Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Виды полимеризации

1. В основу классификации полимеризации могут быть положены различные признаки:

- число типов молекул мономеров:

- гомополимеризация — полимеризация одинаковых мономеров;

- сополимеризация — полимеризация двух и более разных мономеров.

2. Природа активного центра и механизм процесса:

- радикальная полимеризация — активными центрами являются свободные радикалы;

- ионная полимеризация — активные центры ионы или поляризованные молекулы;

3. Фазовое состояние мономеров:

- газофазная полимеризация;

- жидкофазная полимеризация;

- твердофазная полимеризация.

4. Структура области, в которой сосредоточены активные центры:

- объемная полимеризация — полимеризация во всем объёме мономера;

- фронтальная полимеризация — полимеризация в узком распространяющемся фронте;

- эмульсионная полимеризация — полимеризация на поверхности высокодиспергированных частиц мономера в эмульсии.

5. Способ инициирования:

- фотополимеризация;

- термическая полимеризация;

- радиационная полимеризация и др.

6. Структурные особенности полученного полимера:

- стереорегулярная полимеризация — полимеризация с образованием полимеров с упорядоченной пространственной структурой;

7. Технологические особенности полимеризации:

- полимеризация при высоком давлении и др.

8. Химическая природа мономеров:

- полимеризация олефинов и др.

В основе химических превращений полимеров лежит замена одних функциональных групп на другие, что проходит без изменения степени полимеризации.

Исторические данные

Полимеризация была открыта ещё в середине XIX века, практически одновременно с выделением первых способных к полимеризации мономеров (стирола, изопрена, винилхлорида, метакриловой кислоты и др.). Однако суть полимеризации как цепного процесса образования истинных химических связей между молекулами мономера была понята лишь в 20—30-е гг. XX века благодаря работам Г. Штаудингера, С. В. Лебедева, Б. В. Бызова, К. Циглера. В 1922 химик Штаудингер доказал, что полимеры представляют собой соединения, состоящие из больших молекул, атомы которых связаны между собой ковалентными связями.

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шелк, хлопок и т.п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трехмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого создавались ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях – путем переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путем получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы – целлулоид – был получен еще в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят пленки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной пленки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу – товар конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т.п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение Катализаторов Циглера–Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтилена низкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны – наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны – элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Полиэтилен

Термопластичный полимер белого цвета. Полиэтилен — полимер этена (этилена).

В промышленности его получают полимеризацией этена при высоком давлении и низком или среднем давлении. Структура и свойства полиэтилена определяются способом его получения. Среднемассовая молекулярная масса наиболее распространённых марок 30-800 тыс.; степень кристалличности и плотность при 20 ?С составляют соответственно 50% и 0,918-0,930 г/см3 Для полиэтилена низкой плотности и 75-90% и 0,955-0,968 г/см3 для полиэтилена высокой плотности. С увеличением плотности возрастают твёрдость, модуль упругости при изгибе, предел текучести, химическая стойкость. Полиэтилен сочетает высокую прочность при растяжении (10-45 Мн/м2, или 100-450 кгс/см2) с эластичностью (относительное удлинение при разрыве 500-1000%). Он обладает хорошими электроизоляционными свойствами (например, тангенс угла диэлектрических потерь 2×10-4-4×10-4 при температурах от -120 до 120 ?C и частоте 10-50 кгц). Устойчив к действию щелочей любых концентраций, органических кислот, концентрированных соляной и плавиковой кислот; разрушается азотной кислотой, хлором и фтором; выше 80 C растворяется в алифатических и ароматических углеводородах и их галогенопроизводных; сравнительно стоек к радиоактивным излучениям; безвреден; интервал рабочих температур от -80 ¸ -120 до 60 ¸ 100 C.

Полиэтилен - один из самых дешёвых полимеров, сочетающий ценные свойства со способностью перерабатываться всеми известными для термопластов высокопроизводительными методами. Поэтому в мировом производстве полимеризационных пластиков полиэтилен занимает первое место .

Из полиэтилен изготовляют плёнки, трубы (в т. ч. для сточных вод и агрессивных жидкостей, магистральные газопроводы), профилированные предмета торговли, изоляцию для проводов и кабеля, ёмкости (бутыли, канистры, цистерны), гальванические ванны, санитарно-технические предмета торговли, волокна и др., широко применяемые в различных отраслях техники, сельском хозяйстве и в быту. Наибольшее распространение получил полиэтилен низкой плотности. Большое техническое значение имеют также продукты хлорирования и хлорсульфирования полиэтилен.

Полистирол

Полистирол — товар полимеризации стирола (винилбензола) относится к полимерам класса термопластов.

Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это 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/M3), 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.

Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков на его основе базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок. Наиболее широкое применение (более 60% производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и дивинил-стирольным каучуком. В настоящее время созданы и другие многочисленные модификации сополимеров стирола.

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:

Эмульсионный (ПСЭ). Наиболее устаревший метод получения, не получивший широкого применения в производстве. Эмульсионный полистирол получают в результате реакции полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85-95°C. Для этого метода требуются: стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации. Стирол предварительно очищают от ингибиторов: требутил-пирокатехина или гидрохинона. В качестве инициаторов реакции применяют водорастворимые соединения, двуокись водорода или персульфат калия. В качестве эмульгаторов применяют соли жирных кислот, щелочи (мыло), соли сульфокислот. Реактор наполняют водным раствором касторового масла и тщательного перемешивая вводят стирол и инициаторы полимеризации, после чего полученная смесь нагревается до 85-95С. Мономер, растворённый в мицелах мыла, начинает полимеризовываться, поступая из капель эмульсии. В результате чего образуются полимер-мономерные частицы. На стадии 20% полимеризации мицеллярное мыло расходуется на образование адсорбированных слоёв и процесс далее протекает внутри частиц полимера. Процесс заканчивается, когда содержание свободного стирола станет менее 0,5%. Далее эмульсия транспортируется из реактора на стадию осаждения с целью дальнейшего снижения остаточного мономера, для этого эмульсию коагулируют раствором поваренной соли и сушат, получая порошкообразную массу с размерами частиц до 0,1 мм. Остатки щелочных веществ влияют на качество полученного материала, поскольку полностью устранить посторонние примеси невозможно, а их наличие придаёт полимеру желтоватый оттенок. Данным методом можно получать полистирол с наибольшей молекулярной массой. Полистирол получаемый по данному методу имеет аббревиатуру - ПСЭ, которая периодически встречается в технической документации и старых учебниках по полимерным материалам.

Суспензионный (ПСС). Суспензионный метод полимеризации производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Стирол подготавливают, суспендируя его в химически чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии (поливинилового спирта, полиметакрилата натрия, гидроокиси магния) и инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации производится при постепенном повышении температуры (до 130°С) под давлением. Результатом является - получение суспензии из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола. Данный метод в основном применяется в производстве пенополистирола.

Блочный или получаемый в массе (ПСМ). Различают две схемы производства: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризацией в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят по-стадийно в среде бензола - сначала при температуре 80-100 °С, а затем стадией 100-220 °С. Реакция прекращается при степени превращения стирола в полистирол до 80-90% массы (при методе неполной конверсии степень полимеризации доводят до 50-60%). Не прореагировавший стирол-мономер удаляют из расплава полистирола вакуумом и понижают содержания остаточного стирола в полистироле до 0,01-0,05%, не прореагировавший мономер возвращается на полимеризацию. Полистирол, полученный блочным методом отличается высокой чистотой и стабильность параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически не имеет отходов.

Поливинилхлорид

Поливинилхлорид — (ПВХ, полихлорвинил, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик и др.) пластмасса белого цвета, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью (–15°С). Нагревостойкость: +65°С.

[—CH2CHCl—]n

Молекулярная масса 10–150 тыс.; плотность — 1,35–1,43 г/см³. Температура стеклования 75–80 °С (для теплостойких марок до 105 °С), температура плавления — 150–220 °С. Трудногорюч. При температурах выше 110–120 °С склонен к разложению с выделением хлористого водорода HCl.

Растворяется в циклогексаноне, тетрагидрофуране (ТГФ), диметилформамиде (ДМФА), дихлорэтане, ограниченно - в бензоле, ацетоне. Не растворяется в воде, спиртах, углеводородах; стоек в растворах щелочей, кислот, солей.

Предел прочности при растяжении — 40–50 МПа, при изгибе — 80–120 МПа. Удельное электрическое сопротивление — 1012 - 1013 Ом·м.

Устойчив к действию влаги, кислот, щелочей, растворов солей, бензина, керосина, жиров, спиртов, обладает хорошими диэлектрическими свойствами.

Тангенс угла потерь порядка 0,01–0,05.

Получается суспензионной или эмульсионной полимеризацией винилхлорида, а также полимеризацией в массе.

Применяется для электроизоляции проводов и кабелей, производства листов, труб (преимущественно хлорированный поливинилхлорид), пленок, пленок для натяжных потолков, искусственных кож, поливинилхлоридного волокна, пенополивинилхлорида, оконных профилей, линолеума, обувных пластикатов, мебельной кромки и т.д.

Основной проблемой, связанной с использованием ПВХ, является сложность его утилизации - при сжигании образуются высокотоксичные хлорорганические соединения.

По истечении 10-ти лет использования включается обратная реакция, то есть материал самостоятельно начинает выделять хлорорганические соединения в окружающую среду. Современные технологии создают способы блокирования этого свойства ПВХ, но они пока малоэффективны.

Пластмассы

Пластма́ссы (пласти́ческие ма́ссы, пла́стики) — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.

Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное. В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании предметов торговли пластмассы делят на термопласты и реактопласты.

Производство синтетических пластмасс основано на реакциях полимеризации, поликонденсации или полиприсоединения низкомолекулярных исходных веществ, выделяемых из угля, черного золота или природного газа. При этом образуются высокомолекулярные связи с большим числом исходных молекул (приставка «поли-» от греческого «много», например этен-полиэтилен).

Основные механические характеристики пластмасс те же, что и для металлов.

Мебельные пластмассы. Пластик, который используют для производства мебели, получают путем пропитки бумаги термореактивными смолами. Производство бумаги является наиболее энерго- и капиталлоемким этапом во всем процессе производства пластика. Используется 2 типа бумаг: основой пластика является крафт-бумага (плотная и небеленая) и декоративная (для придания пластику рисунка). Смолы подразделяются на фенолформальдегидные, которые используются для пропитки крафт-бумаги, и меламиноформальдегидные, которые используются для пропитки декоративной бумаги. Меламиноформальдегидные смолы производят из карбамида, поэтому они стоят дороже.

Мебельный пластик состоит из нескольких слоев. Защитный слой — оверлей — практический прозрачный. Изготавливается из бумаги высокого качества, пропитывается меламиноформальдегидной смолой. Следующий слой — декоративный. Затем несколько слоев крафт-бумаги, которая является основой пластика. И последний слой — компенсирующий (крафт-бумага, пропитанная меламиноформальдегидными смолами). Этот слой присутствует только у американского мебельного пластика.

Готовый мебельный пластик представляет из себя прочные тонированные листы толщиной 1-3 мм. По свойствам он близок к гетинаксу. В частности, он не плавится от прикосновения жалом паяльника, и, строго говоря, не является пластической массой, так как не может быть отлит в горячем состоянии, хотя и поддается изменению формы листа при нагреве. Мебельный пластик широко использовался в XX веке для отделки салонов вагонов метро.

Пластмассы характеризуются малой плотностью (0,85—1,8 г/см³), чрезвычайно низкой электрической и тепловой проводимостью, не очень большой механической прочностью. При нагревании (часто с предварительным размягчением) они разлагаются. Не чувствительны к влажности, устойчивы к действию сильных кислот и оснований, отношение к органическим растворителям различное (в зависимости от химической природы полимера). Физиологически почти безвредны. Свойства пластмасс можно модифицировать методами сополимеризации или стереоспецифической полимеризации, путём сочетания различных пластмасс друг с другом или с другими материалами, такими как стеклянное волокно, текстильная ткань, введением наполнителей и красителей, пластификаторов, тепло- и светостабилизаторов, облучения и др., а также варьированием сырья, например использование соответствующих полиолов и диизоцианатов при получении полиуретанов.

Термопласты (термопластичные пластмассы) при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние.

Реактопласты (термореактивные пластмассы) отличаются более высокими рабочими температурами, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств.

Твёрдость пластмасс определяется по Бринеллю при нагрузках 50—250 кгс на шарик диаметром 5 мм.

Теплостойкость по Мартенсу — температура, при которой пластмассовый брусок с размерами 120 × 15 × 10 мм, изгибаемый при постоянном моменте, создающем наибольшее напряжение изгиба на гранях 120 × 15 мм, равное 50 кгс/см², разрушится или изогнётся так, что укреплённый на конце образца рычаг длиной 210 мм переместится на 6 мм.

Теплостойкость по Вика — температура, при которой цилиндрический стержень диаметром 1,13 мм под действием груза массой 5 кг (для мягких пластмасс 1 кг) углубится в пластмассу на 1 мм.

Температура хрупкости (морозостойкость) — температура, при которой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.

Для придания особых свойств пластмассе в нее добавляют пластификаторы (силикон, дибутилфталат, ПЭГ и т.п.), антипирены (дифенилбутансульфокислота), антиоксиданты (трифенилфосфит, непредельные углеводороды).

Система маркировки пластика:

Для оказания помощи утилизации одноразовых предметов, в 1988 году союзом Пластмассовой Промышленности была разработана систему маркировки для всех видов пластика и идентификационные коды. Маркировка пластика состоит из 3-х стрелок в форме треугольника внутри которых находится цифра, обозначающая тип пластика:

PET или PETE — Полиэтилентерефталат. Обычно используется для бутылок минеральной воды, безалкогольных напитков и фруктовых соков, упаковка, блистеры, обивка. Такие пластики являются потенциально опасными для пищевого использования.

PEHD или HDPE — Полиэтилен высокой плотности. Некоторые бутылки, фляги, а также в более общем плане полу-жесткая упаковка. Считаются безопасными для пищевого использования.

ПВХ или PVC — Поливинилхлорид. Используется для труб, трубок, садовой мебели, в напольных покрытиях, для оконных профилей, жалюзи, бутылок моющих средств и клеенки. Материал является потенциально опасными для пищевого использования, поскольку может содержать диоксины, бисфенол А, ртуть, кадмий.

LDPE и PEBD — полиэтилен низкой плотности. Брезенты, мусорные мешки, пакеты, пленки и гибкие ёмкости. Считается безопасным для пищевого использования.

PP - Полипропилен. Используется в автопрома (оборудование, бамперы), при изготовлении игрушек, а также в пищевой промышленности, в основном при изготовлении упаковок. Считается безопасным для пищевого использования.

PS - Полистирол. Используется при изготовлении плит теплоизоляции зданий, пищевых упаковок, столовых приборов и чашек, коробок CD и прочих упаковок (пищевой плёнки и пеноматериалов), игрушек, посуды, ручек и так далее. Материал является потенциально опасным, особенно в случае горения, поскольку содержит стирол.

OTHER или О - Прочие. К этой группе относится любой другой пластик, который не может быть включен в предыдущие группы. Например сюда относится пластмасса, основанная на поликарбонате. Такие пластмассы являются потенциально токсичными, особенно те, в которых используется поликарбонат, и, основанные на бисфеноле А.

Поиск по сайту: