Как образуются органические полимерные молекулы: Как образуются органические полимерные молекулы

alexxlab | 30.12.1981 | 0 | Разное

Содержание

Органические полимерные материалы

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые также макромолекулам, состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.

Отдельную группу также составляют олигомеры, которые по зна­чению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями

Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры, в свою очередь, подразде­ляют на природные и синтетические. В настоящей главе рассматри­ваются в основном органические синтетические полимеры.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

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

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 гомополимеризацию (один вид мономера) и сополимеризацию (два и более видов мономеров).

Полимеризация – самопроизвольный экзотермический процесс (DС<0, DН<0), так как разрыв двойных связей ведет к уменьшению энергии системы. Однако без внешних воздействий (инициаторов, катализаторов и т.д.) полимеризация протекает обычно медленно. Поли­тизация 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, фотохимического, химического, радиационного или других видов воздействий. Чаще всего инициаторами полимеризации служат пероксиды, азотосоединения (имеющие функциональную группу – N = N -) и другие единения с ослабленными связями. Первоначально образуются радикалы, например:

Затем образуются макрорадикалы, например при полимеризации хлорвинила:

R· + СН2 = СНС1 → ЯСН2 – СНСl·

RСН2 – СНСl + СН2 = СНСl → RСН2 – СНСl – СН2 – СНС1· 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-(-СН2-СНС1-)n-СН2-СНСl·+СН2=СНС1→

→ R-(-СН2-СНС1-)n-СН2-СН2С1 + 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-(-СН2-СНС1-)n-СН2-СНСl·+ R-(-СН2-СНС1-)n-СН2-СНСl·

→ R- (-СН2– СНС1-)n– СН2– СНС1 – СН2– СНС1- (-СН2-СНС1)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, этому 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-СНС1-]n, поливинилацетат [-СН2-СН(ОСОСН3)-]n, полистирол [CН2-СН(С6Н5)-]n, полиакрилат [-СН2-С(СН3)(СООК)-]n, полиэтилен [-СН2-СН2-]n, полидиены [-CН2-С(R)=СН-СН2-]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 Н2SO4 и НС1, органические протонные кислоты (SnСl4, ТiCl4, А1С13 и др.), металлоорганические соединения А1(С2Н5)з 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

Mn+ + M → Mn+1+

при анионной полимеризации

Mn + M → Mn+1

Рассмотрим в качестве примера катионную полимеризацию изобутилена с инициаторами А1С13 и Н2О. Последние образуют комплекс

А1С13 + Н2О ↔ Н+[А1ОНС13]

Обозначив этот комплекс формулой Н+Х, 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 быт комплекс тетрахлорида титана и триалкилалюминия А1R3.

Метод ионной полимеризации используется в производстве поли изобутилена [-СН2-С(СН3)2-]n, полиформальдегида [-СН2О-]n, поли­амидов, например поли-ε-капроамида (капрона) [-NH-(СН2)5-СО-]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 водеили 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, NНз, НС1, 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-(СН2)5-СООН →

аминокапроновая кислота

→ NH2-(СН2)5-СО-NН-(СН2)5-СООН+Н2О→

NH2-(СН2)5-СО-NН-(СН2)5-СООН+NH2-(СН2)5-СООН→

→NН2-(СН2)5-СО-NН-(СН2)5-СО-NН-(СН2)5-СООН+Н2О и т.д.

Конечным продуктом будет поли-ε-капроамид [-СО-NН-(СН2)5-]n.

Поликонденсация соединений с тремя или более функциональ­ными группами называется трехмерной. Примером трехмерной поликонденсации служит взаимодействие мочевины и формальдегида:

2-СО-NН2+СН2О → NН2-СО-NH-СН2ОН

2-СО-NH-СН2ОН + СН2О → СН2ОН-NН-СО-NН-СН2ОН

2 СН2ОН-NН-СО-NН-СН2ОН →

→Н2О+СН2ОН-NН-СО-NН-СН2-О-СН2-NН-СО-NН-СН2ОН

На первом этапе синтезируется олигомер линейной структуры:

[-СН2-NH-СО-NH-СН2-O]n

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

Такой полимер невозможно превратить в исходное состояние 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 таблице:

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, NН3, НС1, СН2О и др.) могут взаимодействовать с промежуточными продуктами поликонденсации, вызывая их расщепление (гидролиз, аминолиз, ацидолиз и др.), например:

– NН-СО-(СН2)5-NН-СО-(СН2)5- + Н2О →

→ – NН-СО-(СН2)5-NН2-НО-СО-(СН2)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.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров, например поли-ε-капроамид (капрон), полигексаметиленадипинамид (найлон) [–NН(СН2)6 NНСО(СН2)4СО-]n,

полиэфиры (полиэтилентерефталат [-(-ОС)С6Н4(СО)ОСН2СН2-]n),

полиуретаны [-ОRОСОNНR’NНСО-]n, полисилоксаны [-SiR2-О-]n,

полиацетали [- ОRОСНR’ -]n, фенолоформальдегидные смолы

мочевиноформальдегидные смолы и др.

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

Вопросы для самоконтроля

1. Напишите структурную формулу винилацетата. Приведите схему полиризации этого соединения.

2. Приведите схему сополимеризации акрилонитрила, СН3СН2СN и винилацетата.

3. Приведите схему поликонденцации терефталевой кислоты С6Н4(СООН) и этиленгликоля.

СТРОЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Форма и структура макромолекул полимеров. Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми Линейные полимеры образуются при полимеризации мономеров или линейной поликонденсации. Разветвленные полимеры мо­гут образовываться как при полимеризации, так и при поликонденса­ции. Разветвление полимеров при полимеризации может быть вызва­но передачей цепи на макромолекулу, росте боковых цепей за счет сополимеризации и другими причинами. Разветвленные полимеры образуются при поликонденсации многофункциональных соедине­ний, а также в результате прививки к макромолекулам боковых це­пей. Прививки проводят либо путем взаимодействия полимеров с олигомерами или мономерами, или путем физического воздействия (например, γ-облучения) на смесь полимера и мономеров. Сетча­тые полимеры образуются в результате сшивки цепей при вулкани­зации, образовании термореактивных смол и т.д. Форма макромоле­кул влияет на структуру и свойства полимеров.

Линейные и разветвленные макромолекулы из-за способности атомов и групп вращаться вокруг ординарных связей постоянно из­меняют свою пространственную форму, или, другими словами, име­ют много конформационных структур. Это свойство обеспечивает гибкость макромолекул, которые могут изгибаться, скручиваться, распрямляться. Поэтому для линейных и разветвленных полимеровхарактерно высокоэластическое состояние, т.е. способность к обратимой деформации под действием относительно небольших внешних сил. Они также обладают термопластическими свойствами, т.е. способны размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении без химических превращений. При разветвлении полимеров эластические и термопластические свойства становятся менее выраженными. При образовании сетчатой структуры термопластичность теряется. По мере уменьшения длины цепей в ячейках сеток утрачивается и частичность полимеров, например при переходе от каучука к эбониту.

Линейные макромолекулы могут иметь регулярную и нерегулярную структуру. В полимерах регулярной структуры от­ельные звенья цепи повторяются в пространстве в определенном порядке. Полимеры регулярной структуры получили название стереорегулярных. Полимеры, у которых отдельные звенья расположены в пространстве бессистемно, имеют нерегулярную структуру. В качестве примера приведем полипропилен нерегулярной (а) и регу­лярной (б) структуры:

Стереорегулярные полимеры обычно получают методом ионной поляризации с использованием комплексных катализаторов. Стереорегулярной структурой обладают натуральный каучук, а также неко­торые синтетические полимеры, например полиизобутилен, полиэти­лен, полипропилен. Стереорегулярность структуры изменяет тепло­вые и механические свойства полимеров.

Кристаллическое состояние полимеров. Большинство полимеров обычно находится в аморфном состоянии. Однако некоторые Полимеры в определенных условиях могут иметь кристаллическую структуру. Способностью кристаллизоваться обладают лишь стереорегулярные полимеры. Благодаря регулярной структуре и гибкости макромолекулы могут сближаться друг с другом на достаточно близкое расстояние, чтобы между ними возникли эффективные межмолекулярные взаимодействия и даже водородные связи, которые приво­дят к упорядочению структуры. Процесс кристаллизации полимера протекает через несколько стадий. На первой стадии возникают пачки – ассоциаты упорядоченно расположенных молекул. Из пачек образуются фибриллы и сферолиты. Фибриллы представляют собой агрегаты пачек продолговатой формы, а сферолиты игольчатые образования, радиально расходящиеся из одного центр. Наконец, из фибрилл и сферолитов образуются единичны кристаллы. Кристаллические полимеры состоят из большого числа кристаллов, между которыми находятся участки с неупорядочен ной структурой (аморфные области). Поэтому такие полимеры характеризуются определенной степенью кристалличности. На­пример, степень кристалличности полиэтилена может достигать 80%. Наиболее выражена способность к образованию кристаллов у полиолефинов, полиамидов и полиэфиров. Кристаллическое строение име­ет полимер карбин. Свойства кристаллических и аморфных полиме­ров существенно различаются. Так, аморфные полимеры характери­зуются областью температур размягчения, т.е. областью постепенно­го перехода из твердого состояния в жидкое, а кристаллические по­лимеры – температурой плавления. Некоторые полимеры образуют жидкие кристаллы.

Физические состояния аморфных полимеров. Аморф­ные полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэла­стическом и вязкотекучем со­стояниях. Для определения тем­пературных границ существова­ния этих состояний изучают зависимость деформации полимера от температуры, на основании которой строят термомеханическую кривую:

При низкой температуре полимер находится в стеклообразном состоянии (область 1), в котором полимер ведет себя как другое твердое тело. В этом состоянии отсутствует движение, как в молекулы, так и отдельных звеньев, а проявляются лишь колебания атомов около положения равновесия. При повышении температуры полимер переходит в высокоэластическое состояние, свойственное только высокомолекулярным соединениям ( область 2) вещество в высокоэластическом состоянии способно к значительным обратимым деформациям, что обусловлено подвижностью звеньев и соответственно гибкостью макромолекул.

Перемещение звеньев происходит не мгновенно, поэтому деформации полимеров в высокоэластическом состоянии имеют релаксационную природу, т.е. характеризуются временем установления равновесия. Высокоэластическое состояние полимеров проявляется в интервале от температуры стеклования (Тст) до температуры текучести (Тт) ( область 2). Если температурный интевал Тстт достаточно широк и захватывает обычные температуры, то такие полимеры называют эластиками, или эластомерами или каучуками. Полимеры с узким интервалом температур Тстт, смещенным в область повышенных температур, называют пластиками или пластомерами. При обычных температурах пластики находятся в стеклообразном состоянии. При температуре выше температуры текучести Тт (область 3) полимер переходит в вязкотекучее состояние. Повышение температуры выше Тр ведет к деструкции, разрушению полимера. Вещество в вязкотекучем состоянии под действием напряжений сдвига течет как вязкая жидкость, причем деформация полимера является необратимой (пластической). Вязкотекучее состояние характеризуется подвижностью как отдельных звеньев, так и всей макромолекулы. При течении полимера происходит распрямление макромолекул и их сближение, приводящее к усилению межмолекулярного взаимодействия, в результате которого полимер становится жестким и течение его прекращается. Это явление, характерное только для аморфных полимеров, получило название механического стеклования. Его используют при формировании волокон и пленок. В вязкотекучем состояние полимер может быть также переведен путем добавления растворителей или пластификаторов, например эфиров фосфорной и фталевой кислот.

Итак, полимеры могут иметь линейную, разветвленную и сетчатую структуры и находиться в аморфном, а некоторые полимеры в кристаллическом состоянии.

Вопросы для самоконтроля

4. Как различаются по строению и свойствам полимеры нерегулярной и регулярной структуры?

5. Какие различия в свойствах у аморфных и кристаллических полимеров?

СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ

Химические свойства полимеров. Химические свойства зависят от состава, молекулярной массы и структуры полимеров. Им свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями взаимодействия функциональных групп друг с другом и низкомолекулярными веществами и деструкции. Наличие у макромолекул двойных связей и функциональных групп обусловливает повышение реакционной способности полимеров. По той же причине отдельные макромолекулы могут сшиваться поперечными связями. Примерами образования поперечных связей могут быть вулканизация и перевод линейных макромолекул термореактивных полимеров в сетчатые структуры. При вулканизации происходит взаимодействие каучука с вулканизующим агентом, обычно с серой, с образованием резины (0,5 – 5% серы) или эбонита (20% и более серы), например:

К реакциям взаимодействия функциональных групп с низкомоле­кулярными веществами относятся галогенирование полиолефинов, гидролиз полиакрилатов и др.

Полимеры могут подвергаться деструкции, т.е. разрушению под действием кислорода, света, теплоты и радиации. Нередко деструкция вызывается одновременным воздействием нескольких факторов. В результате деструкции уменьшается молекулярная масса макромолекул, изменяются химические и физические свойства полимеров в конце концов полимеры становятся непригодными для дальнейшегоприменения. Процесс ухудшения свойств полимеров во временя результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы, чаще всего антиоксиданты, т.е. ингибиторы реакции окисления (фосфиты, фенолы, ароматические амины). Стабилизация обычно обусловлена обрывом цепи при взаимодействии антиоксидантов со свободными радикалами, образующимися в процессе реакции окисления.

Механические свойства полимеров. Механические свойства определяются элементным составом, молекулярной массой, структурой и физическим состоянием макромолекул.

Для полимеров характерны некоторые особенности, такие как высокоэластическое состояние в определенных условиях, механическое стеклование, способность термореактивных макромолекул образовы­вать жесткие сетчатые структуры. Механическая прочность полиме­ров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и далее сетчатым структурам. Стереорегулярные структуры имеют более высокую прочность, чем полиме­ры с разупорядоченной структурой. Дальнейшее увеличение механи­ческой прочности полимеров наблюдается при их переходе в кри­сталлическое состояние. Например, разрывная прочность кристалли­ческого полиэтилена на 1,5-2,0 порядка выше, чем прочность аморф­ного полиэтилена. Удельная прочность на единицу площади сечения кристаллических полимеров соизмерима, а на единицу массы на по­рядок превышает прочность легированных сталей.

Механическая прочность полимеров может быть также повышена путем добавления наполнителей, например сажи и мела, армировани­ем волокнами, например стекловолокном.

Электрические свойства полимеров. Все вещества подразделя­ются на диэлектрики, полупроводники и проводники.

Диэлектрики имеют очень низкую проводимость (σ<10–8 Ом–1.см–1), которая увеличивается с повышением температуры. Под Действием внешнего электрического поля происходит поляризация Диэлектриков, т.е. определенная ориентация молекул. Вследствие Поляризации внутри диэлектрика возникает собственное электриче­ское поле, которое ослабляет воздействие внешнего поля. Количественной характеристикой ослабления воздействия внешнего поля слу­пит диэлектрическая проницаемость, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Вследствие поляризации в диэлектрике возникают диэлектрические потери, т.е. превращение электрической энергии в тепловую, при некотором высоком напряжении внешнего электрического поля Диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства. Это напряжение получило название напряжения пробоя, а отношение напряжения пробоя к толщине диэлектрика – электрической прочности.

Большинство полимеров относится к диэлектрикам. Однако их диэлектрические свойства лежат в широких пределах и зависят от состава и структуры макромолекул. Диэлектрические свойства в зна­чительной степени определяются наличием, характером и концентра­цией полярных групп в макромолекулах. Наличие у макромолекул галогенных, гидроксидных, карбоксидных и других полярных групп ухудшает диэлектрические свойства полимеров. Например, диэлек­трическая проницаемость поливинилхлорида в 1,5 раза выше, удель­ное электрическое сопротивление и электрическая прочность на по­рядок ниже, а диэлектрические потери на два порядка выше, чем ана­логичные показатели у полиэтилена. Поэтому хорошими диэлектри­ками являются полимеры, не имеющие полярных групп, такие, как фторопласт, полиэтилен, полиизобутилен, полистирол. С увеличением молекулярной массы полимера улучшаются его диэлектрические свойства. При переходе от стеклообразного к высокоэластическому вязкотекучему состояниям возрастает удельная электрическая проводимость полимеров.

Электрическая проводимость диэлектриков обусловлена движением ионов, образующихся при деструкции полимеров, а также диссоциацией примесей, включая низкомолекулярные продукты пол конденсации, растворители, эмульгаторы, инициаторы и катализаторов полимеризации. Поэтому для улучшения диэлектрических свойств необходимо удалять примеси из полимеров.

Некоторые функциональные группы, например гидроксидные, обусловливают гидрофильность полимеров. Такие полимеры погло­щают воду. Наличие воды приводит к повышению электрической проводимости полимеров, поэтому гидроксидные группы стремятся связать между собой или с другими группами (реакция конденсации).

Полимерные диэлектрики широко применяются в электротехнике и радиотехнике как материалы различных электротехнических изде­лий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей и лаков.

Органические полупроводники и электролиты. К полупровод­никам относятся вещества, электрическая проводимость которых лежит в пределах 10–10÷10–3 Ом–1.см–1. Электрическая проводимость полупроводников возрастает с увеличением температуры и при воз­действии света. Некоторые полимеры обладают полупроводниковы­ми свойствами. Обычно это полимеры с системой сопряженных двойных связей. Полупроводниковые свойства таких полимеров обу­словлены наличием нелокализованных π-электронов сопряженных двойных связей.

В электрическом поле определенного напряжения эти электроны могут перемещаться вдоль цепи, обеспечивая перенос заряда. Приме­рами органических полупроводников могут служить полиацетилен [-СН=СН-]n, поливинилены [- НС = С -]n, полинитрилы [- N = С -]n,

| |

R R

продукты термической обработки полиакрилонитрила

В последние годы было открыто явление резкого возрастания электрической проводимости полиацетилена, полианилина (-С6НзNН2-)n, полипиррола (-С4НзN-)n и других полимеров при их химическом или электрохимическом окислении или восстановлении. При электрохимическом окислении в состав полимера внедряются анионы, Например С1О4, при восстановлении – катионы, например Li+. При некоторой концентрации добавок электрическая проводимость возрастает скачкообразно, например у полиацетилена от 10-6 до 101 Ом-1. см-1.

Допированные ионами органические полупроводники могут при­меняться в качестве электродных материалов аккумуляторов, пластин конденсаторов, материалов сенсоров, а в перспективе и для замены металлов (органические металлы).

Смесь некоторых полимеров, находящихся в аморфном состоя­нии, например, полиэтиленоксида (-СН2-СН2-О-)n с солями метал­лов, например, LiClO4, обладает ионной проводимостью, поэтому такие твердые электролиты могут получить применение в аккумуля­торах. Приемлемой ионной проводимостью обладают гелеобразные смеси полимера растворителя и соли.

Таким образом, физические и химические свойства полимеров за­висят от их состава и структуры.

Вопросы для самоконтроля

6. Какой из полимеров более устойчив против старения: фторопласт или по­лиэтилен?

7. У каких из двух полимеров выше электрическая проводимость: полипропи­лена или поливинилхлорида?

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Материалы, получаемые на основе полимеров. На основе по­лимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Волокна получают путем продавливания растворов или рас­плавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) в пластине с последующим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.

Полимерные пленки получают из расплавов полимеров методом продавливания через фильеры с щелевидными отверстиями или методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту или методом каландрования* полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, основы магнитных лент и т.д.

* Каландрование – обработка полимеров на каландрах, состоящих из двух или более валков, расположенных параллельно и вращающихся навстречу друг другу.

Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повы­шающие пластичность (пластификаторы), растворимые краси­тели, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных по­крытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лако­красочных эмалей.

Клеи- композиции, способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др.

Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые. Термопластические клеи образуют связь с поверх­ностью в результате затвердевания при охлаждении от температуры текучести до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи образуют связь с поверхностью в ре­зультате отвердевания (образования поперечных сшивок), резино­вые клеи – в результате вулканизации.

В качестве полимерной основы термореактивных клеев служат фенол- и мочевиноформальдегидные и эпоксидные смолы, полиуре­таны, полиэфиры и другие полимеры, термопластичных клеев – полиакрилы, полиамиды, поливинилацетали, поливинилхлорид и дру­гие полимеры. Прочность клеевого слоя например, фенолоформальдегидных клеев (БФ, ВК) при 20 °С при сдвиге лежит в пределах 15 до 20 МПа, эпоксидных – до 36 МПа.

Пластмассы – это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации – в стеклообразном. Все пластмассы подразде­ляются на реактопласты и термопласты. При формовании реактопластов происходит необратимая реакция отвердевания, заклю­чающаяся в образовании сетчатой структуры. К реактопластам отно­сятся материалы на основе фенолоформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. Термопласты способны мно­гократно переходить в вязкотекучее состояние при нагревании и стекло­образное – при охлаждении. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, полипропилена, поливинил хлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров.

Кроме полимеров в состав пластмасс входят пластификаторы красители и наполнители. Пластификаторы, например, диоктилфталат, дибутилсебацинат, хлорированный парафин, снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимера. Антиоксиданты замедляют деструкцию полимеров. Наполнители улучшают физико-механические свойства полимеров. В качестве наполнителей приме­няют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань. Осо­бую группу пластмасс составляют композиты.

Композиционные материалы (композиты) – сос­тоят из основы (органической, полимерной, углеродной, метал­лической, керамической), армированной наполнителем, в виде высо­копрочных волокон или нитевидных кристаллов. В качестве основы используются синтетические смолы (алкидные, фенолоформальдегидные, эпоксидные и др.) и полимеры (полиамиды, фторопласты, силиконы и др.).

Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (например, стеклянными, карбид­ными, нитридными, борными). Армирующие наполнители в значи­тельной степени определяют механические, теплофизические и элек­трические свойства полимеров. Многие композиционные полимер­ные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью (прочностью при раз­рыве 1300-2500 МПа) и хорошими электроизоляционными свойства­ми. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными во­локнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропроч­ность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители – борные волокна) имеют высокую прочность, твердость и низкую ползучесть.

Композиты на основе полимеров используются как конструкци­онные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие, анти­фрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной электротехнической, авиационной, радиотехнической, горнорудной промышленности, космической технике, химическом машинострое­нии и строительстве.

Редокситы. Широкое применение получили полимеры с окис­лительно-восстановительными свойствами – редокситы (с редоксгруппами или редоксиониты).

Применение полимеров. В настоящее время широко применяет­ся большое число различных п


17.2 Органические полимерные материалы

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.

Отдельную группу также составляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Различают неорганические, органические и элементоорганические полимеры. Органические полимеры, в свою очередь, подразделяют на природные и синтетические. В настоящей главе рассматриваются в основном органические синтетические полимеры.

17.2.1 Методы получения полимеров

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

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

Полимеризация – самопроизвольный экзотермический процесс (), 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.

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 служит электроноакцепторные соединения, в том числе протонные кислоты, например Н2SO4 и НСI, неорганические апротонные кислоты (SnCI4, ТiCI4, АICI3 и др.), металлоорганические соединения АI(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

,

при анионной полимеризации

.

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 (полимеризация в суспензии) мономер находится в виде капель, диспрегированных в воде или другой жидкости. В результате реакции образуются полимерные гранулы размером от дом. 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 применяется для получения полипропилена и других полимеров.

Поликонденсация. Реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н2О, NН3, НСI, 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:

2Nh3 (СН2)5 – СООН

аминокапроновая кислота

Nh3 – (CН2)5 – СО – NH – (СН2)5 – СООН + Н2О

Nh3 – (СН2)5 – СО – NH (СН2)5 – СООН + Nh3 – (CН2)5 – СООН

Nh3 – (Ch3)5 – СО – NH – (Ch3)5 –CO – NH – (Ch3)5 – COOH + h3O и т.д.

Конечным продуктом будет поли–капроамид 2)5n.

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

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 выше температуры плавления (размягчения) полимеров (обычно 200 – 400 ). 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.

Методом поликонденсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров, например поли–капроамид (капрон), полигексаметиленадипинамид (найлон) -NH(Ch3)6NHCO(Ch3)4CO-n, полиэфиры (полиэтилентерефталат -(-ОС)С6Н4(СО)ОСН2СН2-n), полиуретаны -OROCONHR NHCO-n, полисилоксаны -SiR2-О-n, полиацетали -OROCHR-т, фенолоформальдегидные смолы

OH

Ch3

n .

мочевиноформальдегидные смолы и др.

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

9.1. Методы получения полимеров – СтудИзба

9 ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характе­ризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих мил­лионов. Молекулы полимеров, называемые также макромолекулами, состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой молекулярной массы макромолекул полимеры приобретают некоторые специфические свойства. Поэтому они выделены в особую группу химических соединений.

Отдельную группу также составляют олигомеры, которые по зна­чению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Различают неорганические, органические и элементоорганиче-ские полимеры. Органические полимеры, в свою очередь, подразде­ляют на природные и синтетические. В настоящей главе рассматри­ваются в основном органические синтетические полимеры.

9.1. Методы получения полимеров

Полимеры получают методами полимеризации или поликонденсации.

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


Рекомендуемые файлы

Задача 91:В задачах (89-94), используя метод молекулярных орбиталей, объясните различные значения энергии связи

Химия

-67%

2,91,142,276,297

Химия

2019 ГОД, номера: 50, 91, 175, 219, 306, 397, 434, 481, 592

Химия

FREE

О.Ф. Петрухина – Аналитическая химия (Физические и физико=химические методы анализа)

Аналитическая химия

Контрольная работа № 2- Аналитическая химия и физико-химические методы анализа – 2020

Аналитическая химия и физико-химические методы анализа

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:

6Н5СОО)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

Mn+ + M ® M+n+1

при анионной полимеризации

Mn+ M ® Mn+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 2О, 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

Полимеры

Связи

Примеры полимеров

Полиамиды

Полиэфиры

Полиуретаны

Полимочевины

Силиконы

               О

               ÷÷

¾ NH ¾C¾

             O

             ÷÷

         ¾ С ¾ О ¾

            О

            ÷÷

¾О ¾ С¾ NH ¾

               O

               ÷÷

¾NH ¾ C ¾ NH ¾

     R               R

     ÷                 ÷

¾ Si ¾ O ¾ Si ¾

     ÷                ÷

R               R                         

                                

Найлон, капрон

Полиэтилентерефталат, терилен

Вайрин, ликра

Полинонаметиленмочевина, уралон

Диметилсилоксановый каучук

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.

Структурная формула пропана

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.

Важные функциональные группы и радикалы

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.

Полимеры и мономеры органических молекул

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.

Макромолекулы

Название макромолекулыИз чего состоитПримерФункции

Полисахариды

1. Крахмал

2. Гликоген

Глюкоза1. Запасное вещество растительных клеток.

2. Клетки печени животных, клетки грибов.

Хранение энергии.
ЦеллюлозаГлюкозаСельдерей, сахарная свёкла и другие растения.Опорная, в клеточной стенке растений.
ХитинМодифицированная глюкозаПокровы насекомых, клеточная стенка грибов.Структурная, опорная.

Нуклеиновые кислоты

ДНКНуклеотид.Хромосомы.Кодирует гены.
РНКНуклеотид.Матричная РНК (мРНК).Необходим для экспрессии генов.

Протеины (белки)

ФерментыАминокислотыКлеткиКатализ
КоллагенАминокислотыВолосы, кожа, шёлкСтруктурная

Липиды

Триглицериды (животные жиры, масла)Глицерин и 3 жирные кислотыМасло сливочное, кукурузное масло, мылоХранение энергии
ФосфолипидыГлицерин, 2 жирные кислоты, фосфат и полярные R-группыФосфатидилхолинКлеточная мембрана
ПростагландиныПятиуглеродные кольца с двумя неполярными хвостамиРецепторыХимические медиаторы
СтероидыЧетыре конденсированных углеродных кольцаЭстроген, холестеринГормональная, структурная – входит в состав мембран
ТерпеныДлинные углеродные цепиКаротин, каучук, хвойные растенияЧасть пигментов, структурная

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 NН7. 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

МОЛЕКУУЛ / НАУЧНАЯ ФОТОБИБЛИОТЕКА / Getty Images

Существует четыре основных вида биологических макромолекул: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Эти полимеры состоят из разных мономеров и выполняют разные функции.

  • Углеводы: молекул, состоящих из мономеров сахара. Они необходимы для хранения энергии.Углеводы также называют сахаридами, а их мономеры – моносахаридами. Глюкоза – важный моносахарид, который расщепляется во время клеточного дыхания и используется в качестве источника энергии. Крахмал является примером полисахарида (многие сахариды связаны вместе) и представляет собой форму хранящейся глюкозы в растениях.
  • Липиды: нерастворимых в воде молекул, которые можно классифицировать как жиры, фосфолипиды, воски и стероиды. Жирные кислоты – это липидные мономеры, которые состоят из углеводородной цепи с карбоксильной группой на конце.Жирные кислоты образуют сложные полимеры, такие как триглицериды, фосфолипиды и воски. Стероиды не считаются настоящими липидными полимерами, потому что их молекулы не образуют цепи жирных кислот. Вместо этого стероиды состоят из четырех кольцеобразных структур с конденсированным углеродом. Липиды помогают накапливать энергию, смягчают и защищают органы, изолируют тело и формируют клеточные мембраны.
  • Белки: биомолекул, способных образовывать сложные структуры. Белки состоят из мономеров аминокислот и выполняют широкий спектр функций, включая транспортировку молекул и движение мышц.Коллаген, гемоглобин, антитела и ферменты являются примерами белков.
  • Нуклеиновые кислоты: молекул, состоящих из нуклеотидных мономеров, связанных вместе с образованием полинуклеотидных цепей. ДНК и РНК являются примерами нуклеиновых кислот. Эти молекулы содержат инструкции по синтезу белка и позволяют организмам передавать генетическую информацию от одного поколения к другому.

Сборка и разборка полимеров

МАУРИЦИО ДЕ АНДЖЕЛИС / НАУЧНАЯ ФОТОБИБЛИОТЕКА / Getty Images

Хотя существуют различия между типами биологических полимеров, обнаруженных в разных организмах, химические механизмы их сборки и разборки в значительной степени одинаковы для разных организмов.

Мономеры обычно связываются вместе посредством процесса, называемого дегидратационным синтезом, в то время как полимеры разбираются посредством процесса, называемого гидролизом. В обеих этих химических реакциях участвует вода.

При дегидратационном синтезе образуются связи, связывающие мономеры вместе, при этом молекулы воды теряются. При гидролизе вода взаимодействует с полимером, вызывая разрыв связей, связывающих мономеры друг с другом.

Синтетические полимеры

MirageC / Getty Images

В отличие от природных полимеров, которые встречаются в природе, синтетические полимеры производятся людьми.Они получены из нефтяного масла и включают такие продукты, как нейлон, синтетические каучуки, полиэстер, тефлон, полиэтилен и эпоксидную смолу.

Синтетические полимеры имеют множество применений и широко используются в бытовых товарах. Эти продукты включают бутылки, трубы, пластиковые контейнеры, изолированные провода, одежду, игрушки и сковороды с антипригарным покрытием.

органических молекул: функциональные группы, мономеры и полимеры – видео и стенограмма урока

Функциональные группы

Удивительно, насколько это действительно просто.Все живые существа построены из молекул на основе углерода. Однако из этой простой истины все становится немного сложнее. Возможно, вы заметили, но вы выглядите иначе, чем дерево. И это потому, что органические молекулы содержат больше, чем просто углерод. Углерод является базовой структурой, но оттуда мы добавляем другие атомы, и молекула становится более сложной, развивая уникальные функции.

Так как же нам все исправить? Что ж, определенные атомы сгруппируются предсказуемым образом. Мы называем эти группы атомов в молекуле, которые имеют последовательное и специфическое поведение функциональными группами .

Позвольте мне показать вам, что я имею в виду. Внутри многих органических молекул мы видим кластеры из одного атома кислорода и одного атома водорода. Это функциональная группа, которая называется гидроксильная группа , более известная как спирт . Алкоголь летуч и сильнодействующий. Мы знаем, что когда мы видим единственные водород и кислород, связанные вместе на углероде, эта комбинация может реагировать определенным образом. Это лишь одна из многих функциональных групп, каждая из которых помогает ученым анализировать органические молекулы и понимать способы их функционирования.

Мономеры и полимеры

Хорошо, у нас есть основные углеродные цепи и функциональные группы. Давайте продолжим создавать органическую молекулу. Поскольку функциональные группы связываются с углеродными цепями, они образуют простые молекулы, называемые мономерами . Затем мономеры связываются вместе с образованием сложных молекул, называемых полимерами , . «Поли-» означает много, а «моно-» – один. Так что это хороший способ помнить, что мономеры – это одна основная молекула, а полимеры – это множество молекул, связанных вместе в сложную молекулу.

А теперь вспомните, как мы говорили о четырех основных типах органических молекул: белках, углеводах, липидах и нуклеиновых кислотах? Это сложные органические молекулы, поэтому они полимеры, а это означает, что они состоят из более простых мономеров.

Давайте рассмотрим один конкретный пример. Как насчет углеводной группы? Итак, мы начнем с нашей основной углеродной цепи, а затем добавим несколько функциональных групп. В этом случае мы добавляем карбонильную группу, состоящую из углерода, двойной связи с атомом кислорода, и нескольких гидроксильных групп, кислорода и водорода.В результате получается простая молекула, называемая моносахаридом , мономером углеводов. Разные вариации создают разные моносахариды, но все углеводы состоят из этого типа мономера.

Когда несколько моносахаридов связываются вместе, они образуют более сложный полимер, который является одним из видов углеводов. В этом случае глюкоза мономеров объединяется с образованием полимерного крахмала. Это основной способ, которым все органические молекулы принимают форму. Так же, как углеводы образуются из мономеров, называемых моносахаридами, протеин, образуются из аминокислот, липиды, образуются из глицерина и жирных кислот, а нуклеиновые кислоты, представляют собой набор мономеров, называемых нуклеотидами.Это действительно простой процесс: функциональные группы, мономеры, полимеры, жизнь.

Краткое содержание урока

На Земле существует невероятное количество разнообразных форм жизни. Несмотря на это, клетки всех живых существ состоят из одних и тех же основных материалов. Мы называем молекулы, которые образуют основные структуры клеток органическими молекулами , и они определяются наличием молекулярной структуры, построенной вокруг цепочек атомов углерода.

Итак, мы начнем с этих основных углеродных цепочек, а затем добавим дополнительные атомы, которые определяют его структуру и назначение.Группы атомов в молекуле, которые имеют последовательное и специфическое поведение, называются функциональными группами . Когда несколько функциональных групп присоединяются к углеродной цепи, они образуют простую молекулу, называемую мономером . Эти мономеры объединяются в сложные молекулы, называемые полимерами и .

Есть четыре группы полимеров, которые составляют органические молекулы, на которых построена вся жизнь. Углеводы образуются из моносахаридов и производят энергию. Белки образуются из аминокислот и создают клеточные структуры. Липиды образуются из глицерина и жирных кислот для образования жиров. А нуклеиновые кислоты и образуются из нуклеотидов для создания генетического материала. С помощью этих молекул мы создаем клетки всего живого. От нас до нашей продукции – все органическое.

Органический полимер – обзор

Органические полимеры как стационарные фазы

Органические полимеры используются в различных формах для получения стационарных фаз в ВЭЖХ.Полимеры можно использовать в виде мелких частиц, подобных тем, которые получают из гидратированного диоксида кремния, или их можно изготавливать в виде монолитов. Кроме того, некоторые полимеры можно использовать в качестве неподвижной фазы после синтеза или можно использовать в качестве твердого носителя, который затем дериватизируют для получения активной неподвижной фазы. Для некоторых конкретных типов хроматографии, таких как эксклюзионная хроматография или ионный обмен, очень распространено использование органических полимеров в качестве стационарной фазы. Для других типов ВЭЖХ, таких как обращенная фаза, полимеры в качестве стационарной фазы играют менее важную роль.

Перфузионные частицы полимеров обычно содержат очень большие поры (например, диаметром 600–1000 нм), соединенные с сетью более мелких пор (диаметром 30–100 нм). Поток подвижной фазы через колонку, заполненную перфузионными частицами, происходит через большие поры с процессом диффузии через более мелкие поры. Размер частиц полимера важно контролировать (как и в случае частиц диоксида кремния). Этого можно достичь, используя моноразмерные полимерные затравочные частицы [40].

Одним из наиболее распространенных полимерных носителей, используемых в качестве неподвижной фазы, является полистирол, сшитый дивинилбензолом (PS-DVB).Этот материал получают суспензионной полимеризацией с использованием двухфазной органической / водной системы. Сшивающую полимеризацию проводят в присутствии инертных разбавителей, которые смешиваются с исходными мономерами, но не должны растворяться в водной фазе. Частицы субмикронного размера (микрошарики) образуются по мере полимеризации стирол-дивинилбензола и выпадения его в осадок из раствора. Образованные микрошарики сливаются вместе, образуя макропористые частицы. Первоначально в микрогранулах может присутствовать сеть микропористости, и необходимо контролировать условия полимеризации, чтобы минимизировать этот тип пористости, поскольку это приводит к получению мягкого полимера, который имеет низкую механическую прочность и высокую склонность к набуханию.После образования сшитых пористых частиц PS-DVB любые остаточные реагенты, разбавители и поверхностно-активные вещества должны быть удалены путем тщательной промывки. Другие полимеры, такие как метакрилаты и поливиниловый спирт, также используются в качестве неподвижных фаз. Эти органические полимеры используются как для приготовления частиц, так и для изготовления монолитных колонн.

Стационарные фазы, которые представляют собой органические полимеры и содержат определенные функциональные группы, могут быть получены либо путем дериватизации, либо непосредственно путем полимеризации мономера, уже имеющего желаемые функциональные группы.Стационарные фазы, содержащие группы C18, NH 2 или CN, коммерчески доступны для RP-HPLC, а фазы, содержащие COOH, SO 3 H, NH 2 и NR3 +, коммерчески доступны для ионообменной хроматографии.

Особое направление, в котором были предприняты усилия для разработки полимерных неподвижных фаз, – это полимерные монолиты [41,42]. Монолиты были получены из различных мономеров с использованием сшивающего агента или без него. Исходные монолиты просто получали из стирола и дивинилбензола, которые сополимеризовали в порогенном растворителе и в присутствии радикального инициатора.Новая удобная процедура начинается с глицидилметакрилата, который полимеризуется под действием УФ, термического или γ-излучения в присутствии сшивающего агента, такого как этилендиметакрилат, и с использованием порогенного растворителя и инициатора (например, 2,2′-азобис- изобутиронитрил).

Особым типом полимерной неподвижной фазы является фаза, покрытая или связанная с диоксидом кремния. Большая площадь поверхности и механическая прочность диоксида кремния делают этот материал лучше в качестве носителя, чем органические полимеры. Однако свойство полимера может быть желательным в некоторых применениях, таких как устойчивость к более широкому диапазону pH, чем диоксид кремния, или конкретное хиральное свойство, такое как свойство целлюлозы или амилозы.В таких случаях полимер может быть просто нанесен на поверхность диоксида кремния или связан ковалентными связями с использованием, например, амино- или глицидильных групп, присутствующих на предриватизированном диоксиде кремния. В таких процессах важно сохранение пористости кремнезема [43].

Образование полимеров | MATSE 81: Материалы в современном мире

Конденсационная полимеризация.

Щелкните, чтобы увидеть стенограмму конденсационной полимеризации.

Из этого видео вы узнаете, как образуются конденсационные полимеры, некоторые примеры конденсационных полимеров и способы их использования.

В отличие от аддитивных полимеров, в которых мономеры реагируют с образованием единого продукта, в реакции конденсационной полимеризации не только образуется полимер, но также удаляется или теряется небольшая молекула, обычно вода. Мы рассмотрим два типа конденсационных полимеров – полиэфиры и полиамиды.

Сначала рассмотрим полиамиды. Это известно как амидная связь. Он образуется, когда карбоновая кислота реагирует с амином. При образовании нейлона 6,6 мы взаимодействуем с молекулой с аминогруппой на каждой стороне, известной как гексан-1,6-диамин, и молекулой с карбоновой кислотой на каждом конце, гександиовой кислотой.Поскольку обе эти молекулы имеют длинноцепочечные атомы углерода, они лишь усложняют визуальную структуру. Давайте удалим их и заменим прямоугольными блоками. Теперь вы можете увидеть функциональные группы на концах каждой молекулы. Карбоновая кислота и аминогруппа расположены рядом друг с другом. Эти группы реагируют с образованием воды, которая удаляется. И образуется большая молекула полимера, скрепленная амидными связями. Отсюда и название Полиамид. Нейлон находит множество применений в текстильной промышленности, но он также является конструктивно прочным материалом, используемым в машиностроении.Особенно там, где требуется низкое трение, например, в подшипниках или втулках.

Теперь мы можем аналогичным образом взглянуть на полиэфиры. Сложный эфир образуется при реакции спирта с карбоновой кислотой. В этом примере мы покажем образование полиэтилентерефталата, более известного как ПЭТ. Использование карбоновой кислоты Бензол-1,4-дикарбоновой кислоты и спирта этан-1,2-диола. Еще раз, поскольку эти молекулы имеют длинную углеродную цепь, которая может сбивать с толку общую структуру, мы заменим их прямоугольными блоками.Как вы можете видеть, когда мы выравниваем две молекулы, карбоновая кислота и группа спирта могут вступать в реакцию между молекулами, заставляя сложноэфирные связи удерживать вместе большую молекулу полимера. И снова идет вода. ПЭТ обычно используется в качестве пластика для бутылок для напитков, а полиэстер используется для производства ткани для одежды.

В конце этого руководства вы должны понять, что такое конденсационные полимеры, и уметь приводить примеры полиэфиров и полиамидов, а также их использование.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Органические молекулы

Органические соединения – это соединения, содержащие атомы углерода. В живых системах большие органические молекулы, называемые макромолекулами, могут состоять из сотен или тысяч атомов. Большинство макромолекул – это полимеры, молекулы, которые состоят из одной единицы (мономера), повторяющейся много раз.

Четыре из шести электронов углерода могут образовывать связи с другими атомами. Таким образом, вы всегда будете видеть четыре линии, соединяющие атом углерода с другими атомами, каждая линия представляет пару общих электронов (один электрон от углерода и один от другого атома).Сложные молекулы могут быть образованы соединением атомов углерода по прямой линии или соединением атомов углерода вместе с образованием колец. Присутствие азота, кислорода и других атомов добавляет разнообразия этим молекулам углерода.

Четыре важных класса органических молекул – углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты – обсуждаются в следующих разделах.

Углеводы

Углеводы подразделяются на три группы в зависимости от количества присутствующих молекул сахара (или сахаридов):

  • Моносахарид – простейший вид углеводов.Это отдельная молекула сахара, например фруктоза или глюкоза (рис. 1). Молекулы сахара имеют формулу (CH 2 O) n , где n – любое число от 3 до 8. Для глюкозы n равно 6, а его формула – C 6 H 12 О 6 . Формула фруктозы также следующая: C 6 H 12 O 6 , но, как вы можете видеть на рисунке 1, расположение атомов углерода отличается. Очень небольшие изменения положения определенных атомов, например, тех, которые различают глюкозу и фруктозу, могут кардинально изменить химию молекулы.
  • Дисахарид состоит из двух связанных молекул сахара. Например, глюкоза и фруктоза соединяются с образованием сахарозы (см. Рисунок 1).
  • Полисахарид состоит из ряда связанных моносахаридов. Таким образом, полисахарид является полимером, потому что он состоит из повторяющихся звеньев моносахарида. Крахмал – это полисахарид, состоящий из тысячи или более молекул глюкозы, который используется в растениях для хранения энергии. Аналогичный полисахарид, гликоген, используется у животных с той же целью.

Рис. 1. Молекулярная структура нескольких углеводов.

Липиды

Липиды – это класс веществ, нерастворимых в воде (и других полярных растворителях), но растворимых в неполярных веществах (таких как эфир или хлороформ). Есть три основные группы липидов:

  • Триглицериды включают жиры, масла и воски. Они состоят из трех жирных кислот, связанных с молекулой глицерина (рис. 2). Жирные кислоты – это углеводороды (цепи ковалентно связанных атомов углерода и водорода) с карбоксильной группой (–COOH) на одном конце цепи.Насыщенная жирная кислота имеет одну ковалентную связь между каждой парой атомов углерода, и каждый углерод имеет два связанных с ним атома водорода. Вы можете вспомнить этот факт, думая, что каждый углерод «насыщен» водородом. Ненасыщенная жирная кислота возникает, когда двойная ковалентная связь заменяет одну ковалентную связь и два атома водорода (рис. 2). Полиненасыщенные жирные кислоты имеют много таких двойных связей.
  • Фосфолипиды выглядят так же, как липиды, за исключением того, что одна из цепей жирных кислот заменена фосфатной (–P0 4 3–) группой (рис. 3).К фосфатной группе обычно присоединяются дополнительные химические группы (обозначенные буквой R на рисунке 3). Поскольку жирнокислотные «хвосты» фосфолипидов неполярны и гидрофобны, а глицериновые и фосфатные «головы» полярны и гидрофильны, фосфолипиды часто находятся в виде сэндвич-образований с гидрофобными головками, ориентированными наружу. Такие образования фосфолипидов составляют структурную основу клеточных мембран.
  • Стероиды характеризуются основой из четырех связанных углеродных колец (рис. 4).Примеры стероидов включают холестерин (компонент клеточных мембран) и определенные гормоны, включая тестостерон и эстроген.

Рис. 2. Молекулярная структура триглицерида.

Рис. 3. Молекулярная структура фосфолипида.

Рисунок 4. Примеры стероидов.

Белки

Белки представляют собой класс молекул, которые выполняют различные функции. Яйца, мышцы, антитела, шелк, ногти и многие гормоны частично или полностью являются белками.Хотя функции белков разнообразны, их структуры похожи. Все белки представляют собой полимеры аминокислот; то есть они состоят из цепочки ковалентно связанных аминокислот. Связи между аминокислотами называются пептидными связями, а цепь представляет собой полипептид или пептид. Один белок отличается от другого количеством и расположением 20 различных аминокислот. Каждая аминокислота состоит из центрального углерода, связанного с аминогруппой (–NH 2 ), карбоксильной группы (–COOH) и атома водорода (рис. 5).Четвертая связь центрального углерода обозначена буквой R, которая указывает на атом или группу атомов, которые варьируются от одного вида аминокислоты к другому. Для простейшей аминокислоты, глицина, R представляет собой атом водорода. Для серина R представляет собой CH 2 OH. Для других аминокислот R может содержать серу (как в цистеине) или углеродное кольцо (как в фенилаланине).

Рисунок 5. Примеры аминокислот.

Существует четыре уровня, описывающих структуру белка:

  • Первичная структура белка описывает порядок аминокислот.Используя три буквы для обозначения каждой аминокислоты, первичную структуру белкового антидиуретического гормона (ADH) можно записать как cys-tyr-glu-asn-cys-pro-arg-gly.
  • Вторичная структура белка – это трехмерная форма, которая возникает в результате образования водородных связей между аминокислотами. Склеивание образует спираль (альфа-спираль) или сложенную плоскость, которая очень похожа на складки на юбке (бета-гофрированный лист).
  • Третичная структура белка включает дополнительные трехмерные формы, которые возникают в результате взаимодействия между R-группами.Например, гидрофобные группы R имеют тенденцию слипаться внутри белка, в то время как гидрофильные группы R слипаются с внешней стороны белка. Дополнительное трехмерное формирование происходит, когда аминокислота цистеин связывается с другим цистеином через дисульфидную связь. Это заставляет белок скручиваться вокруг связи (рис. 6).
  • Четвертичная структура описывает белок, который собран из двух или более отдельных пептидных цепей. Белковый гемоглобин, например, состоит из четырех пептидных цепей, которые удерживаются вместе водородными связями, взаимодействиями между группами R и дисульфидными связями.

Рис. 6. Дисульфидные связи могут определять структуру белка.

Нуклеиновые кислоты

Генетическая информация клетки хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК, в свою очередь, передает свои генетические инструкции рибонуклеиновой кислоте (РНК) для управления различными метаболическими действиями клетки.

ДНК

представляет собой полимер нуклеотидов (рис. 7 молекула ДНК состоит из трех частей – азотистого основания, пятиуглеродного сахара, называемого дезоксирибозой, и фосфатной группы.Есть четыре нуклеотида ДНК, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований (аденин, тимин, цитозин и гуанин). Первая буква каждого из этих четырех оснований часто используется для обозначения соответствующего нуклеотида (например, A для аденинового нуклеотида).

Рисунок 7. Молекулярная структура нуклеотидов.

На рисунке 8 показано, как две цепи нуклеотидов, соединенные слабыми водородными связями между основаниями, образуют двухцепочечную ДНК. При таком соединении ДНК образует двухцепочечную спираль или двойную спираль.Обратите внимание, что аденин всегда связывается с тимином, а цитозин всегда связывается с гуанином.

РНК

отличается от ДНК следующим образом:

  • Сахар в нуклеотидах, составляющих молекулу РНК, – это рибоза, а не дезоксирибоза, как в ДНК.
  • Нуклеотид тимина не встречается в РНК. Его заменяет урацил. Когда в РНК происходит спаривание оснований, урацил (вместо тимина) соединяется с аденином.
  • РНК
  • обычно одноцепочечная и не образует двойной спирали, как ДНК.

Рисунок 8. Двумерные иллюстрации структуры ДНК.

Как образуются полимеры? | Органические молекулы

Полиэтилен (полиэтилен)

Набор изделий из полиэтилена: полиэтиленовые пакеты, шприц, трубы, пластиковая ограда для дерева.

Ранее в этом руководстве мы рассмотрели структуру группы углеводородов, называемой алкенами . Одним из примеров является молекула этена .Структурная формула этена показана на рисунке ниже. Когда множество молекул этена связываются вместе, образуется полимер под названием полиэтилен (обычно называемый полиэтиленом). Этен представляет собой ненасыщенный мономер , который при присоединении к другим молекулам этена посредством реакции присоединения образует насыщенный полимер полиэтилен .

Полиэтилен является наиболее распространенным пластиком, ежегодно производится более 80 миллионов метрических тонн. Он широко известен как полиэтилен.Это дешево и используется для изготовления бутылок, пластиковых пакетов, пленок, игрушек и формованных предметов, а также для электроизоляции. Он имеет номер вторичной переработки 4, что означает, что его легко обрабатывать, он обладает прочностью, жесткостью, гибкостью, легко герметизируется и имеет барьер для влаги.

Полимеризация мономера этена с образованием полимера полиэтилена . Единица повтора выделена синим цветом.

Полимер может представлять собой цепочку из тысяч мономеров, поэтому вытягивать весь полимер невозможно.Скорее, структура полимера может быть конденсирована и представлена, как показано на рисунке ниже. Мономер заключен в скобки, а n представляет количество повторяющихся звеньев (насыщенная форма мономера) в полимере, где n – любое целое число. Это показывает, что мономер повторяется неопределенное количество раз в молекуле полиэтилена.

Упрощенное изображение полиэтилена.

Дополнительное видео: что такое HDPE?

Полипропилен (полипропилен)

Набор изделий из полипропилена: крышка лампы, компьютерные детали и тележки для покупок.

Другой пример полимера – полипропилен (см. Рисунок ниже). Полипропилен (широко известный как полипропилен) также является пластиком, но он прочнее полиэтилена и используется для изготовления ящиков, волокон и веревок, а также используется в текстильных изделиях, канцелярских товарах и деталях автомобилей. В этом полимере мономером является алкен под названием пропен .


(a) Полимеризация мономера пропена с образованием полимера полипропилена .Единица повтора выделена синим цветом. (б) Упрощенное представление полипропилена.

Дополнительное видео: что такое PP?

Полистирол

Коллекция изделий из полистирола: чашка, футляр для гитары, резьба из полистирола и лапша для плавучего бассейна.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.