Применение полимеров непредельных и ароматических углеводородов в строительной индустрии (полистирол)

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Магнитогорский государственный технический университет

имени Г.И.Носова»                                                                                        Кафедра химии, технологии упаковочных производств

Реферат

на тему:

«Применение полимеров  непредельных и ароматических углеводородов  в строительной индустрии (полистирол)».

Выполнил:

 Сайпашев Роман Станиславович

 студент группы ТСАБ-12

Проверила:

Медяник Надежда Леонидовна

 заведующая кафедрой ХТУП,

 доцент, кандидат технических наук

Магнитогорск

2013

Содержание

Введение 3

Общая характеристика и классификация полимеров. 3

Структура полистирола. 6

Описание полистирола. 7

Применение в промышленности. 9

Заключение. 13

Список литературы 14

Введение                                                                                                                          Общая характеристика и классификация полимеров

Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно  повторяющихся звеньев – мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы: синтетические полимеры (искусственные), природные органические и природные неорганические полимеры.

Природные и искусственные  полимеры сыграли большую роль в  современной технике, а в некоторых  областях остаются незаменимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной промышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических  полимеров - материалов, полученных синтезом из низкомолекулярных веществ и  не имеющих аналогов в природе. Развитие химической технологии высокомолекулярных веществ - неотъемлемая и существенная часть современной НТР. Без полимеров  уже не может обойтись ни одна отрасль  техники, тем более новой.

В настоящее время широко применяется большое число различных  полимеров.

Углеводоро́ды — органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. Углеводороды считаются базовыми соединениями органической химии, все остальные органические соединения рассматривают как их производные.

Поскольку углерод имеет  четыре валентных электрона, а водород  — один, простейший углеводород  — метан (CH4).

При систематизации углеводородов  принимают во внимание строение углеродного  скелета и тип связей, соединяющих  атомы углерода. В зависимости  от топологии строения углеродного  скелета углеводороды подразделяют на ациклические и карбоциклические. В зависимости от кратности углерод-углеродных связей углеводороды подразделяют на предельные (алканы) и непредельные (алкены, алкины, диены). Циклические углеводороды разделяют на алициклические и ароматические.

Ароматические углеводороды: Бензол  • Толуол  • Диметилбензолы  • Этилбензол  • Пропилбензол  • Кумол • Стирол  • Фенилацетилен  • Индан  • Циклобутадиен  • Дифенил • Дифенилметан  • Трифенилметан  •Тетрафенилметан. 

Размер молекулы полимера определяется степенью полимеризации  n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n= от 10 до 20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием n увеличивается вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна: она может быть 104, и тогда длина молекул достигает микрометров. Молекулярная масса полимера равна произведению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно она находится в пределах от 103 до 3Ч105. Столь большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьирует от аморфной до частично кристаллической. Доля кристалличности в значительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе укладываются цепи, тем более кристалличным полимер становится. Кристалличность даже в лучшем случае оказывается несовершенной [1].

Аморфные полимеры плавятся в диапазоне температур, зависящем  не только от их природы, но и от длины  цепей; кристаллические имеют точку  плавления.

По происхождению полимеры делятся на три группы: синтетические  полимеры (искусственные), природные  органические и природные неорганические полимеры.

 Синтетические полимеры  получаются путем ступенчатой  или цепной полимеризации низкомолекулярных  полимеров. 

Природные неорганические полимеры – это например расплав магмы, оксид кремния.

Природные органические полимеры образуются в результате жизнедеятельности  растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения  очистки, модификации, при которых  структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки  являются искусственные полимеры. Примерами  являются натуральный каучук, изготовляемый  из латекса, целлулоид, представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Развитие химической 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, разветвленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных полимеров 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 (рисунок 1). Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «линейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более характерна 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 действием реагентов.

 Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем линейные. Контролируемое разветвление цепей  служит одним из основных промышленных  методов модификации свойств  термопластичных полимеров.

Рисунок 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

 Сетчатая структура  характерна тем, что цепи связаны  друг с другом, а это сильно  ограничивает движение и приводит  к изменению как механических, так и химических свойств. Обычная  резина мягка, но при вулканизации  серой образуются ковалентные  связи типа S-ноль, и прочность  растет. Полимер может приобрести  сетчатую структуру и спонтанно,  например, под действием света  и кислорода произойдет старение  с потерей эластичности и рабо­тоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционноспособные группы, то при нагревании они соединяются множеством поперечных прочных связей, полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру. Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяющие свойства материала, который приобретает прочность и высокую вязкость, становится нерастворимым и неплавким. Вследствие большой реакционной способности молекул, проявляющейся при повышении температуры, такие полимеры называют термореактивными. Нетрудно представить, что их молекулы активны не только по отношению друг к другу, но и к поверхностям инородных тел. Поэтому термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующего в композиционных материалах.

 Термопластичные полимеры  получают по реакции полимеризации,  протекающей по схеме (рисунок 1).

Рисунок 1 – Реакции образования полимеров:    а) – полимеризация, б) – поликонденсация.

 При цепной полимеризации  молекулярная масса нарастает  почти мгновенно, промежуточные  продукты неустойчивы, реакция  чувствительна к присутствию  примесей и требует, как правило,  высоких давлений. Неудивительно,  что такой процесс в естественных  условиях невозможен, и все природные  полимеры образовались иным путем.  Современная химия создала новый  инструмент — реакцию полимеризации,  и благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализуется лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Структура полистирола

Первичные ламели имеют значительную поверхностную энергию, поэтому  происходит их агрегация, приводящая к  образованию монокресталов - более сложных надмолекулярных образований. При кристаллизации из расплава или концентрированного раствора полимера наиболее общего типа вторичного кристаллического образования является сферолит, имеющий кольцевую или сферическую форму и достигающую гигантских размеров до 1см. В радикальных или сферических сферолитах каркас формируется из ленточных, кристаллических образований направленных от центра к периферии.

Полученные обычным способом поливинилхлорид, поливинилфторид и полистирол обладают гораздо меньшей степенью кристалличности и имеют более низкие температуры плавления; у этих полимеров физические свойства сильно зависят от стереохимической конфигурации. Полистирол, полученный методом свободнорадикальной полимеризации в растворе, является атактическим. Этот термин означает, что если ориентировать углеродные атомы полимерной цепи, придав ей, правильную зигзагообразную форму, то фенильные боковые группы окажутся распределенными случайным образом по одну и по другую сторону вдоль цепи (как это показано на рисунке 4). При полимеризации стирола в присутствии катализатора Циглера образуется изотактический полистирол, отличающийся от атактиче-ского полимера тем, что в его цепях все фенильные группы расположены по одну или по другую сторону цепи.

Свойства атактического и изотактического полимеров различаются весьма существенно. Атактический полимер можно формовать при значительно более низких температурах, и он растворим в большинстве растворителей намного лучше изотактического. Существует много других типов стереорегулярных полимеров, один из которых назван синдиотактическим; в цепях этого полимера боковые группы расположены попеременно то по одну, то по другую сторону цепи, как это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конфигурации атактического, изотактического и синдиотактического полистирола.

Описание  полистирола.

Полистирол – термопластичный  аморфный полимер с формулой

[-СН2-С(С6Н5)Н-]n

  - структурная формула

Полистирол – прозрачное стеклообразное вещество, молекулярная масса 30-500 тыс., плотность 1,06 г/см3 (20 °С), температура стеклования 93°С.

Для полистирола характерно коптящее пламя с цветочным сладковатым  запахом (Этот запах корицы обычно можно  обнаружить, уколов исследуемый предмет  раскаленной иглой). Если к тому же предмет падает на пол с металлическим  звоном то, скорее всего полистирол [8].

Это твердое, упругое, бесцветное вещество. Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жесткий, аморфный полимер с невысокой механической прочностью при растяжении и изгибе. Полистирол имеет низкую плотность, низкую термическую стойкость, обладает отличными диэлектрическими свойствами и весьма низкой прочностью при ударе. Он легко деформируется при относительно невысоких температурах (80°C). При контакте с жирами выделяет мономер стирола. Для улучшения свойств полистирола его модифицируют различными сополимерами и подвергают сшиванию.

Полистирол – дешёвый  крупнотоннажный термопласт; характеризуется  высокой твёрдостью, хорошими диэлектрическими свойствами, влагостойкостью, легко  окрашивается и формуется, химически  стоек, растворяется в ароматически и хлорированных алифатических углеводородах. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Так, повышения теплостойкости и прочности при растяжении (на ~ 60 процентов) достигают сополимеризацией стирола с акрилонитрилом или a-метилстиролом, повышения прочности и ударной вязкости (от 5-10 до 50-100 кДж/м2) – получением привитых сополимеров стирола с 5-10% каучука, например бутадиенового (ударопрочный полистирол), а также тройных сополимеров акрилонитрила, бутадиена и стирола (т. н. АБС-пластик). Заменой акрилонитрила на метилметакрилат синтезируют прозрачные тройные сополимеры.

Применение  в промышленности.

Существуют 2 основных вида полистирола: полистирол общего назначения (GPPS), ударопрочный полистирол.

Прозрачный полистирол –  неударопрочный материал. Используется в основном для внутреннего остекления, служит экономичной альтернативой оргстеклу.

Обладает повышенной ударопрочностью, благодаря добавкам из бутадиенового или других специальных каучуков, которые обладают ударной вязкостью до 60-70 кДж/м2. Его область применения довольна широка - наружная реклама, торговое оборудование, детали холодильников и так далие.

Полистирол  общего назначения:

Материал используется в  основном для внутреннего остекления, служит экономичной альтернативой  оргстеклу.

Основные преимущества: влагоустойчивы, долговечны легкость в обработке, обладают великолепной оптической прозрачностью - 94 %, имеют хорошую гладкую поверхность, имеют низкую плотность, устойчивы  к химическим воздействиям, обладают высокой жесткостью.

Экструдированный полистирол изготовляется в виде прозрачных, молочных, дымчатых, цветных листов. Изготавливаются антибликовые и декоративные листы с разнообразной фактурой. По специальному заказу листы полистирола могут производиться без УФ - стабилизации. Такие листы можно использовать в контакте с пищевыми продуктами, поскольку они отвечают всем действующим правилам использования материала в контакте с продуктами питания.

Прозрачный полистирол –  хрупкий, ломкий и неударопрочный. В связи с этим возникают осложнения при хранении и транспортировке изделий из него. Помимо этого, для достижения необходимого светорассеивания приходится использовать листы с рифленой поверхностью, что зачастую не соответствует современному дизайну. Существенным недостатком ПС является и его низкая устойчивость к воздействию УФ-излучения. Однако полистирол является очень экономичным материалом.

Типичное применение: декоративные перегородки и ширмы защитное покрытие изображений остекление душевых  кабин ценники подставки производство светильников все виды остекления внутри помещения и др.

Полистирол  ударопрочный:

Ударопрочный полистирол высококачественный листовой материал, производится для процессов термо - или вакуумного формования. HIPS используется в производстве наружной рекламы, деталей холодильников, сантехники, игрушек, пищевой упаковки и тому подобное. Поверхность материала может быть глянцевой, матовой, гладкой или тисненой, с зеркальной поверхностью, различных цветов. Возможно изготовление листов методом соэкструзии. Это позволяет соединить два слоя различных цветов или добавить верхний слой с глянцевой поверхностью.

Ударопрочный полистирол обладает определенной эластичностью и тем самым расширяет возможность его использования при изготовлении светотехнических изделий сложной конфигурации с глубокой вытяжкой. Коэффициент светопропускания (35-38 %) и белизна полностью соответствуют существующим в России стандартам на светотехнические изделия.

Основные преимущества: повышенная ударопрочность слабая чувствительность к надрезам легкость морозостойкость до -40°С влагостойкость отличная формуемость легкость в обработке химическая стойкость к кислотам и щелочам

В своем «родном» состоянии  полистирол представляет собой довольно хрупкий материал, непригодный для  многих задач. Поэтому в производстве в исходное сырье добавляют специальные  добавки, повышающие ударную прочность  и гибкость, и таким образом  получают ударопрочный полистирол. Одной из разновидностей ударопрочного полистирола является фреоностойкий полистирол, применяемый в производстве холодильного оборудования. Структура поверхности: матовая с обеих сторон или с одной стороны глянцевая (верхний глянцевый слой получают путем соэкструзии с полистиролом обшего назначения), тисненная. При необходимости лист с одной стороны обрабатывается коронным разрядом, на лист наносится защитная термоформуемая пленка. При наружном применении добавляется УФ-стабилизатор, обеспечивающий защиту от пожелтения под воздействием УФ-излучения.

Полистирол светотехнический является одной из разновидностей ударопрочного полистирола, полностью заменяет акриловое стекло при изготовлении конструкций с внутренней подсветкой. В отличие от оргстекла имеет только одну глянцевую поверхность. Высокая популярность светотехнического полистирола обуславливается большей ударной прочностью (по сравнению с акрилом), легкостью обработки, стойкостью к окружающей среде и меньшей стоимостью.

Ударопрочный полистирол является более экономичным вариантом по сравнению с оргстеклом из-за низкой плотности, а так же возможностью применения более тонких (2-3 мм) листов благодаря повышенной ударопрочности по сравнению с оргстеклом (3-5 мм), что обеспечивает экономию в 2 раза, из расчета на 1 кв. м. светорассеивателя [7].

Катушки, кассеты и бобины для магнитофонной ленты, цоколи радиоламп, облицовочные плиты, шкалы  приборов, скобы и хомуты для крепления  кабелей, аккумуляторные банки, ручки  инструментов и приборов, пленки, абажуры, детали клемм, футляры, принадлежности для бритья, игрушки, посуда, плитки для отделки мебели, пудреницы, крышки для банок и бутылок, коробки, детали электрических выключателей, авторучки - этот перечень изделий из полистирола можно было бы продолжать еще долго. Применение полистирола очень разнообразно - от пленки в конденсаторах толщиной 0,02 мм до толстых плит из пенополистирола, используемых в качестве изоляционного материала в холодильной технике.

Кроме высоких физико-механических показателей и почти абсолютной водостойкости, а также превосходных изоляционных и оптических свойств  одним из достоинств полистирола  является его высокая устойчивость к действию агрессивных сред. Атмосферо-стойкость и химическая стойкость полистирола объясняются насыщенностью углеродной цепи и присутствием фенилыкых групп. При комнатной температуре полимер стоек к действию концентрированных кислот (за исключением ледяной уксусной и азотной; последняя, как и другие окислители, разрушает полистирол).

Разбавленные и концентрированные (до 40%) щелочи не действуют на полимер, так же как и низшие спирты, глицерин, масла (минеральные и растительные) и растворы различных солей. Полистирол обладает удовлетворительной светостойкостью, за исключением длительного воздействия  солнечного света или ультрафиолетовых лучей. Старение полимера обусловлено  фотохимическим катализом присоединения  кислорода    к остаточным ненасыщенным группам, что всегда сопровождается окрашиванием полимера; стабилизируют  его добавлением сильных органических аминов.

Недостатками полистирола, ограничивающими его применение в строительной технике, являются следующие  свойства: недостаточная теплостойкость, хрупкость (невысокая прочность  при воздействии ударных нагрузок, причем на ударную вязкость до температуры  стеклования мало влияет нагревание), плохая устойчивость к действию органических растворителей и возникновение  внутренних напряжений, приводящих к  разрушению материала в изделиях.

Наличие внутренних напряжений в изделиях из полистирола снижает  его физико-механические показатели. Напряжения распределены неравномерно по длине и сечению изделия. В  оболочке изделия сосредоточены  основные ориентационные напряжения, возникающие у стенок формы, в  результате деформация молекул полимера. Понизить внутреннее напряжение, т. е. уменьшить различие в свойствах  внутренних и наружных слоев материала, можно изменением конструкции пресс-формы  и параметров литья, а также отжигом  готовых изделий. Отжиг обычно производится в течение 1—3 ч при температуре 80—85°С с последующим ступенчатым охлаждением.

В строительной технике полистирол в основном применяют для производства пенополистирола методом поризадии полистирола, в результате чего он получает пористое строение и, следовательно, малую теплопроводность. Пенополистиролы различных марок (ПС-1, ПС-4, ПС-Б и др.) достаточно широко применяют как теплоизоляционный материал, главным образом, в панельном производстве. Это один из самых легких и малотеплопроводных изоляционных строительных материалов. Применяют его в виде плиток различной толщины и в виде скорлуп для изоляции трубопроводов.

Получили распространение  в строительстве полистирольные облицовочные плитки для стен подсобных  помещений, ванных комнат, санитарных узлов, кухонь. Изготовляют их по ГОСТ 9589—72 методом литья под давлением  с применением литьевых машин.

Из полистирола делают также трубки для электропроводки  методом экструзии. В соответствии с ГОСТ 12998—73 из блочного полистирола  изготовляют полистирольиую пленку различных марок и сортов в зависимости от назначения. Применение пленок в строительной технике весьма ограничено из-за низкой теплостойкости и хрупкости. В этом отношении они не могут конкурировать с полиэтиленовыми и поливинилхлоридными пленками.

Модифицированный  полистирол. Для устранения недостатков, присущих полистиролу, ведутся большие работы по разработке новых видов полистирольных пластиков с улучшенными тепловыми, химическими и физико-механическими свойствами. Необходимо отметить, что улучшение одних свойств часто влечет за собой ухудшение других.

Применяют различные способы  модификации гомополимера стирола: совмещение с синтетическими каучуками, сополимеризация с другими мономерами, полимеризация производных стирола (замещенных в ядре).

Вспенивая полистирол при  обработке высокой температурой, получают вспененный полистирол. Этот материал представляет собой гранулы 2-8 мм, из полистирола суспензионного вспенивающегося, в который добавлен антипирен. Удар пара заставляет спекаться  гранулы при производстве, в результате получается данный материал.

Дополнительным достоинством вспененного полистирола является наличие большой механической прочности. Низкая стоимость его делает привлекательным  в использовании в качестве утеплителя, гидроизоляции и звукоизоляции. Простота работ при монтаже, дает экономию времени, что очень важно  при строительстве.

Белый полистирол сегодня  – это альтернатива более дорогому ПВХ, а прозрачный материал – оргстеклу. Он прекрасно обрабатывается и формуется. Ударопрочен, легок и гибок, устойчив к химическим веществам, но плохо переносит высокие температуры и влажность.

Полистирол легко загорается с образованием большого количества сажи и копоти. Чтобы повысить его  безопасность, добавляют присадки, понижающие горючесть. Среди отрицательных  свойств надо отметить растрескивание и хрупкость.

Этот материал легко окрашивается, нетоксичен, поэтому из него изготовляют  одноразовую посуду. Прочностные  характеристики повышают путем сополимеризации с разного рода каучуками. Такая технология позволяет практически избавиться от трещин. От особенностей добавок часто зависят и полученные конечные свойства материала. Так можно использовать физико-химическкие характеристики компонентов для получения строго определенных свойств, которые необходимы для деятельности человека.

Экструдированный полистирол впервые был синтезирован около 80 лет назад. Его главные компоненты – вспенивающий газ, антипирены, красители, и прочие вещества. Этот материал производят из гранулированного материала путем плавления, смешивания с другими веществами, экструдирования и формования. Такая технология позволяет добиться прекрасных теплоизоляционных свойств, долговечности, прочности, простоты монтажа и обработки.

Вспененный полистирол (пенопласт) широко используется в строительстве  как блочный или листовой утеплитель, основная часть полистиролбетона.

Заключение

Низкая стоимость дала возможность широко использовать полистирол в производстве пластиков широкого ассортимента марок. Особой популярностью  пользуются ударопрочные – это сополимеры стирола, включающие бутадиеновый и бутадиен-стирольный каучук. Производство сополимеров стирола активно развивается, давая новые модификации.

Список литературы

1.     Энциклопедия  полимеров, т. 2 -  М.: изд. «Советская  энциклопедия», 1974 г.

2.     Слоним И.Я.Урман  Я.Г.кн. ЯМР – спектрометрия гетерогенных полимеров, М.,1982г.

3.     Химическая  энциклопедия, т. 5 - М.,изд. «Большая Российская Энциклопедия»,1997г.

4.     Министерство  здравоохранения СССР, Главное санитарно- эпидемиологическое управление. «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест – М., 1984 г.  

5.    Вредные вещества  в промышленности» т.1 – Ленинград,  изд. «Химия», Ленинградское отделение, 1976 г.