливки пленок / — раствор полимера; 2 — распределительный клапан; 3 — раствор полимера рас текается с образованием пленки; 4 — растворитель испаряется; 5 — бесконечный металлический пояс; 6 — непрерывная полимерная пленка; 7 — сматывающая ка тушка При испарении растворите ля в контролируемом режиме на поверхности металлического пояса проис ходит образование тонкой полимерной пленки. После этого пленка сни мается простым отслаиванием. Этим способом получают большинство промышленных целлофановых листов и фотографических пленок. 2.5 ПРЯМОЕ ПРЕССОВАНИЕ Метод прямого прессования широко используется для производства изделий из термореактивных материалов. На рис.5 представлена типич ная пресс-форма, используемая для прямого прессования. Форма состоит из двух частей — верхней и нижней или из пуансона (позитивная форма) и матрицы (негативная форма). В нижней части пресс-формы имеется выемка, а в верхней — выступ. Зазор между выступом верхней части и выемкой нижней части в закрытой пресс-форме и определяет конечный вид прессуемого изделия. В процессе прямого прессования термореактивный материал подвер гается однократному воздействию температуры и давления. Применение гидравлического пресса с нагреваемыми пластинами позволяет получить желаемый результат. Рис.5. Схематическое изображение пресс-формы, используемой в процессе пря мого формования 1 — полость формы, наполненная термореактивным материалом; 2 — направляю щие шипы; 3 — заусенец; 4 – сформованное изделие Температура и давление при прессовании могут дости гать 200 °С и 70 кг/см2 соответственно. Рабочие температура и давление определяются реологическими, термическими и другими свойствами прессуемого пластического материала. Выемка пресс-формы полностью заполняется полимерным компаундом. Когда под давлением пресс-форма закрывается, материал внутри нее сдавливается и прессуется в требуемую форму. Избыточный материал вытесняется из пресс-формы в виде тонкой пленки, 2 отверстия головки экструдера. Расплав ленный пластик при определенных условиях выдавливают через выходное отверстие головки экструдера, что и придает желаемый профиль экструдату. Схема простейшей экструзионной машины показана на рис.8. Рис 8. Схематическое изображение простейшей экструзионной машины 1 — загрузочная воронка; 2 – шнек; 3 – основной цилиндр; 4 — нагревательные элементы; 5 — выходное отверстие головки экструдера, а — зона загрузки; б — зона сжатия; в ~ зона гомогенизации В этой машине порошок или гранулы компаундированного пластиче ского материала загружают из бункера в цилиндр с электрическим обо гревом для размягчения полимера. Спиралевидный вращающийся шнек обеспечивает движение горячей пластической массы по цилиндру. По скольку при движении полимерной массы между вращающимся шнеком и цилиндром возникает трение, это приводит к выделению тепла и, следо вательно, к повышению температуры перерабатываемого полимера. В про цессе этого движения от бункера к выходному отверстию головки экстру дера пластическая масса переходит три четко разделенные зоны: зону загрузки (а), зону сжатия (б) и зону гомогенизации (в) (см. рис 9). Каждая из этих зон вносит свой вклад в процесс экструзии. Зона за грузки, например, принимает полимерную массу из бункера и направляет ее в зону сжатия, эта операция проходит без нагревания. Рис. 9. Схема процесса формования листовых термопластов 1 — лист термопластического материала; 2 — зажим; 3 — пуансон; 4 — размягчен ный нагревом лист; 5 — матрица; 6 — изделие, полученное методом формования лис товых термопдастов Рис.10. Схема процесса вакуумного формования термопластов 2 1 — зажим; 2 — лист термопласта; 3 — пресс-форма; 4 — изделие, полученное мето дом вакуумного формования термопластов В зоне сжатия нагревательные элементы обеспечивают плавление порошкообраз ной загрузки, а вращающийся шнек сдавливает ее. Затем пастообразный расплавленный пластический материал поступает в зону гомогенизации, где и приобретает постоянную скорость течения, обусловленную винтовой нарезкой шнека. Под действием давления, создаваемого в этой части экструдера, расплав полимера подается на выходное отверстие головки экструдера и выходит из него с желаемым профилем. Из-за высокой вяз кости некоторых полимеров иногда требуется наличие еще одной зоны, называемой рабочей, где полимер подвергается воздействию высоких сдвиговых нагрузок для повышения эффективности смешения. Экструдированный материал требуемого профиля выходит из экструдера в сильно нагретом состоянии (его температура составляет от 125 до 350°С), и для сохранения формы требуется его быстрое охлаждение. Экструдат поступает на конвейерную ленту, проходящую через чан с холодной водой, и затверде вает. Для охлаждения экструдата также применяют обдувку холодным воздухом и орошение холодной водой. Сформованный продукт в даль нейшем или разрезается или сматывается в катушки. Процесс экструзии используют также для покрытия проволок и кабелей поливинилхлоридом или каучуком, а стержнеобразных металлических прутьев — подходящими термопластичными материалами. 2.8 ВСПЕНИВАНИЕ Вспенивание является простым методом получения пено- и губкообразных материалов. Особые свойства этого класса материалов — амортизи рующая способность, легкий вес, низкая теплопроводность – делают их весьма привлекательными для использования в различных целях. Обыч ными вспенивающимися полимерами являются полиуретаны, полистирол, полиэтилен, полипропилен, силиконы, эпоксиды, ПВХ и пр. Вспененная структура состоит из изолированных (закрытых) или взаимопроника ющих (открытых) пустот. В первом случае, когда пустоты закрыты, они могут заключать в себе газы. Оба тина структур схематически представлены на рис.11. Рис.11. Схематическое изображение ячеистых структур открытого и закрытого типов, образующихся в процессе вспенивания 1- дискретные (закрытые) ячейки; 2 — взаимопроникающие (открытые) ячейки; 3 — стенки ячеек Существует несколько методов для производства вспененных или ячеистых пластиков. Один из них заключается в том, что через расплавлен ный компаунд продувают воздух или азот до его полного вспенивания. Процесс вспенивания облегчается при добавлении поверхностно-активных агентов. По достижении 2 требуемой степени вспенивания матрицу охлажда ют до комнатной температуры. В этом случае термопластичный материал затвердевает во вспененном состоянии. Термореактивные жидкие форполимеры могут быть вспенены в холодном состоянии, а затем нагреты до полного их отвердения. Обычно вспенивание достигается добавле- нием в полимерную массу пено- или газообразователей. Такими агентами являются низкомолекулярные растворители или определенные химиче ские соединения. Процесс кипения таких растворителей, как н-пентан и н-гексан, при температурах отвердения полимерных материалов со провождается интенсивным процессом парообразования. С другой стороны, некоторые химические соединения при этих температурах могут раз- лагаться с выделением инертных газов. Так, азо-бис-изобутиронитрил термически разлагается, освобождая при этом большой объем азота , выделяющийся в полимерную матрицу в результате протекания реакции между изоцианатом и водой, также используется для производства вспенен ных материалов, например пены полиуретана: Поскольку полиуретаны получают по реакции полиола с диизоцианатом, то для вспенивания продукта реакции необходимо добавление дополни тельных небольших количеств диизоцианата и воды. Итак, большое количество паров или газов, выделяемых пено- и газообразователями, приводит к вспениванию полимерной матрицы. Полимер ную матрицу во вспененном состоянии охлаждают до температур ниже температуры размягчения полимера (в случае термопластичных мате риалов) или подвергают реакции отвердения или сшивания (в случае термореактивных материалов), в результате матрица приобретает жест кость, необходимую для сохранения вспененной структуры. Этот процесс называется процессом “стабилизации пены”. Если матрицу не охлаждать ниже температуры размягчения или не сшивать, наполняющие ее газы покидают систему пор и пена коллапсирует. Пенопласты могут быть получены в гибкой, жесткой и полужесткой формах. Для того чтобы получить изделия из пенопласта напрямую, вспени вание следует проводить непосредственно внутри пресс-формы. Пенопласто вые листы и стержни также могут быть использованы для производства различных изделий. В зависимости от природы полимера и степени вспенивания плотность пенопластов может составлять от 20 до 1000 кг/см3. Ис пользование пенопластов весьма многообразно. Например, автомобиль ная промышленность использует большие количества пенопластов из ПВХ и полиуретана для обивки. Большую роль эти материалы играют и при изготовлении мебели. Жесткие полистирольные пенопласты широко ис пользуются для упаковки и теплоизоляции зданий. Пенорезины и пенополиуретаны используют для набивки матрасов и пр. Жесткие пенополиуретаны также применяются для теплоизоляции зданий и для изготовления протезов. 2.9 АРМИРОВАНИЕ При армировании пластической матрицы высокопрочным волокном получают системы, называемые “армированные волокном пластики” (АВП). АВП обладают весьма ценными свойствами: их отличает высокое отношение прочности к весу, значительная коррозионная стойкость и про стота изготовления. Методом армирования волокнами удается получать широкий круг изделий. Например, конструкторов, создателей космических кораблей при создании искусственных спутников в АВП 2 МЕТОД ОПРЫСКИВАНИЯ. В этом методе используют пульверизатор с многоручьевой головкой. Струи смолы, отвердителя и нарезанного волокна одновременно подаются из пульверизатора на поверхность формы (рис.14), где они образуют слой определенной толщины. Нарезанное волокно определенной длины получают непрерывной подачей волокон в измельчающую головку ап парата. После достижения требуемой толщины полимерную массу при нагревании отверждают. Распыление является экспресс-методом для по крытия больших поверхностей. Многие современные пластические изделия, такие, как грузовые платформы, резервуары для хранения, кузова грузо виков и корпуса кораблей, получают именно этим методом. Рис.14. Схематическое изображение метода опрыскивания 1 — форма; 2 — распыленная смесь нарезанного волокна и смолы; 3 — струя на резанного волокна; 4 — непрерывное волокно; 5— смола; 6— отвердитель; 7 — узел для нарезания волокна и распыления; 8 — струя смолы ДРУГИЕ МЕТОДЫ. Кроме описанных выше методов, в производстве армированных пласти ков известны и другие, каждый из которых имеет свое специфическое назначение. Так, метод изготовления непрерывных слоистых материалов используют для производства непрерывных листов армированных слоистых пластиков различной толщины. В этом процессе каждый отдельный слой тканой ленты, поступающей с рулонов, пропитывают смолой и отвердителем, а затем спрессовывают вместе, пропуская через систему горячих валков. После отвердения под действием температуры получают слоистый пластик I требуемой толщины (рис.15). Толщину материала можно варьировать, изменяя количество слоев. 2 Рис.15. Схематическое изображения метода производства непрерывных слоис тых материалов 1— подающие катушки; 2 — непрерывные листы стеклоткани; 3 — ванна для про питки в смеси смолы с отвердителем; 4 – непрерывный слоистый пластик; 5 – слоис тый пластик, нарезаемый на куски необходимого размера Другой метод, известный как метод получения одноосно ориентирован ного волокнистого пластика, позволяет изготовить из непрерывных пуч ков волокон такие изделия, как полые прутья или рыболовные удочки. Этот процесс сравнительно прост. Непрерывный пучок волокон, предвари тельно обработанный смолой и отвердителем, протягивают через фильеру соответствующего профиля (рис.16), нагретую до определенной тем пературы. На выходе из фильеры профилированное изделие продолжают нагревать. Отвержденный профиль вытягивают из фильеры системой враща ющихся валков. Этот процесс несколько напоминает экструзию с той лишь разницей, что при экструзии полимерный материал проталкивают через фильеру изнутри с помощью вращающегося шнека, а в описанном методе материал протягивают через выходное отверстие фильеры с внеш ней стороны. Рис.16. Схематическое изображение метода получения одноосно ориентированно го волокнистого пластика 1 — непрерывный пучок волокон, пропитанный смолой и отвердителем; 2 — нагре вательный элемент; 3 — фильера; 4 — вращающиеся вытягивающие валки; 5 — гото вое изделие, нарезанное на куски; 6 — профиль готового изделия Кроме того, смесь, содержащая нарезанные волокна, смолу и отверди тель, может быть сформована любым другим подходящим методом, на пример методом прямого прессования. Термопластичные материалы, наполненные нарезанными волокнами, могут быть сформованы прямым прессованием, литьем под давлением или экструзией для получения конеч ного продукта с улучшенными механическими свойствами. 2.10 ПРЯДЕНИЕ ВОЛОКОН Полимерные волокна получают в процессе, называемом прядением. Существуют три принципиально различных метода прядения: прядение из расплава, сухое и мокрое прядение. В процессе прядения из расплава полимер находится в расплавленном состоянии, а в других случаях – в виде растворов. Однако во всех этих случаях полимер, в расплавлен ном или растворенном состоянии, протекает через многоканальный мундштук, представляющий собой пластину с очень мелкими отверстиями для выхода волокон. ПРЯДЕНИЕ ИЗ РАСПЛАВА. В своей простейшей форме процесс прядения из расплава может быть представлен следующим образом. Первоначально полимерные чешуйки расплавляют на нагретой решетке, превращая полимер в вязкую подвиж ную жидкость. Иногда в процессе нагревания происходит образование комков вследствие протекания процессов сшивания или термической деструкции. Эти комки могут быть 2 легко удалены из горячего полимер ного расплава пропусканием через систему блок-фильтров. Кроме того, для предотвращения окислительной деструкции расплав следует защищать от кислорода воздуха. Это достигается в основном созданием вокруг расплава полимера инертной атмосферы азота, СОд и водяного пара. Дози рующий насос подает расплав полимера с постоянной скоростью на много канальный мундштук (фильеру). Расплав полимера проходит через систему мелких отверстий мундштука и выходит оттуда в виде непрерывных и очень тонких мононитей. При контакте с холодным воздухом происходит мгновенное затвердевание волокон, выходящих из фильер. Процессы охлаждения и отвердения могут быть в значительной мере ускорены при обдувке холодным воздухом. Выходящие из фильер твердые мононити наматываются на катушки. Важная особенность, которую следует учитывать в процессе прядения из расплава, заключается в том, что диаметр мононити в значительной степени зависит от скорости, с которой расплавленный полимер проходит через фильеру, и от скорости, с которой мононить вытягивают из фильеры и сматывают на катушки. Рис.17. Схематическое изображение процессов сухого прядения (а) и прядения из расплава (б) 1 — загрузочная воронка; 2 — полимерные чешуйки; 3 — нагретая решетка; 4 — го рячий полимер; 5 — дозирующий насос; б — расплав; 7— многоканальный мундштук, 8 — свежеспряденное волокно; 9 — катушка; 10 — раствор полимера; 11 — фильтр; 12 — дозирующий насос; 13 — многоканальный мундштук; 14 — свежеспряденное во локно; 15 — на катушку 2 поливинилхлорида, полиэтилена и пр. практически невозможно без введения в них активных абсорбцион ных центров при сополимеризации и химическом окислении. ЗАКЛЮЕНИЕ Как ранее было отмечено, к полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений. В начале 60-х г. полимеры считали лишь дешевыми заменителями дефицитного природного сырья – хлопка, шелка, шерсти. Но вскоре пришло понимание того, что полимеры, волокна и другие материалы на их основе подчас лучше традиционно используемых природных материалов – они легче, прочнее, более жаростойки, способны работать в агрессивных средах. Поэтому все свои усилия химики и технологи направили на создание новых полимеров, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, и методов их переработки. И достигли в этом деле результатов, порой превосходящих результаты аналогичной деятельности известных зарубежных фирм. 2 Полимеры широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта. При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли, и способы их получения. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров ста ли изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпус ных деталей машин и механизмов, несущих значитель ные нагрузки. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, – это область внутренней и внешней отделки. Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной про мышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка кры ла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа – с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость – на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изго товлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. Все эти примеры показывают огромную роль полимеров в нашей жизни. Трудно себе представить какие материалы на их основе будут еще получены. Но можно с уверенностью сказать, что полимеры займут если не первое, то хотя бы одно из первых мест в производстве. Совершенно очевидно, что качество, характеристики и свойства конечных продуктов напрямую зависят от технологии переработки полимеров. Важность этого аспекта заставляет искать все новые и новые способы переработки для получения материалов с улучшенными показателями. В данном реферате были рассмотрены лишь основные методы. Общее же их число на этом не ограничивается. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1.Пасынков В.В., Сорокин В.С., Материалы электронной техники, – М.: Высшая школа, 1986. 2.А. А. Тагер, Физикохимия полимеров, М., химия, 1978. 3.Третьяков Ю.Д., Химия: Справочные материалы. – М.: Просвещение, 1984. 4.Материаловедение/Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. 5.Донцов А. А., Догадкин Б. А., Шершнев В. А., Химия эластомеров, – М.: Химия, 1981. 2

Роль полимеров в нашей жизни

МКОУ Белоглазовская СОШ им.С.В.Галки филиала “МКОУ Самсоновская СОШ”

Сообщение на тему:

“Роль полимеров в нашей жизни”

Приготовила: Лапченко Алёна

Ученица10 класса

Проверила: Савастова Ольга Владимировна

Учитель биологии

2020 год

Введение.

Полимеры – это слово кажется нам современным, пришедшим к нам в индустриальный век развитых технологий, часто мы связываем полимеры со словом пластик. Однако полимеры существуют на нашей планете очень давно. Даже люди, животные и растения состоят из полимеров – белков, ДНК, РНК, целлюлоза и т.д. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения – полимеры. Однако именно сейчас люди научились создавать искусственные полимеры, чем значительно расширили возможности строительства, производства и быта.

Мы каждый день сталкиваемся с искусственными полимерами в нашей повседневной жизни. Благодаря своим ценным свойствам полимеры применяются в современном мире в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, в быту полимеры – текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы.

Актуальность: Полимерные материалы в жизнедеятельности человека имеют огромное значение. Поэтому вопрос о их использовании и дальнейшей утилизации особо актуален.

  1 Полимеры в жизни человека

            1.1 История полимеров

Термин полимеры происходит от греческого polymeres — состоящий из многих частей. Первые упоминания о синтетических полимерах были более 200 лет назад. Ряд полимеров, возможно, был получен еще в первой половине 19 века. Но в те времена химики не знали что продукты которые они получают являются полимерами. Великий русский химик А.М.Бутлеров изучал связь полимерные материалы и создал теории химического строения органических соединений. На ее основе и возникла химия полимеров. Главной причиной бурного развития химии полимеров стало потребность в новых недорогих материалах и развитие технического процесса.

             1.2 Структура полимеров

Молекула полимера (макромолекула) образуется в процессе химических реакций путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Для простого пониманий можно представить большой поезд – это молекула полимера, и последовательно соединенных вагонов – это структурные звенья. Образующиеся полимерные молекулы состоят из большого числа одинаковых звеньев и имеют большую массу — от нескольких тысяч до миллионов. Поэтому такие соединения называют высокомолекулярными. Полимеры могут состоять из одинаковых и разных вагончиков и это дает им разные свойства. На основе полимеров часто изготавливают более сложные полимерные материалы. Они также весьма широко используются, наряду с металлами, керамикой и деревом.

             1.3 Классификация и свойства полимеров

По своему строению полимеры делятся на линейные, разветвленные и пространственные. Если составляющие располагаются в макромолекуле в виде открытой цепи или вытянутой в линию последовательности, то это линейные. Если они имеют разветвления в двух направлениях это разветвленные полимеры. Если в трех направлениях то это пространственные.

По составу полимеры делятся на гомополимеры и гетерополимеры. Полимерные молекулы состоящие из одинаковых мономерных звеньев, наз. гомополимерами, например, поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза, а состоящие из различных звеньев гетероплимеры.

В зависимости от строения полимеров они обладают различными физическими свойствами. Линейные полимеры обладают способностью образовывать высокопрочные волокна и плёнки, способные к большим, длительным деформациям они как правило гибкие, мягкие и тягучие.

 Все разветвленные полимеры наоборот прочные и твердые.

             1.4 Природные и искусственные полимеры

 Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов и растений. С помощью специальных методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают в результате химических реакций. В основном синтетические полимеры получают из продуктов переработки нефти и газа. На специальных заводах сначала получают составляющие, которые далее в реакции соединяются в длинные цепи.

Полимеры бывают в нескольких агрегатных состояниях: твердом, мягком и текучем как жидкость.

             1.5 Применение полимеров и изделия из полимеров

Современное применение полимеров в виде веществ с особыми свойствами очень велико. К таким свойствам можно отнести лакокрасочные покрытия, получение специальных пленок, лекарственных препаратов и абсорбентов.

Как и говорили ранее полимеры могут быть и в жидком состоянии. Для этого необходимо нагреть всю массу до определенной температуры, самая распространенная температура до 200 градусов. Расплавленную массу заливают в специальную форму и охлаждают. В результате получается изделие. Таким же образом из жидкого состояния получают и тонкие волокна пропуская через специальную решетку с небольшими отверстиями.

Полимеры широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта.

В качестве примера можно оглянутся вокруг: ручки которыми мы пишем, краски которые используем, игрушки которыми играем, пластиковая посуда – все это лишь маленькая часть того где они могут использоваться.

Однако, выпуск значительных объемов полимерных изделий способствует растущему количеству твердых отходов, поскольку полимеры используются, как правило, всего один раз и далее выбрасываются.

Проблема переработки отслуживших свой срок изделий из полимеров является глобальной, и не может быть признана сугубо технической, либо существующей для отдельных стран или территорий.

Главным недостатком всех полимерных изделий является их утилизация после применения. Мы с вами видим много мусора который валяется в очень многих местах. Именно этот вопрос стоит перед техническим прогрессом.

 Люди научились получать материалы, но пока не научились его массово перерабатывать и использовать их так чтобы не загрязнять окружающий нас мир.   

2. Действие полиакрилатов в качестве абсорбентов. Абсорбенты – это вещества, обладающие способностью абсорбции  т. е. поглощения, всасывания какого-либо другого вещества из раствора всей своей массой. Данные особые свойства можно рассмотреть на примере таких полимеров – полиакрилатов.

Полиакрилаты – полимеры основой которых является акриловая кислота. Можно подобрать такое строение полимерного материала которое будет впитывать только воду или какую то иную жидкость.

Рассмотрим действие полиакрилатов в качестве абсорбентов.

-некоторое количество данного сухого сыпучего материала высыпаем в прозрачный стакан.

– наливаем в данный стакан воды для того чтобы было примерно половина стакана

-при перемешивании данный полимер превращается в гель.

Практическое применение геля – подгузники

Заключение

К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза, крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеров получают синтетическим путем на основе простейших соединений элементов природного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, и химических превращений.

Полимеры широко применяются во многих областях человеческой деятельности, удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, медицины, культуры и быта. При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли, и способы их получения. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей машин и механизмов, несущих значительные нагрузки.

Список использованной литературы:

·Леенсон И.А. Удивительная химия. – Издательство: Энас. – 2009.

·Аксенова А.А. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. – Издательство: Аванта+. – 2007.

·Савина Л.А. Я познаю мир. Химия. – Издательство: ООО “Издательство АСТ”. – 2007.

Скачано с www.znanio.ru

Органические молекулы: общий принцип строения

В многоклеточных организмах молекул больше, чем звёзд на небе. Основные функции в них выполняют органические молекулы — химические соединения на основе углерода. Минеральные вещества — оксиды, вода, кислород, соли и др., хотя и составляют 80% массы организма, выполняют в основном роль промежуточных метаболитов и среды для химических реакций.

Одни органические молекулы представляют собой небольшие относительно низкомолекулярные вещества (витамины, аминокислоты, органические кислоты, сахара, спирты и др.), другие – длинные цепи, состоящие из тысяч и миллионов атомов. Простые молекулы могут быть исполнителями некоторых жизненных функций:

• глюкоза — источник энергии;
• некоторые аминокислоты выполняют гормональную функцию.

Но большая часть низкомолекулярных веществ направлена на синтез крупных молекул. Высокомолекулярные — обычно многозвеньевые (полимерные) комплексы — называются макромолекулами (греч. macros — большой). Их делят на четыре категории:

Они являются основными химическими строительными блоками, из которых состоит весь организм. Исследованием органических молекул занимается наука биохимия. Начало современной биохимии положила демонстрация процесса ферментации вне клетки.

Органические молекулы и особенности их углеродных цепочек

Биологические системы подчиняются всем законам химии. Каркас органических молекул состоит из атомов углерода, связанных с атомами кислорода, азота, серы, фосфора и водорода. Поскольку атом углерода может образовывать до 4 ковалентных связей, молекулы, содержащие углерод могут образовывать разные цепи:

• прямые,
• ветвистые,
• кольцеобразные,
• шарообразные,
• в виде трубок,
• катушек.

Органические молекулы, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами. Так как углеводородные ковалентные связи хранят значительное количество энергии, углеводороды являются хорошим топливом. Это, например, газ пропан, состоящий из цепи из трёх атомов углерода, связанных с восьмью атомами водорода: C₃H₈.

Теоретически длина углеродных цепочек может быть неограниченной.

Органичесие молекулы и функциональные группы

Атомы углерода и водорода обладают очень похожими электронными свойствами. Поэтому их связи распределены равномерно без разницы во влиянии над молекулярной поверхностью. По этой причине углеводороды неполярны. Многие органические вещества содержат полярные группировки. Поскольку эти группировки существенно более реакционноспособны по сравнению с углеводородными цепями, они носят название функциональных групп.

Функциональные группы имеют определённые химические свойства, которые они сохраняют в любой ситуации. Например, гидроксильная (OH) и кислотная карбоксильная (COOH) группы полярны из-за электроотрицательности атомов кислорода. Другие общие функциональные группы: фосфатная (PO₄ –), которая при отщеплении даёт большое количество энергии и основная аминная (NH₂). Многие их них могут образовывать водородные связи. Доноров и акцепторов водородной связи можно опознать по деятельности их электронов.

Изомерия органических молекул

Органические молекулы, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, могут существовать в разных формах, называемых изомерами.

1. При различие в структуре их углеродного скелета (порядке соединения атомов) они называются структурными изомерами. Например, глюкоза и фруктоза — структурные изомеры с формулой C₆H₁₂O₆.

1. Другая форма изомерии называется стериоизомерией, молекулы имеют тот же углеродный скелет, но отличаются расположением (ориентацией) прикрепления к нему групп в пространстве. Ферменты биологических систем распознают только один специфический стериоизомер.
2. Молекула, которая имеет зеркальные версии, называется хиральной. Хиральность характеризуется наличием структур, которые нельзя совместить, поскольку они являются зеркальным отображением друг друга. Наиболее частое возникновение зеркальных свойств — наличие асимметричного атома углерода.

Хиральные соединения характеризуются влиянием на поляризованный свет. Поляризованный свет имеет одну плоскость, которую хиральные молекулы поворачивают вправо или влево. В этом случае образуется две формы изомеров с различной конфигурацией (энантиомеры — подкатегрия стериоизомеров). Чаще всего энантиомеры носят названия L и D-форм. Живые системы имеют тенденцию производить только один энантиомер из двух возможных форм; например, в большинстве организмов мы находим в основном D-сахара и L-аминокислоты. Молочная кислота существует в двух формах:

• правовращающая L-молочная кислота концентрируется в мышцах и крови животных;
• D-молочная кислота продуцируется микроорганизмами и может быть обнаружена например в молочных продуктах.

Полимеры и мономеры органических молекул

В большинстве случаев  органические макромолекулы являются полимерами. Полимер — это длинная молекула, построенная из объединения большого количества небольших похожих субъединиц, называемых мономерами. В упрощённом виде они похожи на железнодорожные вагоны, соединённые в поезд. Характер полимера определяется мономерами, используемыми для его построения. Вот несколько примеров полимеров и их мономеров.

• Сложные углеводы, такие как крахмал, состоят из простых кольцеобразных сахаров.
• Мономерами нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) являются нуклеотиды.
• Белки построены из аминокислот.

Липиды тоже макромолекулы, но они не соответствуют соотношению мономер — полимер. Липиды сформированы через реакции дегидратации, которые связывают жирные кислоты с глицерином. Макромолекулы образуются в результате химической реакции дегидратации и разрушаются гидролизом.

Реакции присоединения (дегидратации)

Несмотря на различия между мономерами основных органических полимеров, химия их синтеза аналогична. При образовании ковалентной связи между двумя мономерами с одной стороны отрывается гидроксильная группа OH, с другой атом водорода, а вместе получается молекула воды Н₂О.

Эта реакция характерна для присоединения нуклеотидов в молекуле ДНК и соединения молекул глюкозы, для получения крахмала. Она также используется для связывания жирных кислот и глицерина в молекулах липидов. Этот процесс называется также реакцией дегидрации, катализа или обезвоживания. Катализ осуществляется в клетке при участии ферментов.

Органические молекулы и реакция гидролиза

При разрыве мономеров происходит обратная реакция гидролиза с добавлением молекулы воды. В этой реакции атом водорода присоединяется к одной группе, а гидроксильная группа разрывает ковалентные связи. Когда вы едите картофель, ваш организм разрушает крахмал до глюкозы путём гидролиза.

Вам будет интересно

7. Основные понятия о высокополимерных материалах. Полимеризационные органические диэлектрики.

7. Основные понятия о высокополимерных материалах. Полимеризационные органические диэлектрики.

Высокополимерные материалы состоят из молекул больших размеров, которые включают в себя десятки и сотни тысяч молекул каких-либо простых веществ, называемых мономерами. Мономеры − вещества, легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций и образуется новое высокополимерное вещество (полимер) большой молекулярной массы.

Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей, т. е. линейную структуру. Полимеры, состоящие из молекул линейной структуры, называемые линейными полимерами, способны размягчаться при нагревании, т. е. являются термопластичными материалами. Полимеры, состоящие из молекул, развитых по трем направлениям в пространстве, и называемые пространственными, относительно хрупки и, как правило, не размягчаются при нагревании, т. е. являются термореактивными материалами. Полимеры могут иметь аморфное или кристаллическое строение, а некоторые смешанное-кристаллическое и аморфное. Высокополимерные вещества бывают природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид и др.). В виду ограниченности свойств природных полимеров в современной электротехнике используют главным образом синтетические высокополимерные диэлектрики. Эти материалы получают в результате химических реакций полимеризации и поликонденсации и соответственно называют полимеризационными и поликонденсационными диэлектриками.

Полимеризация − это процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества без изменения его элементарного состава в большие молекулы высокополимерного вещества.

Полистирол, являющийся одним из таких синтетических диэлектриков, получают в результате полимеризации исходного вещества − стирола, который представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, кипящую при температуре 145° С.В начальной стадии полистирол представляет собой густую прозрачную жидкость, которую разливают в подогретые стеклянные формы, где процесс полимеризации заканчивается. В формах образуется твердый прозрачный материал в виде пластин и стержней. Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные панели, основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. Основным недостатком полистирола и изделий из него является хрупкость, т. е. сравнительно невысокая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

Полиэтилен − твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь, получаемый полимеризацией под давлением газа этилена. Различают полиэтилен высокого (ПЭВД), среднего (ПЭСД) и низкого (ПЭНД) давления.

Из полиэтилена ВД изготовляют электроизоляционные полупрозрачные пленки, из полиэтилена СД, НД − негибкие электроизоляционные изделия, каркасы катушек, платы.

При комнатной температуре полиэтилены не растворяются ни в одном из растворителей. Все полиэтиленовые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения светостойкости в полиэтилены вводят сажу и другие красители. Изделия из полиэтилена могут соединяться сваркой.

Для устранения этих недостатков полиэтилен подвергают вулканизации при введении в него органических перекисей и последующей термической обработке.

Облучённый (сшитый) полиэтилен. Для повышения твёрдости и температуры размягчения полиэтилен подвергают воздействию мощного  излучения. В результате в полиэтилене образуются поперечные связи, что значительно повышает температуру размягчения, он становится твёрдым и не растворимым. Плёнки из такого материала могут длительно работать при температуре 100-110 ºС.

Стабилизированный полиэтилен содержит антиокислители (стабилизаторы). Это ароматические вещества, в состав которых входит группа NН_7. В результате процесс старения замедляется, и свойства полиэтилена в условиях нагрева более стабильны.

Негорючий полиэтилен получают добавлением трёхокиси сурьмы; чтобы устранить хрупкость, вводят также пластификатор – хлорированный  парафин.

Поливинилхлорид  представляет собой порошок белого цвета, из которого изготовляют горячим прессованием или горячим выдавливанием механически прочные изделия.

Порошкообразный поливинилхлорид получают в результате реакции полимеризации газообразного вещества − винилхлорида. Горячим прессованием порошкообразного поливинилхлорида получают твердый, жесткий материал − винипласт в виде листов, пластин, труб и стержней, который отличается химической стойкостью к минеральным маслам, разбавленным щелочам и кислотам. Винипластовые изделия обладают высокой механической прочностью, особенно к ударным нагрузкам, и имеют хорошие электроизоляционные свойства. Недостаток винипласта − малая холодостойкость. Разлагается винипласт при 150-200° С.

Поливинилхлоридный пластикат − гибкий рулонный материал, получаемый из порошка поливинилхлорида, смешанного с пластификаторами − густыми маслообразными жидкостями. Поливинилхлоридный пластикат широко применяется в качестве основной изоляции монтажных проводов, а также для изготовления защитных оболочек − шлангов, кабелей. Обычно он бывает окрашен в черный, синий, желтый, красный и другие цвета. Красители вводят для защиты материала от светового старения, а также для распознавания проводов при монтаже. Поливинилхлоридный пластикат без красителей − прозрачный материал с желтоватым оттенком. Из поливинилхлоридного пластиката изготовляют гибкие изоляционные трубки и липкую изоляционную ленту. Характерной особенностью поливинилхлоридных материалов является то, что, будучи вынесены из пламени, они перестают гореть.

Полиформальдегид − твердый термопластичный диэлектрик, образующийся в результате полимеризации газообразного формальдегида. Материал представляет собой порошок белого цвета,  из которого изделия получают литьем под давлением или экструзией. Повышенная твердость, большая стойкость к истиранию и малый коэффициент трения, позволяют изготовлять из полиформальдегида бесшумные шестеренные и червячные передачи и подшипники. Довольно широкий интервал рабочих температур (от 55 до 100 °С), влагостойкость, химическая стойкость, стойкость к искровым разрядам и хорошие электрические характеристики обеспечивают широкую область применения полиформальдегида в качестве электроизоляционного материала (изоляционные основания – платы, каркасы катушек сложного профиля). Изделия из полиформальдегида могут быть подвергнуты всем видам механической обработки (фрезерованию, обточке, сверлению и др.).

Органическое стекло (метилметакрилат) – термопластичный прозрачный материал, легко окрашиваемый во многие цвета, выпускается в виде листов или порошка. Исходным материалом служит жидкое вещество – метилметакрилат, в которое вводят небольшое количество перекиси бензоила и пластификаторы. Смесь перемешивают, нагревают и разливают в нагретые до 120ºС формы из обычного силикатного стекла или металла. Органическое стекло устойчиво к разбавленным кислотам и щелочам, к бензину и минеральным маслам. В нагретом состоянии (115-135ºС) легко формуется в стальных или деревянных пресс-формах. Органическое стекло поддается всем видам механической обработки.

Полиуретаны − непрозрачные полимерные материалы. Из твердых полиуретанов изготовляют литые изделия различной формы (например, кабельные муфты), а из пластичных − гибкие, эластичные пленки и волокна. Полиуретаны служат основой изоляционных лаков для эмалирования обмоточных проводов.

Достоинствами всех полиуретанов являются: хорошая адгезия (прилипание) к многим материалам, малая усадка при литье, атмосферостойкость и довольно высокие электрические характеристики, а недостатками − низкие холодостойкость, и нагревостойкость, не превышающая 100-105 °С.

Следует отметить, что почти все органические полимерные материалы, в том числе и полиуретаны, являются горючими веществами.

Биологические полимеры: белки, углеводы, липиды

Биологические полимеры – это большие молекулы, состоящие из множества похожих более мелких молекул, связанных между собой цепочечным способом. Отдельные молекулы меньшего размера называются мономерами. Когда небольшие органические молекулы соединяются вместе, они могут образовывать гигантские молекулы или полимеры. Эти гигантские молекулы также называют макромолекулами. Природные полимеры используются для создания тканей и других компонентов живых организмов.

Вообще говоря, все макромолекулы производятся из небольшого набора примерно из 50 мономеров.Различные макромолекулы различаются из-за расположения этих мономеров. Изменяя последовательность, можно получить невероятно большое разнообразие макромолекул. В то время как полимеры ответственны за молекулярную «уникальность» организма, обычные мономеры почти универсальны.

Изменение формы макромолекул в значительной степени отвечает за молекулярное разнообразие. Большая часть изменений, происходящих как внутри организма, так и между организмами, в конечном итоге может быть связана с различиями в макромолекулах.Макромолекулы могут варьироваться от клетки к клетке в одном и том же организме, а также от одного вида к другому.

Биомолекулы