Тема 7. Высокомолекулярные соединения и материалы на их основе
Аннотация
Изучив представленный материал, студент будет знать классификацию высокомолекулярных соединений. Полимерные материалы, получаемые через реакции полимеризации и поликонденсации. Получение полиолефинов, полиамидов, полиэфиров и материалов на их основе. Синтетические смолы, получение и практическое применение для производства пластмасс, волокон, клеев и пленкообразующих материалов.
Основные сведения о химии и технологии
полимеров
Свойства различных органических (и неорганических) веществ зависят от их химического состава и строения. Очень большую роль играет величина молекулы вещества. Так, например, сахаристое вещество глюкоза, с которым мы познакомились при изучении углеводов, представляет собой легко растворимые в воде бесцветные кристаллы, сладкие на вкус. В той же главе мы рассмотрели другой углевод — целлюлозу, построенную из нескольких тысяч остатков глюкозы. Целлюлоза совершенно не похожа по свойствам на глюкозу: она нерастворима в воде, не имеет вкуса, обладает волокнистым строением. Таким образом, при переходе к соединениям, молекулы которых содержат многие тысячи атомов, блестяще подтверждается один из законов диалектики, по которому накопление количественных изменений приводит к значительным качественным изменениям.
Высокомолекулярные соединения широко распространены в природе. В состав клеток растительных и животных организмов входят такие высокомолекулярные соединения, как целлюлоза, белки, нуклеиновые кислоты и др. К природным высокомолекулярным соединениям относятся уже упоминавшаяся выше целлюлоза, а также крахмал, натуральный каучук и многие другие.
Не так давно научились перерабатывать в различные изделия (резину, волокно и др.) некоторые природные высокомолекулярные вещества. За последние 40 лет произошло быстрое внедрение в промышленность многочисленных новых материалов из синтетических высокомолекулярных соединений. В настоящее время открыты неисчерпаемые возможности синтеза высокомолекулярных соединений и изготовления из них материалов с заранее заданными свойствами.
Высокомолекулярные соединения, или, как их часто называют, полимеры или высокополимеры (от греческого слова «поли» — много), по свойствам и строению весьма разнообразны. Однако они имеют и ряд общих свойств, вследствие чего их обычно выделяют в особый класс.
Каковы же общие свойства, присущие подавляющему большинству полимерных соединений?
Прежде всего, для полимерных соединений характерен очень большой молекулярный вес, колеблющийся в большинстве случаев от 8—10 тысяч до нескольких миллионов. По этой причине молекулы полимеров носят название макромолекул, т. е. больших молекул. Физико-механические свойства полимеров во многом зависят от их молекулярного веса. В связи с тем, что полимеры представляют собой обычно смесь макромолекул различной величины, молекулярный вес полимера является средней величиной молекулярных весов отдельных макромолекул.
Растворы полимеров, как правило, обладают значительной вязкостью. При нагревании многие полимеры сначала размягчаются, а затем разлагаются, не плавясь.
Органические полимеры построены из элементарных звеньев — многократно повторяющихся связанных между собой остатков молекул низкомолекулярных веществ (мономеров). Поэтому величину макромолекулы полимера характеризуют также степенью полимеризации- средним числом элементарных звеньев мономера, входящих в состав макромолекул.
Полимеры могут иметь линейное, разветвленное и пространственное (трехмерное) строение.
Если каждое элементарное звено обозначить через А, то макромолекула линейного строения будет иметь следующий вид:
-А—А—А—А—А-
В этом случае каждое из элементарных звеньев связано только с двумя соседними звеньями и образует неразветвленную цепь.
Основная цепь макромолекулы может иметь сравнительно короткие ответвления, например:
Полимеры, построенные по такому типу, носят название разветвленных. Некоторые звенья таких полимеров связаны с тремя соседними звеньями.
В полимерах пространственного (трехмерного) строения длинные линейные цепи связаны друг с другом в единую сетку обычно более короткими поперечными цепями:
Макромолекула полимера может быть построена из остатков молекул не только одного мономера. Она может включать остатки различных мономеров, связанные между собой силами главных валентностей. Полимеры такого, строения получили название сополимеров. Сополимеры могут быть четырех основных типов:
1. Сополимеры с нерегулярным расположением элементарных звеньев (обозначенных А и Б):
… —А—Б—Б—А—Б—Б—Б—А—Б- …
2. Сополимеры с регулярным расположением элементарных звеньев:
... —А—Б—А—Б—А—Б—Д—Б—А—Б— …
3. Сополимеры, содержащие в линейной цепи блоки, каждый из которых состоит из довольно большого числа одинаковых элементарных звеньев:
…-А—А—А—А—Б—Б—Б—Б—Б—А-А—А—А—А-Б—Б—Б—Б…
Такие полимеры получили название блоксополимеров.
4. Сополимеры разветвленного строения, в которых основная цепь составлена из остатков одного мономера, а ответвления — из звеньев другого мономера:
Такие сополимеры носят название привитых сополимеров.
Длина макромолекулы линейных полимеров (в том числе и сополимеров) всегда во много раз превышает ее поперечный размер.
Понятие о синтезе полимеров
Синтезы полимеров обычно осуществляют на основе реакций двух типов: полимеризации и поликонденсации. Кроме того, некоторые виды полимеров получают с помощью метода полимераналогичиых превращений, который основан на химических превращениях готовых полимерных соединений.
пластические массы
Пластическими массами (пластмассами) обычно называют неметаллические материалы, перерабатываемые в изделия методами пластической деформации (прессование, экструзия, литье под давлением и т. д.), обладающие пластическими свойствами в условиях переработки и не обладающие этими свойствами в условиях эксплуатации. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела.
Чтобы лучше представить себе некоторые механические свойства пластмасс, сравним эти свойства с аналогичными свойствами некоторых металлов. Плотность различных пластмасс колеблется от 0,9 до 2,2 г/см3; имеются особые типы пластмасс (пенопласты) с плотностью порядка 0,02—0,1 г/см3. В среднем пластмассы примерно в 2 раза легче алюминия и в 5—8 раз легче стали, меди и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более чем в 10 раз легче пробки. Прочность некоторых видов пластмасс даже превосходит прочность некоторых марок стали, чугуна, дуралюмина и др.
По химической стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы не только к действию влаги воздуха, но и таких сильнодействующих химических веществ, как кислоты и щелочи.
Обычно пластмассы являются диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют собой лучшие диэлектрики из всех известных в современной технике.
В настоящее время известен целый ряд пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что позволяет применять их для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур.
По своим антифрикционным свойствам многие пластмассы значительно превосходят лучшие антифрикционные сплавы металлов. Многие типы пластмасс при использовании их для подшипников не требуют смазки, другие же могут «смазываться» просто водой.
Наряду с большой механической прочностью некоторые виды пластмасс обладают прекрасными оптическими свойствами.
Обычно пластмассы имеют твердую, блестящую поверхность, не нуждающуюся в полировке, лакировке или поверхностной окраске. Внешний вид их не изменяется от обычных атмосферных воздействий.
По методам переработки пластмассы имеют значительное преимущество перед многими другими материалами. Благодаря изготовлению изделий из пластмасс методами прессования, литья под давлением, формования, экструзии и другими методами устраняются отходы производства (стружки), появляется возможность широкой автоматизации производства.
Наконец, большим преимуществом пластических; масс перед другими материалами является неограниченность и доступность сырьевой базы (нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.).
Все это придает пластмассам громадное значение.
Перечислим лишь основные отрасли промышленности, в которых в широких масштабах применяются пластические массы:
1. Электротехника является одной из первых отраслей хозяйства широко применивших пластмассы.
В настоящее время в электротехнике огромное количество деталей электроаппаратуры, а также подавляющее большинство оболочек кабелей и различных проводов изготовляют из пластмасс.
2. В общем машиностроении пластмассы нашли широкое применение для изготовления вкладышей, подшипников для всевозможных станков, шестерен, шкивов и многих других изделий.
3. В металлообрабатывающей промышленности широко применяется метод точного литья в оболочковые формы, изготовляемые с применением синтетических смол (корковое литье).
Замена металлических штампов пластмассовыми позволяет резко снизить трудоемкость доводки штампа. Вес штампов снижается в 4—5 раз, а время изготовления — в 8—10 раз.
4. В автомобилестроении, помимо очень большого числа деталей автомобиля, в настоящее время из пластмасс начинают изготавливать кузова автомобилей. Это дает большую экономию металла, снижение веса автомобиля, а отсюда увеличение скорости и уменьшение расхода горючего. Кузов автомобиля из пластической массы гораздо долговечнее металлического, так как не подвержен коррозии.
5. В самолетостроении, как и в автомобилестроении, целый ряд деталей (пропеллеры, смотровые стекла, детали приборов и др.) изготовляются из пластмасс. Созданы первые образцы корпусов самолетов, сделанные из пластмасс.
6. В судостроении кроме большого количества деталей в настоящее время из пластмасс изготовляются корпуса малых судов.
7. Химическая промышленность широко использует пластические массы в качестве материала для изготовления аппаратов и трубопроводов, стойких к коррозии и действию кислот и щелочей.
8. В строительстве пластмассы применяются: в качестве материала для полов и стен, гидроизолирующих, звуко- и теплоизолирующих материалов, а также для изготовления осветительного и санитарно-технического оборудования и др.
И, наконец, если мы внимательно оглянемся вокруг себя, то заметим массу вещей, изготовленных из пластмасс; которые прочно вошли в наш быт. Это большое число деталей: холодильников, телевизоров, пылесосов, стиральных машин, спортивные принадлежности, игрушки, посуда, отделочные и упаковочные материалы, различные предметы, галантерея, санитарии и гигиены.
Контрольные вопросы по теме 7