5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как образуются органические полимерные молекулы

ОРГАНИЧЕСКИЕ ГОМОАТОМНЫЕ ПОЛИМЕРЫ

К органическим гомоатомным полимерам относятся высокомолекулярные соединения, образованные только одним химическим элементом — углеродом, являющимся основой всех органических веществ.

Гомоатомными полимерами углерода являются графит, алмаз, карбин, графен, фуллерены, углеродные нанотрубки, углеродная нанопена. Все эти полимеры являются аллотропными модификациями углерода. Наиболее изученными и широко используемыми являются графит и алмаз. При нормальных условиях графит термодинамически устойчив, в то время как алмаз метастабилен. При определенных условиях они способны переходить из одной аллотропной формы в другую.

Температура тройной точки «алмаз—графит—жидкий углерод» на фазовой диаграмме составляет 3700 К, а давление — 11 ГПа. При атмосферном давлении при нагревании выше 1500 К алмаз переходит в графит, а графит при температуре выше 2300 К, минуя жидкую фазу, возгоняется. Тройная точка «графит—жидкость—пар»: температура 4130 К, давление 12 ГПа.

Все углеродные гомополимеры являются химически инертными материалами, не растворяются в органических растворителях, устойчивы к воздействию кислот и щелочей, а также к радиационному облучению.

Графит. У графита ярко выраженное пластинчатое строение. Атомы углерода в графите расположены в параллельных плоских слоях и образуют правильные шестиугольники. Расстояние между атомами в слое равно 0,142 нм, а между слоями — 0,3354 нм. Каждый атом углерода связан в слое с тремя другими атомами прочными ковалентными связями. Плоскости располагаются послойно друг под другом и связаны между собой относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми связями, благодаря чему графит является мягким веществом, у которого слои легко скользят и отделяются друг от друга.

Энергия углерод-углеродных связей в слое графита равна 418,7— 460,6 кДж/моль, а энергия межслоевых связей оценивается в пределах всего лишь 4,2—18,2 кДж/моль. Обладая различной величиной энергии углерод-углеродных связей в параллельном и перпендикулярном направлениях по отношению к плоскости гексагональных слоев, графит отличается значительной анизотропией свойств: коэффициент теплопроводности графита различается в 100 раз в плоскости кристаллов и в перпендикулярном к ней направлении.

Между плоскостями свободно перемещаются электроны, благодаря чему графит обладает высокой тепло- и электропроводностью. Материал обладает низкой твердостью (по минералогической шкале твердость графита равна 1) и прекрасными антифрикционными свойствами (коэффициент трения графита по стали равен 0,28). Плотность графита 2230 кг/м 3 . Графит оптически непрозрачен, имеет цвет от серого до черного.

Графит встречается в природе, но может быть синтезирован и искусственным путем. Его производят из угля (антрацита), кокса и пека путем нагревания без доступа воздуха. В отличие от природного материала синтетический графит обладает совершенной кристаллической структурой, что делает его чрезвычайно термоустойчивым материалом. Свойства синтетического графита зависят от природы исходного сырья, технологии производства, плотности и других факторов.

Недостатком графита является высокая хрупкость.

Благодаря вышеперечисленным свойствам графит широко используется в различных областях промышленности. Он применяется как радиационно стойкий материал в ядерной энергетике. Благодаря высокой тепло- и электропроводности графит используется в качестве электродов, инфракрасных излучателей, токосъемных щеток электродвигателей. Из него делают тугоплавкие тигли для разливки жаропрочных металлических сплавов. Широко используют графит как антифрикционный материал: из него делают специальные электропроводные смазки, а также подшипники, не требующие смазки во время эксплуатации.

Из графита изготавливают термостойкие вставки для критических сечений сопел ракетных двигателей. Такие вставки обеспечивают неизменность размеров критического сечения сопла благодаря химической стойкости и устойчивости к нагреву при высокой температуре в условиях эрозионного износа.

Еще одной важной областью применения графита является производство высокомодульных электропроводных волокон, которые широко используются в качестве армирующего наполнителя полимерных композиционных материалов. Применение таких материалов в качестве силовых оболочек летательных аппаратов обеспечивает их радиопрозрачность. Свойства и области применения композитов на основе углеродных волокон рассмотрены в гл. 9.

Алмаз отличается от графита как структурой, так и свойствами.

Алмаз обладает кубической гранецентрированной решеткой с расстоянием между атомами 0,154 нм. Постоянная решетки алмаза равна 0,356 нм.

Каждый атом углерода в алмазе связан с четырьмя соседними атомами, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Любой атом углерода в алмазе имеет четыре эквивалентных атома, с которыми он связан равноценными сильными ковалентными связями. Из этого следует, что четыре валентных электрона у атома углерода образуют электронную конфигурацию. Это позволяет рассматривать кристалл алмаза как одну гигантскую макромолекулу, в которой все атомы одного элемента — углерода — соединены между собой одинаковыми по длине и величине энергии (355,9 кДж/моль) связями. Плотность алмаза 3515 кг/м 3 .

Алмаз — самый твердый минерал, у которого высшее значение твердости по шкале Мооса — 10. Как уже отмечалось выше, он чрезвычайно инертен. Кристаллы, не содержащие примесей, оптически прозрачны.

Алмаз встречается в природе, является драгоценным камнем. Разработаны технологии синтеза искусственных алмазов.

Благодаря высокой твердости алмаз используется при изготовлении абразивного и обрабатывающего инструмента: буровых коронок, полировальных и шлифовочных паст и др.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета, обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин — линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полииновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Карбин получается в виде волокон, порошка, пленок с разнообразной структурой: длинные неупорядоченные цепи, аморфный и квазиаморфный материал с микрокристаллическими включениями, послойно ориентированные цепочки. Частицы кристаллического карбина имеют совершенную огранку и пластинчатую форму кристаллов, бывают частицы в виде волокон длиной порядка 9,5 мм. При конденсации карбина на подложках получены слои, в которых линейные цепочки углерода ориентированы преимущественно нормально относительно подложки.

Физические свойства. Внешне он выглядит как черный мелкокристаллический порошок, плотность его, по данным разных авторов, изменяется от 1,9 до 3,3 г/см3. Карбин — полупроводник я-типа (с шириной запрещенной зоны 1—2 эВ). Он восполняет недостающее звено в спектре углеродных материалов: алмаз — диэлектрик, графит — проводник. У карбина обнаружены фотоэлектрические свойства: под действием света электропроводность карбина сильно увеличивается. Важно, что карбин не утрачивает фотопроводимости даже при температуре до 500 °С, которая намного больше, чем у других материалов того же назначения.

Кристалл линейно-цепочечного углерода должен обладать уникальными свойствами: большой твердостью, одномерной проводимостью (солитонного типа), возможностью легирования, ферромагнетизмом и, возможно, высокотемпературной сверхпроводимостью.

Химические свойства. Карбин обнаруживает поразительную инертность к различным окислителям. По отношению к кипячению в смеси концентрированных азотной и серной кислот он ведет себя подобно алмазу. Карбин инертен и к действию других химических реагентов. Так, взаимодействие его с хлором начинается лишь при температуре выше 800 °С и сопровождается деструкцией и образованием различных полихлоридов. Несмотря на наличие в структуре двойных и тройных связей, карбин не реагирует с водородом в присутствии гомогенных или гетерогенных катализаторов. Только взаимодействие карбина с озоном приводит к полной его деструкции.

Применение карбина. В лабораторных условиях достаточно длинные углеродные цепочки карбина (до 44 атомов) удалось синтезировать лишь неколько лет назад. Карбин представляет особый интерес для химиков и нанотехнологов, поскольку он наиболее прочный из всех известных материалов. Его удельная жесткость (около 109 Н м/кг)

Часть 1. Органические полимерные материалы

вдвое превосходит удельную жесткость графена (0,45 • 10 9 Н м/кг), а удельная прочность (6,0 • 10 7 —7,5 • 10 7 Н м/кг) также оставляет позади все известные материалы, включая графен (4,7 • 10 7 —5,5 х х 10 7 Н м/кг), углеродные нанотрубки (4,3 • 10 7 —5,0 • 10 7 Н м/кг) и алмаз (2,5 • 10 7 —6,5 10 7 Н м/кг). Благодаря комплексу уникальных физических и химических свойств, известных к настоящему времени и не проявляющихся у графита и алмаза, карбин может использоваться в различных областях, включая микроэлектронику на моноуглеродной основе, термоядерный синтез, технологии получения чистых алмазов без металлических примесей.

Карбин уже нашел применение в электронике, космонавтике, авиации и медицине. Перспективно его применение в оптике, микроволновой технике, в конструкциях источников тока и пр. Во всех этих областях ключевое значение имеет высокая стабильность материала. С учетом высокой биологической совместимости и нетоксичности карбина особенно большое значение приобретает его применение в медицинских технологиях.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жесткостью и хорошей теплопроводностью (

1 ТПа и -5-103 Вт м-1К-1 соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлек- троникии, возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Под действием видимого (>2 эВ), ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются и в таком виде не растворяются в органических растворителях. Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изучены фуллериты из кристаллов С60, менее — системы из кристаллов С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения. Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с присущими таким материалам свойствами, поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для диодов, транзисторов, фотоэлементов и т. п.

Читать еще:  Мини термопластавтомат как бизнес

Другой интересной возможностью практического применения является использование фуллереновых добавок при росте алмазных пленок. Как сказано выше, молекулярные кристаллы фуллеренов — полупроводники, однако легирование фуллерита С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник.

Присутствие фуллерена С60 в минеральных смазках вызывает на поверхностях контртел образование защитной фуллерено-полимер- ной пленки толщиной 100 нм. Такая пленка защищает смазку от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3—8 раз, повышает термостабильность смазок до 400—500 °С и несущую способность узлов трения в 2—3 раза, уменьшает время приработки контртел.

Углеродные нанотрубки — это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (рис. 4.1). Трубки состоят из одной или нескольких свернутых гексагональных графитовых плоскостей, заканчивающиеся полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Возможные области применения нанотрубок вытекают из их уникальных свойств: высокой прочности, химической и термической стабильности, трубчатого строения и др.

Рис. 4.1. Однослойные углеродные нанотрубки

Углеродная нанопена — аллотропная модификация углерода, представляющая собой мельчайшую сетку из углеродных нанотрубок и кластеров. Углеродная пена представляет собой очень легкий порошок черного цвета. Плотность нанопены — порядка 2ч-10 мг/см3. Это одно из самых легких твердых веществ (для сравнения: плотность

воздуха 1,2ч-1,3 мг/см ).

Углеродная нанопена имеет большое удельное электрическое сопротивление 10ч-30 МОм-м (при комнатной температуре), которое убывает с нагреванием, т. е. она является полупроводником. Углеродная нанопена обладает сильными парамагнитными свойствами, а при температуре ниже

92 К (точка Кюри) становится ферромагнетиком с узкой петлей гистерезиса. Сразу после изготовления она имеет «постоянный» магнитный момент, но это состояние сохраняется лишь в течение нескольких часов. Это единственная форма углерода, которая притягивается к магниту при комнатной температуре.

Благодаря очень низкой плотности (2ч-10 мг/см 3 ) и большой пло-

шади поверхности (300ч-400 м /г), углеродная нанопена может быть использована в качестве топливных ячеек для хранения водорода. Полупроводниковые свойства нанопены могут быть использованы в электронике. Химическая нейтральность и биостойкость нанопены открывают широкие возможности ее применения в медицине.

  • 1. Что такое гомоатомные полимеры?
  • 2. Какие гомоатомные органические полимеры вы знаете? Каковы их свойства?
  • 3. Чем отличаются структуры гомоатомных органических полимеров графита и алмаза?
  • 4. Каково строение и свойства карбина, графена, фуллерена и других недавно открытых гомополимеров углерода?
  • 5. Каковы области применения гомоатомных органических полимеров?

Органические полимеры

Органические полимеры играют значительную роль в природе. К тому же их широко используют в промышленности. Далее рассмотрен состав, свойства, применение органических полимеров.

Особенности

Рассматриваемые материалы состоят из мономеров, представленных повторяющимися фрагментами структуры из нескольких атомов. Они соединяются в трехмерные структуры либо цепи разветвленной или линейной формы вследствие поликонденсации либо полимеризации. Нередко в строении они четко проявлены.

Следует сказать, что термин «полимеры» относится в основном к органическим вариантам, хотя существуют и неорганические соединения.

Принцип наименования рассматриваемых материалов состоит в присоединении приставки поли- к названию мономера.

Свойства полимеров определяются строением и размерами макромолекул.

Помимо макромолекул, большинство полимеров включает прочие вещества, служащие для улучшения функциональных характеристик путем модификации свойств. Они представлены:

  • стабилизаторами (предотвращают реакции старения);
  • наполнителями (включения различного фазового состояния, служащие для придания специфических свойств);
  • пластификаторами (повышают морозостойкость, снижают температуру переработки и улучшают эластичность);
  • смазками (позволяют избежать прилипания металлических элементов используемого в переработке оборудования);
  • красителями (служат в декоративных целях и для создания маркировок);
  • антипиренами (уменьшают горючесть некоторых полимеров);
  • фунгицидами, антисептиками, инсектицидами (придают антисептические свойства и устойчивость к воздействию насекомых и грибковой плесени).

В природной среде рассматриваемые материалы формируются в организмах.

Кроме того, существуют близкие к полимерам по строению соединения, называемые олигомерами. Их отличия состоят в меньшем количестве звеньев и изменении исходных свойств при удалении или добавлении одного либо нескольких из них, в то время как параметры полимеров при этом сохраняются. К тому же нет однозначного мнения относительно отношений между данными соединениями. Одни считают олигомеры низкомолекулярными вариантами полимеров, другие — отдельным типом соединений, не относящимся к высокомолекулярным.

Классификация

Полимеры дифференцируют по составу звеньев на:

  • органические;
  • элементоорганические;
  • неорганические.

Первые служат основой большинства пластмасс.

Вещества второго типа включают в звеньях углеводородные (органические) и неорганические фрагменты.

По строению их дифференцируют на:

  • варианты, в которых атомы разных элементов находятся в обрамлении органических групп;
  • вещества, где углеродные атомы чередуются с прочими;
  • материалы с углеродными цепями в обрамлении элементоорганических групп.

Все представленные типы имеют основные цепи.

Наиболее часто встречающимися среди неорганических полимеров являются алюмосиликаты и силикаты. Это основные минеральные вещества коры планеты.

На основе происхождения полимеры классифицируют на:

  • природные;
  • синтетические (синтезируемые);
  • модифицированные (измененные варианты первой группы).

Последние подразделяют по способу получения на:

Классификация органических полимеров

Поликонденсацией называют процесс формирования макромолекул из содержащих более одной функциональной группы молекул мономера с выделением NH3, воды и прочих веществ.

Под полимеризацией понимают процесс формирования из мономера макромолекул с кратными связями.

Классификация по макромолекулярному строению включает:

  • разветвленные;
  • линейные;
  • трехмерные сшитые;
  • лестничные.

По реакции на термическое воздействие полимеры дифференцируют на:

Вещества первого типа представлены пространственными вариантами с жестким каркасом. При нагреве с ними происходит деструкция, некоторые загораются. Это обусловлено равной прочностью внутренних связей и связей цепей. Вследствие этого термическое воздействие ведет к разрыву как цепей, так и структуры, следовательно, происходит необратимое разрушение.

Термопластичные варианты представлены линейными полимерами, обратимо размягчаемыми при нагреве и отверждаемыми при охлаждении. Их свойства после этого сохраняются. Пластичность данных веществ обусловлена разрывом при умеренном нагреве межмолекулярных и водородных связей цепей.

Наконец, по особенностям строения органические полимеры подразделяют на несколько классов.

  1. Слабо- и неполярные термопласты. Представлены вариантами с симметричной молекулярной структурой или со слабополярными связями.
  2. Полярные термопласты. К данному типу относят вещества с несимметричной молекулярной структурой и собственными дипольными моментами. Иногда их называют низкочастотными диэлектриками. Ввиду полярности они хорошо притягивают влагу. Также большинство из них способны смачиваться. Данные вещества отличаются от предыдущего класса также меньшим электросопротивлением. При этом многие из полярных термопластов характеризуются высокими показателями эластичности, химической стойкости, механической прочности. Дополнительная обработка позволяет превратить данные соединения в гибкие резинообразные материалы.
  3. Термореактивные полимеры. Как упоминалось выше, это вещества с пространственной системой ковалентных связей. Они отличаются от термопластичных вариантов твердостью, нагревоустойчивостью и хрупкостью, большим модулем упругости и меньшим коэффициентом линейного расширения. К тому же такие полимеры не подвержены воздействию обычных растворителей. Они служат основой для многих веществ.
  4. Слоистые пластмассы. Представлены слоистыми материалами из пропитанных смолой листов бумаги, стеклоткани, древесного шпона, ткани и др. Такие полимеры характеризуются наибольшей анизотропией характеристик и прочностью. Но они малопригодны для создания предметов сложной конфигурации. Применяются в радио-, электротехнике, приборостроении.
  5. Металлопласты. Это полимеры, включающие металлические наполнители в виде волокон, порошков, тканей. Данные добавки служат для придания специфических свойств: магнитных, улучшения демпфирования, электро- и теплопроводности, поглощения и отражения радиоволн.

Свойства

Многие органические полимеры отличаются хорошими электроизоляционными параметрами в обширном интервале напряжений, частот и температур, при большой влажности. К тому же они имеют хорошие звуко- и теплоизоляционные характеристики. Также обычно органические полимеры характеризуются высокой стойкостью к химическому воздействию, не подвержены гниению и коррозии. Наконец, данные материалы обладают большой прочностью при малой плотности.

Приведенные выше примеры демонстрируют общие для органических полимеров характеристики. Помимо этого, некоторые из них отличаются специфическими особенностями: прозрачностью и малой хрупкостью (органическое стекло, пластмассы), макромолекулярным ориентированием при направленном механическом влиянии (волокна, пленки), большой эластичностью (каучук), быстрым изменением физико-механических параметров под воздействием реагента в малом количестве (каучук, кожа и т. д.), а также большой вязкостью при малой концентрации, радиопрозрачностью, антифрикционными характеристиками, диамагнетизмом, и т. д.

Применение

Благодаря названным выше параметрам, органические полимеры имеют обширную сферу применения. Так, сочетание большой прочности с небольшой плотностью позволяет получить материалы большой удельной прочности (ткани: кожа, шерсть, мех, хлопок и т. д.; пластмассы).

Помимо названных, из органических полимеров выпускают прочие материалы: резины, лакокрасочные материалы, клеи, электроизоляционные лаки, волокнистые и пленочные вещества, компаунды, связующие материалы (известь, цемент, глина). Их применяют для промышленных и бытовых нужд.

Крахмал также является органическим полимером

Однако органические полимеры обладают существенным практическим недостатком — старением. Под этим термином понимают изменение их характеристик и размеров в результате физико-химических преобразований, происходящих под воздействием различных факторов: истирания, нагрева, облучения и т. д. Старение происходит путем протекания определенных реакций в зависимости от вида материала и воздействующих факторов. Наиболее распространенной среди них является деструкция, подразумевающая формирование более низкомолекулярных веществ вследствие разрыва химической связи главной цепи. На основе причин деструкцию подразделяют на термическую, химическую, механическую, фотохимическую.

Читать еще:  Мкр х2 40 105 21 как проверить

История

Исследование полимеров начало развиваться к 40 гг. XX в. и сформировалось в качестве самостоятельной научной области в середине столетия. Это было связано с развитием знаний о роли данных веществ в органическом мире и выяснением возможностей их применения в промышленности.

При этом цепные полимеры производили еще в начале XX столетия.

К середине века освоили выпуск электроизолирующих полимеров (поливинилхлорида и полистирола), плексигласа.

В начале второй половины столетия расширилось производство полимерных тканей за счет возврата выпускавшихся прежде материалов и появления новых вариантов. Среди них — хлопок, шерсть, шелк, лавсан. В тот же период, благодаря применению катализаторов, начали выпуск полиэтилена и полипропилена при малом давлении и кристаллизующихся стереорегулярных вариантов. Немного позже освоили массовый выпуск самых известных герметиков, пористых и адгезивных материалов, представленных полиуретанами, а также элементоорганических полимеров, отличающихся от органических аналогов большей эластичностью и термостойкостью (полисилоксаны).

В 60 — 70 гг. были созданы уникальные органические полимеры с ароматическими компонентами, характеризующиеся высокой термостойкостью и прочностью.

Производство органических полимеров интенсивно развивается и сейчас. Это обусловлено возможностью использования дешевых материалов, таких как уголь, попутные газы нефтепереработки и добычи и природные газы, в совокупности с водой и воздухом в виде исходного сырья для большинства из них.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Органические полимерные материалы

Полимеры и олигомеры.Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой их массы полимеры приобретают некоторые специфические свойства.

Отдельную группу представляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Методы получения полимеров.Для получения органических полимерных материалов используют реакции полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация (полиприсоединение) – это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). При полимеризации не образуются побочные продукты, элементарный состав молекул не отличается от состава молекул мономеров. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: C = C, C = O, C = C = O, C = C = C, C = N, либо соединения с циклическими группами. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у

конденсаторов, материалов сенсоров, а в перспективе и для замены металлов (органические мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул.

Поликонденсация. Реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н2О, NH3, HCl, CH2O и др.) называется поликонденсацией. Поликонденсация соединений с тремя и более функциональными группами называется трехмерной. Элементарные составы полимеров и исходных веществ не совпадают. Поликондесация протекает по ступенчатому механизму, т.е. может остановиться на любой стадии. Поликонденсацию проводят либо в расплаве, либо в растворе, либо на межфазной границе. Методом поликоненсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров.

Свойства полимеров.Химические свойства зависят от состава, молекулярной массы и структуры полимеров. Им свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями, взаимодействие функциональных групп друг с другом и низкомолекулярными веществами и деструкции. Например при вулканизации происходит взаимодействие каучука с вулканизующим агентом, обычно с серой, с образованием резины (0,5- 5% серы) или эбонита (20% и более серы).

Ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы.

Механическая прочность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и далее сетчатым структурам. Дальнейшее увеличение механической прочности полимеров наблюдается при их переходе в кристаллическое состояние. Например, разрывная прочность кристаллического полиэтилена на 1,5-2,0 порядка выше, чем прочность аморфного полиэтилена. Удельная прочность на единицу массы на порядок превышает прочность легированных сталей. Механическая прочность полимеров может быть повышена путем добавления наполнителей, например сажи и мела армированием волокон, например стекловолокном. Большинство полимеров относится к диэлектрикам. Полимерные диэлектрики широко применяются в радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей и лаков.

Некоторые полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Обычно это полимеры с системой сопряженных двойных связей. Органические полупроводники могут применяться в качестве электродных материалов аккумуляторов, пластин металлы).

Применение полимеров.На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Композиционные материалы состоят из основы (органической, полимерной, углеродной, металлической, керамической), армированной наполнителем, в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. Многие композиты по прочности не уступают металлам. Композиционные полимерные материалы используются как конструкционные, электро- и теплоизолирующие, коррозийно-стойкие, антифрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, авиационной , космической технике и т. д.

Характерной особенностью применений органических полимеров (силиконов) является высокая тепло- и морозостойкость, эластичность. Силиконы используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Резины могут эксплуатироваться при температуре от –90 до +300 0 С, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизолирующими свойствами. Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например для защитных покрытий космических аппаратов и т. д.

Пример 1.С помощью каких реакций получают: а) полиэтилен; б) полиэтиленоксид?

Решение. Указанные полимеры получают реакцией полимеризации:

Пример 2.Составьте схему получения силикона.

а) n Si = O → n -Si – O – S –

Контрольные вопросы

237. Что общего и чем отличаются между собой полимеры и олигомеры?

238. Какие вещества называются высокомолекулярными? Основные способы их получения.

239. Приведите схемы реакций поликонденсации и полимеризации на конкретных примерах.

240. Составьте схему получения кремнийорганических полимеров. Свойства и применение их в авиационной технике.

241. Какими способами получают натуральный и синтетический каучуки?

242. Приведите примеры получения натурального каучука и поливинилбутадиенового. Их свойства и применение в авиационной технике.

243. Каким способом получают резины? Приведите примеры. Свойства и применение в авиационной технике.

244. Составьте схему получения полиэтилена. Его свойства и применение в авиационной технике.

245. Составьте схему получения полистирола и полипропилена. Их свойства и применение в авиационной технике.

246. Напишите структурную формулу винилацетата. Приведите схему полимеризации этого соединения.

247. Какой способ получения полимеров сопровождается образованием низкомолекулярных веществ? Приведите схемы реакций на конкретных примерах.

248. Какие различия в свойствах у аморфных и кристаллических полимеров?

249. Какие полимеры могут иметь кристаллическую структуру? Степень кристалличности.

250. Какие полимеры называют эластиками? Подробный ответ.

251. Опишите явление металлического стеклования, его прменения.

252. Охарактеризуйте вязкотекучее состояние полимеров.

253. От чего зависят химические свойства полимеров? Подробный ответ.

254. Приведите схему вулканизации каучука. Получение резины, эбонита.

255. С чем связано старение полимеров? Замедление этого процесса.

256. От чего зависит механическая прочность полимеров? Способы увеличения прочности.

257. Органические диэлектрики и полупроводники, их применение.

258. Состав композиционных материалов, их свойства.

259. Что является основой композитов? Области применения полимерных композиционных материалов.

260. Какие полимеры применяют в космической технике в качестве защитных покрытий? Подробный ответ.

261. Сравните механические свойства композитов и сплавов металлов.

262. Приведите схемы получения силиконов. Их свойства и применение.

263. Почему возможно возникновение кристаллической структуры в полимерах? Преимущество этой структуры по сравнению с аморфным состоянием полимеров.

264. Основы получения резины, эбонита, их применение.

265. Физические свойства аморфных полимеров.

266. Какие полимеры в перспективе могут заменить металлы? Чем они отличаются от полимерных диэлектриков?

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8422 – | 7325 – или читать все.

91.105.238.48 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Полимеры

Полиме́ры (от греч. πολύ — много и μέρος — часть) — неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер — это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико (в ином случае соединение будет называться олигомером). Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются [1] . Как правило, полимеры — вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов [2] .

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей — реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвлённым, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

Читать еще:  Как крепить провод в штробе

В строении полимера можно выделить мономерное звено — повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (—СН2—CHCl—)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических преобразований. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли-: полиэтилен, полипропилен, поливинилацетат и т. п.

Содержание

Особенности

Особые механические свойства

  • эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
  • малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
  • способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

  • высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
  • растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

  • способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Классификация

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические, элементоорганические, неорганические.

  • Органические полимеры.
  • Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель — кремнийорганические соединения.
  • Неорганические полимеры. Они не содержат в повторяющемся звене связей C-C, но способны содержать органические радикалы, как боковые заместители.

Следует отметить, что в технике полимеры часто используются как компоненты композиционных материалов, например, стеклопластиков. Возможны композиционные материалы, все компоненты которых — полимеры (с разным составом и свойствами).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвлённые (частный случай — звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей — молекул с разобщённым распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными. Полимеры с неполярными звеньями — неполярными, гидрофобными. Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными. Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами.

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных — высокомолекулярных (см. Химическая эволюция).

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

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

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях — путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём 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 ещё в середине XIX века. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 году, когда Лео Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу — продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трёхмерный 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.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем — также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата — без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолётостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х годах XX века было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон — искусственная шерсть из полиакрилонитрила, — замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шёлк). 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 годы XX века. 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.

Огнеупорные полимеры

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры. Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путём включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, например, гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоты (ГХЭМТФК), дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты. Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике.

Действие гидроксида алюминия основано на том, что под высокотемпературным воздействием выделяется вода, препятствующая горению. Для достижения эффекта требуется добавлять большие количества гидроксида алюминия: по массе 4 части к одной части ненасыщенных полиэфирных смол.

Пирофосфат аммония действует по другому принципу: он вызывает обугливание, что вместе со стеклообразным слоем пирофосфатов даёт изоляцию пластика от кислорода, ингибируя распространение огня.

Применение

Благодаря ценным свойствам, полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении и в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х годах XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органической химией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector