Термопластичные полимеры. Состав. Строение. Применение

Оглавление 
 

Введение……………………...………………………..………………………….3

1. Полимеры ………....……………………………………………………...4
2. Свойства термопластичных полимеров …………..………………………8
3. Полиэтилен……………………………………….…….……………..….....9
4. Полиизобутилен ………..…………………………………………………12
5. Полистирол……………..………………………………………………….13
6. Поливинилхлорид……..…………………………………………………..15
7. Поливинилацетат…………………………………………………………..17
8. Поливиниловый спирт…………………………………………………….18
9. Полиакрилаты и полиметилметакрилат………………………………….19
10. Синтетические каучуки…………………………………………………...20

Заключение………………………………………………………………….......22

Список  используемых источников……………………………………………23

Введение  

    Термопластичные полимеры - полимеры с линейной структурой молекул. Материалы способны размягчаться при нагреве и восстанавливаться при охлаждении. К этой группе материалов относят: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат, а также полиамидные и инден-кумароновые полимеры.

      Целью данной работы является изучение термопластичных полимеров, их строение, состав. И в каких областях они применяются. 
 
 
 
 
 
 
 

1. Полимеры

    Полимером называется органическое вещество, длинные  молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев — мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы.  

    Природные 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.

    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. 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 (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 «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.

    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-0, 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 реакционно-способные группы, то при нагревании они соединяются множеством прочных поперечных 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. 

     Рис.2.

    Термопластичные полимеры получают по реакции полимеризации, протекающей по схеме пМ М_п (рис.2), где М — молекула мономера, М_п — макромолекула, состоящая из мономерных звеньев, п — степень полимеризации. 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, а благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализуется лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.  

    Реакционно-способные  молекулы термореактивных полимеров  могут образоваться более простым  и естественным путем — постепенно от мономера к димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют реакцией поликонденсации; она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара) (рис. 2). Именно эта реакция реализуется в природе; она может быть легко осуществлена за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров предоставляет широкие возможности изготовлять различные изделия на нехимических предприятиях, в том числе на радиозаводах.

    Независимо  от вида и состава исходных веществ  и способов получения материалы  на основе полимеров можно классифицировать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи. Я не буду особо заострять внимание на всех этих продуктах, расскажу лишь о самых широко используемых. Необходимо показать, насколько велика потребность полимерных материалов в наше время, а, следовательно, и важность их переработки. Иначе проблема была бы просто необоснованна. 

2. Свойства термопластичных  полимеров

    Свойства  термопластичных (полимеризационных) полимеров обусловлены линейным строением их молекул. Так, при нагревании ослабевает взаимодействие между молекулами и полимер размягчается, вплоть до состояния вязкой жидкости. На этом свойстве термопластов основано формование изделий из этих полимеров, а также их сварка. Однако не все термопласты могут быть переведены в вязкотекучее состояние нагреванием. Это связано с тем, что температура термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести. В этом случае используются технологические приемы по снижению температуры текучести (например, введение пластификатора) и по предотвращению разложения полимера (введение стабилизатора и др.).

    Способность термопластичных полимеров набухать и растворяться в некоторых растворителях также объясняется линейным строением молекул. Тип растворителя определяется химической природой полимера. Растворы полимеров даже малой концентрации (2... 5%) отличаются высокой вязкостью, что связано с большими размерами макромолекул полимеров в сравнении с молекулами низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь отвердевает. На этом основано применение растворов термопластов в качестве клеев и вяжущих в мастиках и строительных растворах.

3. Полиэтилен

    Полиэтилен — один из наиболее распространенных полимеров, представляющий собой прозрачное роговидное вещество, жирное на ощупь. Плотность его колеблется в пределах от 910 до 970 кг/м3 (в зависимости от метода получения): при нагревании до 85... 90°С он размягчается, а при 105... 130°С — плавится. При поджигании полиэтилен горит с характерным запахом парафина; практически нерастворим ни в одном из растворителей при комнатной температуре; стоек по отношению к кислотам, щелочам, солям; водостоек; прочность при растяжении 20 ...40 МПа; эластичность сохраняется до -70°С.

    К недостаткам полиэтилена относятся низкие теплостойкость и твердость, горючесть, слабая адгезия к минеральным материалам, клеям, склонность к старению под действием солнечного света, поражаемость грызунами.

    Полипропилен  по свойствам близок к полиэтилену, но превосходит его по теплостойкости (температура перехода в жидкое состояние 170°С) и механическим свойствам.

    Полиэтилен  и полипропилен применяют для изготовления труб, пленок, листов, пенопластов, погонажных, санитарно-технических и других изделий. Изделия из этих полимеров хорошо свариваются и подвергаются механической обработке.

    Существуют  два принципиально различающихся  способа получения полиэтилена  из мономера - этилена. Полимеризацию  этилена по первому способу проводят при высоком давлении (1500-3000 атм). В этом случае получают полиэтилен низкой плотности (порядка 500 мономерных звеньев). Молекулы полиэтилена низкой плотности имеют разветвленную структуру, что показано на (рис. 3, а):

Рис. 3. Структура полиэтилена: а- низкой плотности; б- высокой плотности  

Рис. 3.а. Полиэтилен разветвленного строения 
 

    Другим, более современным способом получения  полиэтилена является   полимеризация этилена при   небольшом давлении (1 -10 атм) в присутствии особых катализаторов.

    Таким образом получают полимер высокой плотности (порядка 10 000 мономерных звеньев). Особенностью этого процесса является получение молекул полимера линейной структуры (рис. 3.б): 
 

Рис. 3.б. Полиэтилен линейного строения 
 

    Полиэтилен высокой плотности обладает значительно лучшей механической прочностью по сравнению с полиэтиленом низкой плотности.

    Полиэтилен низкой плотности применяют для изготовления упаковочных материалов, пакетов для хранения пищевых продуктов или одежды.

    Полиэтилен высокой плотности используют для изготовления детских игрушек, а также пакетов для молока, соков и жидких моющих средств.

Применение полиэтилена показано на (рис. 4):

Рис. 4. Применение полиэтилена: 1- трубы; 2-одноразовые шприцы; 3-детские игрушки; 4- детали механизмов; 5- пленка для парников;

6-предметы домашнего обихода; 7- клейкая лента; 8- пакеты 

4. Полиизобутилен

    Полиизобутилен — мягкий, эластичный, каучукоподобный полимер, но в отличие от каучуков не способен вулканизироваться (превращаться в резину). По химической стойкости и прочности уступает полиэтилену и полипропилену, но превосходит их по эластичности и степени адгезии к бетону и другим материалам. Из полиизобутилена изготовляют герметизирующие мастики, клеи, пленки.

    Полиизобутилен  является продуктом полимеризации  изобутилена молекулы которого, обладая двойной связью и асимметрией, легко полимеризуются. Длина цепей (молекулярная масса) полимера зависит в основном от условий полимеризации, чистоты и концентрации мономера и природы катализатора.

    Полиизобутилен с молекулярной массой ниже 50 000 представляет собой жидкость, вязкость которой увеличивается с повышением степени полимеризации. В строительной технике применение находят в основном твердые полиизобутилсиы, обладающие средней молекулярной массой    100000—500000. 

5. Полистирол

    Полистирол — жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью, выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м³), термическую стойкость (до 105 °С), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8%. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до -40°C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей). Для улучшения свойств полистирола его модифицируют путём смешения с различными полимерами - подвергают сшиванию, таким образом получая сополимеры стирола. 

    Полистирол получают реакцией полимеризации мономера 

стирола. Молекула стирола имеет следующее строение:         
 
 

Рис. 5. 
 
 

Реакция полимеризации полистирола: 
 

Рис. 6. 
 
 

    Особенностью полистирола является то, что он относится к наиболее дешевым полимерам и может быть получен в виде прозрачного твердого материала.

Такой полистирол используют для изготовления коробок для компакт-дисков, стаканчиков для кофе, из него получают одноразовую посуду (ножи, вилки), контейнеры для тортов, бутербродов и т. д.

Полистирол относится к числу немногих полимеров, который может быть получен во вспененном состоянии, и тогда он представляет собой пенополистирол. Пенополистирол обычно используют в качестве упаковочного материала. 
 

6. Поливинилхлорид

    Поливинилхлорид — один из самых распространенных полимеров, используемых в строительстве. Он прозрачный, жесткий и прочный. Переходит в вязкотекучее состояние при 180... 200°С. Горит, но при удалении из пламени гаснет. При разложении поливинилхлорида выделяется хлористый водород. Пластические массы на основе поливинилхлорида выпускают в виде жестких материалов, не содержащих пластификатора (винипласт), и мягких, содержащих пластификаторы (пластикат); хорошо перерабатывается в различные изделия (линолеум, пленки, трубы, облицовочные материалы). В последние годы поливинилхлорид применяется для получения кровельных материалов, а также оконных и дверных блоков.

    Продукт на основе поливинилхлорида с содержанием хлора до 60... 80 % называется перхлорвинил. Он легко растворяется в органических растворителях.

    Мономером для получения поливинилхлорида является винилхлорид. 

    Структурная формула винилхлорида Н₂С = СНС1. Поливинилхлорид получают полимеризацией винилхлорида: 
 

Рис. 7. 
 

Ниже приведен фрагмент макромолекулы поливинилхлорида, состоящий из трех мономерных звеньев: 

Рис. 8. 
 

При горении поливинилхлорида, кроме углекислого газа и воды, происходит частичное образование хлора, хлороводорода и других веществ, например реакция горения фрагмента поливинилхлорида: 
 

Рис. 9. 
 
 

Поливинилхлорид используется для изготовления окон, дверей, покрытий для полов, электрических изоляторов и различных труб. 
 

7. Поливинилацетат

    Поливинилацетат — прозрачный, бесцветный, при комнатной температуре жесткий полимер. Плотность его 1 190 кг/м3; при нагревании до 130... 150°С разлагается с выделением уксусной кислоты; растворяется в некоторых органических растворителях, набухает в воде, не устойчив к действию кислот и щелочей, горюч. Положительное свойство поливинилацетата — высокая адгезия к камню, древесине, стеклу. Для снижения хрупкости в поливинилацетат вводится пластифицирующая добавка; широко применяется в производстве лаков, красок, клеев. В виде водной дисперсии его применяют также для полимерцементных бетонов и растворов, в производстве влагостойких обоев.

    Поливинилацетатная  дисперсия (ПВАД) — сметанообразная масса белого или светло-кремового цвета, хорошо смешивающаяся с водой. Для стабилизации этой дисперсии (мельчайшие частицы поливинилацетата в воде) служит поливиниловый спирт.

    Основной  вид ПВАД, применяемый в строительстве, — дисперсия поливинилацетатная гомополимерная грубодисперсная. Содержание полимера в ней около 50%; размер частиц дисперсии 3 мкм. ПВАД выпускается средней (С), низкой (Н) и высокой (В) вязкости в непластифицированном и пластифицированном (индекс Ф) виде. В качестве пластификатора применяется дибутилфталат в количестве 5, 10, 15 и 50% (соответственно индексы марок дисперсий 2,5; 5; 7 и 20). Марки непластифицированных дисперсий: Д50Н, Д50С, Д50В и Д60В; пластифицированных: ДФ 49/2,5Н; ДФ 48/5С и т.д. По внешнему виду они практически не отличаются одна от другой. ПВАД разбавляется водой в любом соотношении и хорошо совмещается с цементом и гипсом.

    Недостатками  материалов на основе дисперсий поливинилацетата является их чувствительность к воде: набухание, появление высолов, а также возможная коррозия металла при нанесении дисперсии на его поверхность (рН дисперсии 4,0... 6,0).

8. Поливиниловый спирт

    Поливиниловый спирт  — кристаллический, прозрачный, водорастворимый полимер с высокой прочностью, стойкостью к истиранию, плотностью 1200... 1300 кг/м3, стойкостью к действию масел, жиров и большинства органических растворителей. В строительстве этот полимер еще не нашел широкого применения. Он используется в качестве эмульгатора и стабилизатора при приготовлении полимерцементных растворов и бетонов, а также как полимерная добавка к растворам и мастикам (например, в шпаклевочных составах). 
 

Рис. 10. Кето-енольная таутомерия винилового спирта  
9. Полиакрилаты и полиметилметакрилат 
 

    Полиакрилаты — полимеры производных акриловой и метакриловой кислот. Метакриловые полимеры имеют более высокие характеристики. Из полиакрилатов в строительстве наибольшее применение находит полимер метакриловой кислоты.  

    Полиметилметакрилат — известен под названием «органическое стекло». Это прозрачный полимер аморфной структуры, пропускающий свыше 99% солнечного света, в том числе ультрафиолетовые лучи, что выгодно отличает его от обычного силикатного стекла. Другими его преимуществами перед обычным стеклом являются меньшая хрупкость и хорошая обрабатываемость. Плотность его 1 180 кг/м3, предел прочности при изгибе — 80... 140 МПа. Однако органическое стекло по сравнению с обычным имеет меньшую поверхностную твердость. Применяется полиметилметакрилат для остекления зданий, в особенности теплиц, оранжерей, плавательных бассейнов, для устройства светопрозрачных ограждений, изготовления труб, в производстве моющихся обоев и в виде эмульсий для красок, лаков, грунтовок.

    Мягкие  акриловые полимеры, получаемые методом  эмульсионной полимеризации, не содержащие пластификаторов, обладают высокой масло- и атмосферостойкостью. На их основе могут изготавливаться гидроизоляционные пленки. Благодаря совместимости этих полимеров с нитро — и ацетилцеллюлозой их вводят в состав целлюлозных лаков для увеличения адгезии, водостойкости и атмосферостойкости. Акриловые дисперсии применяют для придания водонепроницаемости бетону, в качестве грунтовки при внутренней окраске стен, для пропитки пористых строительных материалов.

10. Синтетические каучуки

    В настоящее время для получения синтетических каучуков используют несколько диеновых мономеров, из которых рассмотрим бутадиен-1,3;   
 
 

Рис. 11. 
 
 
 

    Отличие реакции полимеризации диенов от реакции полимеризации алкенов заключается в том, что в образовании макромолекул полимера участвуют обе двойные связи. В результате в каждом звене полимера образуется новая двойная связь: 
 
 

Рис. 12. 
 
 
 

    Синтетические каучуки используются вместо природного каучука, которого не хватает для нужд промышленности. Природный каучук получают из сока южноамериканского дерева гевеи.

Полимеризацию диенов проводят в присутствии особого катализатора: А1(С₂Н₅) з, TiCl₄, благодаря чему получаются синтетические каучуки, близкие по свойствам к натуральному.

    Особый катализатор полимеризации (А1(С₂Н₅)₃, TiCl₄) был предложен немецким ученым. К. Циглером и итальянским ученым Дж. Натта, заслуги которых отмечены Нобелевской премией (1963).

Для превращения каучуков в резину с целью увеличения прочности и эластичности их подвергают вулканизации: нагреванию с серой до температуры 120-160 °С.

Синтетические     каучуки     применяются главным образом, в производстве шин для самолетов, автомобилей и тракторов (рис.14).

Рис. 14. Изделия из синтетических каучуков

Заключение  

    Термопластичные 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. 

    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.

Список  используемых источников 

1. Арзамасова Б.Н.  Материаловедение. М.:  Машиностроение 1986г.
2. Марино Ксантос; Функциональные наполнители для пластмасс. Издательство: Научные основы и технологии 2010г.
3. Михайлин Ю.А. Специальные полимерные композиционные материалы. Издательство: Научные основы и технологии 2009г.
4. Интернет источник: http://baurum.ru
5. Интернет источник: http://dl.schoolnet.by:81
6. Интернет источник: http://remstroyru.com
7. Интернет источник: http://ru.wikipedia.org
8. Интернет источник: http://www.bibliotekar.ru
9. Интернет источник: http://www.chemport.ru
10. Интернет источник: http://www.zodchii.ws