Полімери кислот та їх похідні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Харківський національний педагогічний університет

ім. Г.С. Сковороди

Кафедра хімії

Індивідуальне навчально-дослідне завдання

з курсу"Органічного синтезу"

на тему: Полімери кислот та їх похідні

Харків 2013

Зміст

Вступ

1. Загальна характеристика полімерів

1.1 Структура полімерів

1.2 Хімічна будова полімерів

1.3 Застосування полімерів

1.4 Сировинна, база виробництва полімерів

2. Полімери похідних акрилової та метакрилової кислот

Висновок

Вступ

Поняття полімер вивчає передусім не склад речовини, а те, як вона побудована. Полімери - це форма організації матерії.

Хімія полімерів, як наука, виникла лише після створення в 60-х роках XIX ст. російським хіміком О. Бутлеровим (1828-1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією.

В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так за походженням полімери поділяються на:

1. природні або натуральні, до яких відноситься велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт та ін.).

2. синтетичні -- утворені синтезом з низькомолекулярних речовин -- мономерів (поліетилен з етилену, полістирол із стиролу). Це ведуча група, тому що синтез дозволяє цілеспрямовано регулювати склад і властивості.

3. штучні -- утворюються з природних полімерів шляхом їхньої хімічної модифікації (наприклад, при взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Полімер (грец. рплэ- -- багато (poli); мЭспт -- частина (meres) -- «складається з багатьох частин») -- природні та штучні сполуки, молекули яких складаються з великого числа повторюваних однакових або різних за будовою атомних угруповань, з'єднаних між собою хімічними або координаційними зв'язками в довгі лінійні або розгалужені ланцюги. Структурні одиниці, з яких складаються полімери називаються мономерами.

1. Загальна характеристика полімерів

1.1 Структура полімерів

Структурні елементи полімерів -- макромолекули. Структура макромо-лекули - це складне поняття, яке включає хімічну будову, довжину і розподіл по довжинам та молекулярним масам, просторове розташування ланок, фор-му макромолекули. Знання основних параметрів структури дає можливість її регулювати і впливати на властивості.

При розгляді структури полімеру потрібно враховувати:

* будову кінцевих груп, які відрізняються від будови основної ланки, яка пов-торюється (це суттєво для олігомерів);

* неоднорідність хімічного складу (результат побічних реакцій при утворен-ні);

* неоднорідність за числом складових ланок, обумовлену статистичним хара-ктером протікання реакцій утворення;

* різне просторове розміщення ланок у макромолекулі;

* надмолекулярну структуру.

1.2 Хімічна будова полімерів

Хімічна будова складової ланки характеризує хімічну будову макромолеку-ли. В залежності від цього полімери поділяються на:

* органічні -- головний ланцюг містить атоми C, O, N, S. У бокові групи мо-жуть входити Н, галогени, які безпосередньо з'єднані з вуглецем або атоми інших елементів безпосередньо не з'єднані з вуглецем головного ланцюга.

* неорганічні -- складаються з неорганічних атомів і не містять органічних бокових радикалів.

* елементоорганічні -- їх макромолекули наряду з атомами вуглецю містять неорганічні фрагменти.

За складом головних ланцюгів їх поділяють:

- з'єднання з неорганічними ланцюгами, обрамлені боковими органічними групами;

- з'єднання, в головному ланцюгу яких знаходяться атоми вуглецю, а бокові групи містять любі інші атоми за виключенням азоту, сірки, кисню і галоге-нів, з'єднаних безпосередньо з атомами вуглецю;

- з'єднання з органонеорганічними ланцюгами.

1.3 Застосування полімерів

Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які при умілому їх використанні забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів та рентабельність їх виробництва.

До основних переваг полімерів відносять:

* висока технологічність, завдяки якій з виробничого циклу можна вилучити трудомісткі та коштовні операції механічної обробки виробів;

* мінімальна енергомісткість обумовлена тим, що температура переробки цих матеріалів складає, як правило, 150 -- 250 °C, що значно нижче ніж у металів та кераміки;

* можливість отримання за один цикл формування відразу декілька виробів, у тому числі складної конфігурації, а при виробництві погонажних виробів вести процес на великих швидкостях;

* практично всі процеси переробки автоматизовані.

У наслідок перелічених особливостей полімери отримали виключно широке розповсюдження та ефективно використовуються практично в усіх галузях світового господарства.

Основними виробниками полімерів є США, Японія, Німеччина, Корея, Китай. полімер хімічний акриловий макромолекула

Близько 90 % усього виробництва полімерних матеріалів приходиться на декілька різновидів великотоннажних полімерів. Випуск поліолефінів, по-ліетилену низької та високої щільності (ПЕНЩ та ПЕВЩ) та поліпропілену (ПП), складає від 35 до 45 % загальної кількості об'єму виробництва, від 11 до 20 % -- частка полівінілхлориду (ПВХ), 9- 13 % припадає на полістироль-ні полімери, від 2 до 7 % -- на поліаміди. До 4 % характеризується частка епоксидних смол, ненасичених поліефірів, поліетилентерефталата (ПЕТФ), полікарбонату (ПК), поліацеталей.

1.4 Сировинна, база виробництва полімерів

На початку розвитку галузі основною сировиною були продукти пере-робки вугілля (продукти коксування і газифікації кам'яного вугілля). Сучасне виробництво полімерів базується на вуглеводнях -- продуктах переробки нафти, попутного і природного газу. Доля цього виду сировини складає бли-зько 90 %, доля продуктів переробки вугілля -- 9-10 %, а доля рослинної сировини -- лише 1 %. Вартість сировини в собівартості виробництва полімерів складає 70-80 %.

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

* парафінів -- метану, етану, пропану, бутану і пентанів; вуглеводні цієї групи зустрічаються у природному і попутному нафтовому газі, а також утворюються при термічних і каталітичних процесах переробки нафти, вугілля та інших горючих копалин;

* олефінів -- етилену, пропілену, бутилену -- утворюються при термічних і каталітичних процесах переробки нафти, а також при піролізі і гідруванні вуглеводневих газів групи парафінів;

* діолефінів; головними представниками цього ряду, які мають велике практичне значення, є бутадієн і ізопрен. Вони найбільш економічно утворюються при дегідруванні вуглеводнів групи А і Б;

* ацетилен -- одержують крекінгом або піролізом вуглеводнів парафінового ряду.

2. Полімери похідних акрилової та метакрилової кислот

Метакрилова кислота, б-акрилова кислота, формула CН 2 C (CН 3 ) -- СООН безбарвна рідина з різким запахом; t пл 16 °С, tкіп 160,5° З, щільність 1,0153 г/см 3 (20 °С); розчинна у воді і органічних розчинниках. Метакрилова кислота відновлюється амальгамою натрію з спиртами утворює CHC (CН 3 ) COO - солі або складні ефіри; легко з утворенням кислоти -- безбарвного, крихкого, неплавкого, дуже гігроскопічного продукту, типового слабкого поліелектроліту.

Метакрилову кислоту отримують приєднанням синильної кислоти HC до ацетону з подальшою дегідратацією до лонітріла Ch 2 C (Ch 3 ) -- C, якою піддають обмиленню. Метакрилова кислота і її похідні застосовують для здобуття технічно важливих полімерних продуктів.

Акрилова кислота -- найпростіша ненасичена карбонова кислота. Безбарвна рідина з гострим запахом, розчинається у воді. Температура кипіння tкип=141,9 °C.

Утворюється при гідролізі акрилонітрилу, окисленням акролеїну та ін. Полімери ефірів акрилової кислоти використовують у виробництві пластмас та органічного скла.

Формула: C3H4O2

Структура:

У промисловості акрилову кислоту отримують при окисленні пропілену при нагріванні у присутності каталізатору:

Полімери похідних акрилової та метакрилової кислот або так звані полі акри-лату являють собою великий і різноманітний клас полімеризаційних поліме-рів, який широко застосовується в техніці.

Значна асиметричність молекул акрилових і метакрилових ефірів визначає їх велику схильність до полімеризації.

Полімеризація має ланцюговий радикальний характер і проходить під дією світла, тепла, перекисів та інших факторів, що ініціюють зростання вільних радикалів. Чисто термічна полімеризація протікає дуже повільно, і цей спосіб застосовують рідко. Зазвичай полімеризацію проводять в присутності ініціаторів-перекису бензоїлу та водорозчинений перекисів. Застосовуються три основні методи ініційованої полімеризації ефірів: блочний, водоемульсійні і в розчинниках.

Блоковий метод полімеризації доцільно застосовувати для виробництва поліметилметакрилату, який випускають у вигляді прозорих і безбарвних пластин і блоків (органічне скло). Поліметилметакрилат у вигляді блочного полімеру отримують ретельним змішуванням ініціатора - перекису бензоїлу - з мономером і наступним заливанням суміші в скляні форми. Основна трудність процесу блочної полімеризації полягає в складності регулювання температури всередині блоку. Внаслідок екзотер-мічіості полімеризації і малої теплопровідності полімеру (0,17 Вт/м- ° С) неминучі перегріви всередині блоку через збільшення швидкості реакції і, отже, різкого підвищення температури. Це веде до випаровування мономеру, утворення здуття, якщо зовнішні шари блоку вже досить в'язки і перешкоджають виділенню газів з нього. До певної міри уникнути здуття можна зміною концентрації ініціатора і температури полімеризації. Чим товще одержуваний блок, тим менше повинна бути концентрація ініціатора, повільніше підйом температури і нижче температура полімеризації. Необхідно мати на увазі, що місцеві перегріви, уникнути яких повністю неможливо, неминуче ведуть до внутрішнім напруженням в блоці через різного ступеня полімеризації у внутрішніх і зовнішніх його шарах.

Процес виробництва органічного скла включає приготування форм і їх заливання, попередню і остаточну полімеризацію і роз'єм форм. Форми зазвичай роблять з полірованого дзеркального силікатного скла, яке має бути ретельно промите в умовах, що виключають потрапляння пилу. Для виготовлення форми беруть два скляних аркуші. На краю одного з них

поміщають прокладки з гнучкого еластичного матеріалу, по висоті рівні товщині виготовленого блоку. Ці прокладки покривають другим листом скла, після чого краї обклеюють міцної і тонким папером, залишаючи отвір для заливання мономеру. Одночасно готують суміш, ретельно перемішуючи мономер, ініціатор і пластифікатор. Змішування можна виробляти в нікелевому котлі, забезпеченому пропелерної або якірної мішалкою, герметично закривається сферичною кришкою, на якій є люк і штуцери для завантаження мономеру, ініціатора та інших компонентів. Перемішування ведуть при звичайній температурі протягом 30-60 хв, після чого через зливний нижній штуцер суміш надходить у вагові мірники, а із мірників через лійку - у форми. Полімеризацію проводять шляхом послідовного проходження залитими формами ряду камер з приблизно таким режимом: у першій камері при 45-55 ° С вони знаходяться 4-6 год, у другій при 60-66 ° С -8-10 год і в третій при 85-125 ° С -8 ч. Після закінчення полімеризації форми занурюють у воду, після чого блоки можна легко відокремлювати від силікатних стекол. Готові листи направляють на обрізку країв і на поліровку. Листи повинні бути прозорими, без міхурів, здуттів. Розміри (з допусками) і фізико-механічні властивості повинні відповідати технічним умовам. Поліметілметакрілатние скла виготовляють різної товщини - від 0,5 до 50 мм і іноді більше.

Водоемульсійну полімеризацію акрилатів застосовують для одержання ливарних та пресових порошків, а також стійких водяних дисперсій типу латексу. Воду і акриловий ефір беруть у відношенні 2: 1. Якщо потрібно жорсткий пружний матеріал, то раціонально застосовувати «бісерний» метод суспензійний полімеризації, отримуючи гранульований полімер. Ініціатором служить перекис бензоїлу, яку розчиняють в мономере (від 0,5 до 1%). В якості емульгатора застосовують карбонат магнію, а також поліакрилова кислота, полівініловий спирт та інші водорозчинні полімери. Величина гранул залежить від концентрації емульгатора і швидкості перемішування. Воду і мономер беруть у співвідношеннях 2:1 або 3:1. Процес виробництва гранульованого полімеру складається з завантаження сировини в реактор, полімеризації, фільтрації і промивки гранул полімеру, сушіння і просіювання.

У нікелевий реактор, забезпечений паровою сорочкою і мішалкою, послідовно завантажують з мірника дистильовану воду і мономер, потім вручну через штуцер вносять емульгатор. Після перемішування протягом 10-20 хв в реактор вводять пластифікатор, барвник та ініціатор, розчинний у мономере. Подачею в сорочку реактора пара піднімають температуру до 70 - 75 ° С. Через 40-60 хв за рахунок тепла, що виділяється в результаті полімеризації, температура в реакторі підвищується до 80-85 ° С. Температуру можна регулювати подачею води або пари в сорочку реактора. Контролем процесу служить визначення вмісту мономеру. Полімеризація триває 2-4 год; по закінченні полімеризації реакційну суміш переносять в центрифугу з кошиком з нержавіючої сталі, в якій гранули полімеру легко відділяються і багаторазово промивають водою для очищення від емульгатора.

Відмитий порошок завантажують на алюмінієві листи тонким шаром і сушать у термошкафах при повільному підйомі температури в межах 40-70 ° С протягом 8-12 ч. Після сушіння порошок просівають і укладають в тару. Гранульований поліметилметакрілат без переробки можна застосовувати для виготовлення лаків.

Для отримання пресувальних порошків гранульований полімер необхідно пропустити через вальці протягом 3-5 хв при 170-190 ° С; в процесі цієї операції до поліметилметакрилату можуть бути додані пластифікатори та барвники. Вальцьовані листи подрібнюють на ударно-хрестової млині і просіюють через сито.

Висновок

Структурні елементи полімерів -- макромолекули. Структура макромо-лекули - це складне поняття, яке включає хімічну будову, довжину і розподіл по довжинам та молекулярним масам, просторове розташування ланок, фор-му макромолекули.

Метакрилову кислоту отримують приєднанням синильної кислоти HC до ацетону з подальшою дегідратацією до лонітріла Ch 2 C (Ch 3 ) -- C, якою піддають обмиленню. Метакрилова кислота і її похідні застосовують для здобуття технічно важливих полімерних продуктів.

Акрилова кислота -- найпростіша ненасичена карбонова кислота. Безбарвна рідина з гострим запахом, розчинається у воді.

Размещено на Allbest.ru