Порівняльна характеристика полімеризації і поліконденсації
Застосування
Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які при умілому їхньому використанні забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів та рентабельність їхнього 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 ниже 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.
Близько 90 % усього виробництва полімерних матеріалів приходиться на декілька різновидів великотоннажних полімерів. Випуск поліолефінів, поліетилену низької та високої щільності (ПЕНЩ та ПЕВЩ) та поліпропілену (ПП), становить від 35 до 45 % загальної кількості об'єму виробництва, від 11 до 20 % — частка полівінілхлориду (ПВХ), 9- 13 % припадає на полістирольні полімери, від 2 до 7 % — на поліаміди. До 4 % характеризується частка епоксидних смол, ненасичених поліефірів, поліетилентерефталата (ПЕТФ), полікарбонату (ПК), поліацеталей.
Порівняльна характеристика полімеризації і поліконденсації
>Полимеризация – реакція сполуки молекул мономера т, не супроводжується виділенням побічних продуктів. Тому елементарний склад мономерів і одержуваного полімеру однаковий.Полимеризация може здійснюватися шляхом розкриття подвійних і потрійних зв'язків ненасичених сполук, і навіть з допомогою розмикання різнихгетероциклов. Залежно від характеру активних центрів, ініціюючих ланцюгової процес розрізняють радикальну і іонну полімеризацію. Процес йде з ланцюговому механізму.
>Поликонденсация – реакція освіти високомолекулярних сполук, що протікає за механізмом заміщення і супроводжується зазвичай, виділенням низькомолекулярних продуктів, унаслідок чого елементарний склад полімеру відрізняється від елементарного складу вихідних продуктів.
У реакцію поліконденсації можуть вступатимономерсодержащие двох чи більше функціональні групи. При взаємодії цих груп відбувається розкладання молекулинизкомолекулярного сполуки, із заснуванням нової групи, яка пов'язує залишки реагують молекул.
>Поликонденсация - ступінчаста реакція, зростання ланцюга відбувається внаслідок взаємодії молекул мономера друг з одним, і навіть проміжними продуктами:олигомерними чи полімерними молекулами або за взаємодіїолигомерних і полімерних молекул між собою. Через війну утворюються з'єднання з функціональністю вихідного речовини.
три фізикомеханічних стани
Тверді аморфні полімери називаються >стеклообразними - за нормальної температури Т< Тз, котрому притаманні незначні пружні деформації. Тепловий енергії замало зміни конформації макромолекул.
Міжстеклообразним івязко-текучим станом перебуває >високоеластическое стан, котрому притаманні значні оборотні деформації.
>Стеклообразное - тверде агрегатний стан із високої щільністю упаковки макромолекул. При щільності упаковки наближається до твердого кристалічному стану.
Длястеклообразного стану характерний ближній лад у розташуванні макромолекул і дуже обмеженасегментальная рухливість.
>Високоеластическое стан характеризується високою рухли-вістю складових макромолекул: атомів, груп, ланок і сегментів. При додатку механічної навантаження макромолекули легко змінюють своюконформацию. Час структурної релаксації (час переходу ізнеравновесного стану в рівноважний) 10-5 - 10-6 з, тоді якстеклообразного стану 105 - 106 з, томувисокоеластическое стан вважаєтьсяравновесним. Міцність полімерів вВЭ стані наближається до міцності в ЗІ стані.
>Високоеластическая деформація полягає у зміні конформації (з статистичного клубка до струні).
Пластмаси
Пласти́чна ма́са (пластмаса) — штучно створені матеріали на основі синтетичних або природних полімерів.
Пластична маса — матеріал, основою якого є полімер, що перебуває під час формування виробу у в'язкорідкому чи високоеластичному стані, а під час експлуатації — в склоподібному чи кристалічному стані[1]
Пластмаси формують при підвищеній температурі, у той час коли вони мають високу пластичність. Сировиною для отримання полімерів є нафта, природний газ, кам'яне вугілля, сланці.
Каучуки
Каучук — еластичний матеріал, який отримують при коагуляції латексу каучуконосних рослин, головним чином бразильської гевеї, що росте в тропічних країнах. Основний компонент - поліізопрен - вуглеводневе полімерне хімічне з’єднання, що має загальну формулу (C5H8)n. Зараз дерево культивується в південно-східній Азії, Малазії, Індонезії, Шрі-Ланці, Камбоджі, Таїланді, Сараваці і Брунеї. На території України кліматичні зони, придатні для виростання каучуконосних рослин, відсутні. Натуральний каучук та латекс натурального каучуку Україною купується за кордоном.[1] Як саме в дереві синтезується вуглеводень (поліізопрен) каучуку, невідомо.[2] З вулканізованих каучуків одержують міцну й еластичну гуму. Застосовується у виробництві шин, амортизаторів, виробів санітарії і гігієни та ін.
Синтетичний каучук - вихідною речовиною для одержання штучного каучуку за способом С. В. Лебедєва служить ненасичений вуглеводень з двома подвійними зв'язками бутадієн (дивініл) CH2=CH—CH=CH2.
Процес полімеризації проводять в присутності металічного натрію як каталізатора під тиском:
Скорочено будову молекули бутадієнового каучуку виражають формулою:
- (—СН2—СН=СН—СН2—)n
Бутадієновий каучук, як видно з формули, являє собою ненасичену сполуку. Його молекули мають лінійну структуру. Однак молекули каучуку не витягнуті, а звивисті. Цим обумовлюється його здатність розтягуватися.
Вулканізація каучуку
Сирий каучук має низьку міцність і дуже липкий, особливо при нагріванні, а на морозі стає твердим і ламким. Тому для виготовлення різних виробів у сирому вигляді каучук непридатний. Свої цінні властивості каучук набуває при вулканізації, тобто при нагріванні з сіркою. Вулканізований каучук називають гумою.
При процесі вулканізації з каучуку, сірки і наповнювача (переважно сажі) виготовляють суміш, якою наповнюють відповідні форми і під тиском нагрівають. При 130—160°С каучук взаємодіє з сіркою і його молекули зв'язуються між собою атомами сірки. Частково вони зв'язуються між собою і безпосередньо. Зв'язок між ними здійснюється за рахунок вільних валентностей, які виникають при розриві подвійних зв'язків.
Вміст сірки у вулканізованому каучуку становить 1—3%. Вулканізований каучук значно більш еластичний і міцний, ніж сирий. Сирий каучук розчиняється в органічних розчинниках, зокрема в бензині (каучуковий клей), а вулканізований не розчиняється, а лише набухає.
Основні полімерні матеріали:
Поліетиле́н (-СН2–СН2-)n — є карбоцепним полімером аліфатичного органічного вуглеводня олефінового ряду етилену. Термопластичний насичений полімерний вуглеводень; твердий, безколірний, жирний на дотик матеріал. Він легший за воду, горить повільно синюватим полум'ям без кіптяви.
Якщо етилен нагріти до 150—200°С і піддати високому тиску, його молекули почнуть сполучатися одна з одною у великі молекули. Сполучення молекул відбувається за рахунок розриву в кожній з них подвійних зв'язків з утворенням одинарних й вивільненням двох одиниць валентності. Молекули поліетилену мають лінійну структуру. На кінцях полімерних молекул, зрозуміло, вільними валентності не залишаються, як це показано на схемі. Вони насичуються приєднанням до кінців молекул вільних атомів або радикалів, що утворюються при руйнуванні молекул етилену.
Будову молекул полімеру зображають звичайно скорочено структурою однієї елементарної ланки. Скорочена структурна формула поліетилену:
- [ —CH2—CH2— ]n
· Полістиро́л (стирофлекс) — продукт полімеризації стиролу (вінілбензолу). Виробляють з рідкого стиролу, вихідною сировиною для якого є нафта та кам'яне вугілля
· Полістирол — тверда, пружна, безбарвна, прозора, гнучка та негігроскопічна речовина. З полістиролу одержують пластичні маси, які широко застосовують в електротехнічній промисловості, для виготовлення предметів побутового призначення (посуд, фігурки, дитячі іграшки і т. д.), лінз, різнокольорових облицювальних плиток для будівництва та ін.
· З полістиролу виробляють стрічки товщиною 0.045 мм і шириною 10 … 12 та кордель діаметром 0.8 мм для ізоляції жил високочатсотних кабелів зв'язку.
Полівінілхлорид (ПВХ, англ. PVC) або поліхлорвініл, поліхлорвінілова смола — продукт полімеризації хлорвінілу CH2=CHCl. Щоб одержати з поліхлорвінілу м'який матеріал, його змішують з пластифікатором. Властивості
Поліхлорвініл досить стійкий проти дії кислот і лугів. Він має високі діелектричні властивості, негорючий, легко фарбується. Його застосовують для ізоляції електричних провідників, виробництва лінолеуму, штучної шкіри для взуття, вікна (металопластикові вікна). З поліхлорвінілу виготовляють також настільні церати, портативні плащі від дощу тощо.
Поліхлорвініл порівняно легко розкладається при нагріванні, виділяючи хлористий водень.
Істотним недоліком ПВХ є низька теплостійкість (не вище 70 °C). При низьких температурах пластифікат втрачає міцність, а при високих різко погіршує свої електричні властивості.
Полівінілхлорид широко використовується для виробництва пластикових водонапірних та каналізаційних труб, футерування труб і реакторів в хімічній промисловості.
Хлоруванням полівінілхлориду одержують перхлорвінілову смолу, з якої виготовляють хімічно стійке волокно хлорин.
Політетрафторетиле́н (ПТФЕ, фторопла́ст-4) (-CF2-)n, також відомий під торговою маркою тефло́н — полімер, пластична маса, що використовується в різних галузях науки, техніки і в побуті. Властивості
Фізичні
Тефлон — біла, в тонкому шарі прозора речовина, що зовні нагадує парафін або поліетилен. Характеризується високою тепло- і морозостійкістю, залишається гнучким і еластичним при температурах від —250 до +250 °C, що дає змогу застосовувати його як ізоляційний матеріал в багатьох галузях. Тефлон має дуже низький поверхневий натяг і адгезію і не змочується ні водою, ні жирами, ані більшістю органічних розчинників.
Хімічні
За своєю хімічною стійкістю перевищує всі відомі синтетичні матеріали і благородні метали. Не руйнується під впливом лугів, кислот і навіть суміші азотної і соляної кислот. Руйнується розплавами лужних металів, фтором і трифторидом хлор
Поліметилметакрилат
Органічне скло (в побуті часом оргскло) — прозорі пластмаси на основі поліметилметакрилата (плексигласу), полікарбонатів, полівінілхлориду, полістирола та інших полімерів. Їх перевагами над неорганічним склом є мала густина, вища міцність, добра технологічність: вони легко формуються у вироби, обробляються різанням, добре зварюються, склеюються. Недоліком органічного скла є низька поверхнева твердість. Частіше застосовується поліметилметакрилат, який характеризується доброю оптичною прозорістю (92 %), стійкий до дії вуглеводнів, мастильних матеріалів, розчинів кислот та лугів. Застосовується в автомобіле-, судно- та літакобудуванні, медицині для виготовлення багатошарового скла, оптичних лінз, світлотехнічних деталей тощо.