Свойства полимеров и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Строение и свойства полимеров

Классификация полимеров

Полимеры в машиностроении

Тефлон

Каучук, резина

Фенолформальдегидные смолы

Органическое стекло

Список литературы

Строение и свойства полимеров

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями.

Макромолекулы полимеров могут иметь различную геометрическую форму в зависимости от строения основной цепи.

1) Линейная (волокна, полиэтилен, сера пластическая).

2) Разветвленная (крахмал, полиэтилен высокого давления).

3) Пространственная (резина, фенолформальдегидные смолы, кварц)

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из них: способность образовывать высокопрочные анизотропные волокна и пленки; способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавкие и неспособны к высокоэластичным деформациям.

Линейные полимеры могут иметь как кристаллическую, так и аморфную структуру. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфные строение характеризуется отсутствием упорядоченности. Разветвленные и пространственные полимеры, как правило, являются аморфными.

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

Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры с помощью света, радиации или «сшивания» под действием химических реагентов.

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

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

Классификация полимеров

По происхождению полимеры делятся на:

1) природные (биополимеры), например, белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные

2) синтетические, например, полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

Атомы или атомные группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например, каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы).

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

Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными. Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

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

В зависимости от состава основной цепи полимеры делят на:

1) гетероцепные, в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора.

2) гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов.

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

Полимеры в машиностроении

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет быстрыми темпами. К примеру, в 1960 г. в машиностроении использовалось всего 116 000 т. пластмасс, а 1976 г. - 800000 т. При этом в 1980 г в машиностроение направлялось 28% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а в 2000 г. доля машиностроения в использовании пластмасс увеличилась до 37--38% .

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. 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. Ниже будет подробнее рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стеклу 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.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект, в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности, тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами, что повышает уровень полезного использования термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и сплавов все более жесткие требования предъявляются к обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же они в большинстве своем хрупки. Поэтому, чтобы удержать их от растрескивания, приходится каждое зернышко окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением синтетических смол.

Таковы лишь некоторые примеры и основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях в наши дни изготовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале производства цельнопластмассовый автомобилей. Наиболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое блоки пластмассовых деталей существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла 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 изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета «Конкорд». Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150°С, и в то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.

Тефлон

Ближайшие родственники полиэтилена, сходные с ним по строению, подчас сильно отличаются от него по свойствам и приятно удивляют учёных новыми ценными качествами.

Если заменить все атомы водорода в молекуле этилена на атомы фтора, то этилен превратится в тетрафторэтилен, полимеризацией которого химики-технологи получили первую фторсодержашую пластмассу (фторопласт), которая активно используется в автомобильном оснащении.

Политетрафторэтилен, названный впоследствии тефлоном, по многим механическим, физическим, химическим свойствам, как оказалось, превосходит не только полиэтилен, но и все остальные известные полимеры. Этот материал безразличен к действию любых растворителей и имеет необычно высокую температуру размягчения, равную 327°С. А разложение тефлона начинается при рекордной для полимеров температуре -- 425 °С!

Тефлон обладает непревзойдённой химической стойкостью: он совершенно не горит, на него не действуют концентрированные кислоты и щёлочи. Этот замечательный материал незаменим при изготовлении химической аппаратуры для агрессивных сред, негорючей электроизоляции, а также подшипников и деталей, не требующих смазки.

Каучук, резина

Помимо высокомолекулярных веществ семейства полиэтилена существует огромный класс полимеров, получаемых из сопряжённых диенов: бутадиена-1,3; 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена) и их аналогов.

В результате полимеризации этих непредельных углеводородов образуются высокомолекулярные вещества, называемые каучуками:

1) натуральный изопреновый каучук;

2) синтетический бутадиеновый каучук

Природный каучук стал известен в Европе ещё в конце XV в. Первыми из европейцев его увидели участники второго путешествия Христофора Колумба в Америку (1493--1496 гг.). Тогда они узнали, что американские индейцы получают «слезы дерева» (на их языке «кау» означало «дерево», а «учу» -- «течь», «плакать») из млечного сока тропического растения гевея и используют его для изготовления обуви, мячей, небьющейся посуды. Однако в Европе в течение долгого времени экзотический материал не находил никакого применения. Только в 1823 г. шотландский изобретатель Чарлз Макинтош (1766--1843) предложил пропитывать ткань смесью каучука с органическим растворителем. В результате был получен непромокаемый материал. Макинтош первым организовал производство таких тканей и пошив из них дождевых плащей. Правда, у этих плащей были весьма неприятные недостатки -- они прилипали к телу в жаркую погоду и трескались в холодную.

В 1834 г. американский изобретатель Чарлз Гудьир (1800--1860) предложил вводить в каучук оксиды магния и кальция, а в 1839 г. изучил действие нагрева на смесь сырого каучука с оксидом свинца и серы. Полученный в результате новый материал назвали резиной (от греч. «резина» -- «смола»), а процесс превращения каучука в резину при нагревании с серой -- вулканизацией (по имени римского бога огня Вулкана).

Резина, в отличие от каучука, представляет собой сшитый полимер. Однако благодаря большому расстоянию между сшивками макромолекулы не теряют способности выпрямляться при растяжении и сворачиваться в клубки после снятия механической нагрузки. С другой стороны, сшивки не дают резине плавиться при нагревании и кристаллизоваться при охлаждении. Таким образом, резина, находясь в аморфном состоянии, сохраняет свои механические свойства в более широком диапазоне температур, чем каучук.

С развитием автомобилестроения в конце XIX в. резко возрос спрос на автомобильные шины, и резина, сочетающая эластичность с высокой механической прочностью, оказалась единственным подходящим материалом для их изготовления. Для производства шин с каждым годом требовалось всё больше резины, а, следовательно, и натурального каучука. Тогда каучук получали по старинке -- из млечного сока гевеи. Основными поставщиками этого ценного природного полимера были тропические страны -- Бразилия, английские и французские колонии в Юго-Восточной Азии. Для получения 1000 т. растительного полимера необходимо было обработать 3 млн. каучуконосных деревьев и затратить на это в течение года труд 5,5 тыс. человек.

Таким образом, необходимый для изготовления резины натуральный каучук был достаточно дорогим и дефицитным материалом. По этой причине в первой половине XX в. химики настойчиво искали вещества, способные заменить каучук и синтезируемые из доступных дешёвых соединений.

Первой страной, освоившей промышленное производство синтетического каучука, стал Советский Союз. В конце 20-х гг. русский химик Сергей Васильевич Лебедев (1874-- 1934) занялся проблемой полимеризации бутадиена-1,3. Учёный и его коллеги нашли подходящий катализатор -- им оказался металлический натрий. И в 1927 г. исследователь, проведя ионную каталитическую полимеризацию, получил первые образцы синтетического натрий-бутадиенового каучука. Лебедев и его группа разработали также дешёвый способ получения бутадиена-1,3 из этилового спирта.

Промышленное производство бутадиенового каучука было налажено в 1932 г., когда вступили в строй заводы в Ярославле и Воронеже.

В 1935 г. наступила новая эра в производстве синтетических каучуков: их стали делать из сополимеров, получаемых радикальной полимеризацией 1,3-бутадиена в присутствии стирола, акрилонитрила и других соединений. Сополимеры бутадиена начали быстро вытеснять другие каучуки в производстве автомобильных шин.

Наибольшее распространение в этой области имеет бутадиен-стирольный каучук -- продукт радикальной сополимеризации бутадиена и стирола. Он широко применяется в производстве резины для легковых автомобилей, однако шины для грузовиков и самолётов по-прежнему делают из натурального или синтетического полиизопренового каучука.

В 1953г. благодаря открытию катализаторов Циглера -- Натты учёным всё-таки удалось получить регулярные полибутадиен и полиизопрен, которые по прочности и эластичности превосходили все известные к тому времени синтетические каучуки.

Вскоре выяснилось, что по составу и строению макромолекул регулярный полиизопрен тождествен натуральному каучуку, и химики реализовали свою давнюю мечту -- получать в промышленном масштабе каучук гевеи. Синтетические каучуки в значительной степени вытеснили натуральный каучук. Например, в 1985 г. в мире было произведено 12 млн. тонн синтетического каучука и только 4 млн. тонн натурального.

Фенолформальдегидные смолы

В обычной жизни смолой называют густую тягучую жидкость, выступающую из надреза в коре сосны, ели и некоторых других деревьев. Раньше, когда не было синтетических смол, люди использовали только природные. Многие из них (например, канифоль, копал, янтарь, натуральный каучук) имеют растительное происхождение, однако есть и такие смолы, которые производятся животными, в частности, шеллак.

Раньше природный шеллак был практически незаменимым материалом: из него делали граммофонные пластинки и другие предметы быта, а его спиртовой раствор использовали в качестве лака для дерева. Шеллак стоил очень дорого: европейцам приходилось завозить его из далёких южных стран -- Индии и Индокитая. Процесс получения шеллака из природного сырья был очень долгим и трудоёмким. Все эти причины заставили химиков в конце XIX в. заняться поисками материала, который смог бы заменить шеллак. И такой материал удалось найти. Им стала фенолформальдегидная смола -- синтетическая смола, получаемая нагреванием смеси фенола с формальдегидом.

Реакция образования фенолформальдегидной смолы впервые была описана немецким учёным Адольфом Байером в 1872 г. В результате этой реакции молекулы формальдегида связывают между собой молекулы фенола, при этом выделяется молекула воды. Формальдегид способен взаимодействовать с молекулами фенола по орто-и пара-положениям с образованием сетчатого полимера.

С применением в машиностроении фенолформальдегидных смол изготавливают детали для широкой гаммы продукции машиностроения, абразивные инструменты, тормозные колодки для вагонов метрополитена.

Органическое стекло

полимер каучук тефлон промышленный

С древнейших времён человеку было известно стекло -- твёрдый прозрачный термостойкий материал. К сожалению, оно очень хрупкое. И только в XX в. развитие химии полимеров позволило получить пластмассу, по свойствам похожую на неорганическое стекло, -- полиметилметакрилат (ПММА). Это высокомолекулярное соединение образуется в результате радикальной полимеризации мономера -- метилового эфира метакриловой кислоты.

В макромолекулах ПММА к атому углерода присоединено два заместителя -- полярная сложноэфирная и метильная группы. Силы притяжения между молекулами полимера чрезвычайно велики, и потому ПММА -- один из самых жёстких пластиков: его можно пилить и обрабатывать на токарном станке.

Этот бесцветный прозрачный полимер при температуре более 110°С размягчается и переходит в вязко-текучее состояние. Поэтому ПММА легко перерабатывается в различные изделия формованием и литьём под давлением. Полиметилметакрилат -- один из наиболее термостойких полимеров: он начинает разлагаться только при температуре свыше 300°С.

Лёгкие прозрачные листы, изготовленные из ПММА, химики-технологи назвали органическим стеклом. Главное достоинство этого материала -- его высокая прочность. Она превосходит прочность обычного (силикатного) стекла в десятки раз: предметам из органического стекла не страшны удары. В отличие от обычного стекла, оргстекло хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Однако такое стекло уступает обычному в твёрдости (острые предметы оставляют на нём царапины) и химической стойкости.

Благодаря уникальным свойствам оргстекло прочно обосновалось в промышленности и в быту, потеснив в некоторых областях силикатное стекло. Оно широко применяется в машиностроении, в военной технике, авиации, различных измерительных приборах, часовых механизмах.

Список литературы

1. Ершов В.В., Никифоров Г.А., Володькин А.А. Пространственно-затруднённые фенолы. - М.: Химия,1972.

2. Карякин Ю.В, Ангелов И.И. Чистые химические вещества. - М.: Химия, 1974г.

3. Общая органическая химия, том 5. - М.: Химия,1983.

4. Органикум. Практикум по органической химии, том 1. - М.:Мир,1973.

5. Химия и физика полимеров: Учебное пособие для ВУЗов, Тугов И.И., 1989г.

Размещено на Allbest.ru