Производство высокомолекулярных соединений .

Высокомолекулярные соединения – полимеры, представляют собой особый класс органических соединений, молекулы которых состоят из сотен и тысяч атомов, связанных между собой. Такие молекулы принято называть макромолекулами. Макромолекулы полимеров имеют неодинаковую длину, а, следовательно, и массу 1 моля. Поэтому молекулярную массу таких соединений характеризуют средней молекулярной массой, а неоднородность принято называть полидисперсностью по молекулярной массе.

Размеры макромолекул высокомолекулярных соединений зависят от степени полимеризации n, т.е. от числа элементарных звеньев мономера, соединенных между собой химическими связями в макромолекуле. Молекулярная масса полимера М связана со степенью полимеризации соотношением:

(6.23)

где m – молекулярная масса элементарного звена.

Свойства полимеров сильно зависят от степени полимеризации. Например, поликремнийорганические соединения при n=100-120 являются вязкими жидкостями, а при n=1000-1500 представляют собой высокоэластичные материалы.

Строение макромолекул полимеров различно. Большинство полимеров состоит из макромолекул, построенных из одинаковых, многократно повторяющихся элементарных звеньев по принципу …А-А-А…. Такие полимеры называются гомополимерами. Если макромолекула полимера состоит из элементарных звеньев А и В различного строения, такой полимер называют сополимером …А-В-А-В…. Простейшим сополимером является саран, получаемый из звена винилхлорида  и винилиденхлорида :

Макромолекулы отдельных полимеров построены чередованием не отдельных звеньев, а целых участков молекулярной цепи (блоков), отличающихся друг от друга химическим составом, например, …-(-А-) n -(-Б-) m -(-А-) n -(-Б-) m …. Сополимеры такого вида называют блок-сополимерами. Существуют и другие варианты построения макромолекул.

 

Классификация высокомолекулярных соединений

И методы их получения

Высокомолекулярные соединения классифицируют по нескольким признакам.

По происхождению их подразделяют на природные, синтетические и химически модифицированные природные (первая группа – целлюлоза, крахмал, натуральный каучук; вторая группа – синтетические каучуки и др.; третья группа – эфиры целлюлозы).

Карбоцепные полимеры – полимеры, у которых атомы в элементарном звене, а также звенья в макромолекуле имеют один тип соединения углерод-углерод.

Гетероцепные полимеры наряду со связями типа углерод-углерод имеют связи типа углерод-кислород, углерод-азот и др.

По способу получения высокомолекулярные соединения подразделяют на полимеризационные соединения, т.е. соединения, получаемые по реакции полиприсоединения (полиэтилен, полипропилен, полистирол) и поликонденсационные соединения, т.е. соединения, получаемые по реакции полизамещения (полиамиды, полисилоксаны).

По отношению к воздействию тепла высокомолекулярные соединения делят на термопластичные и термореактивные. К термопластичным полимерам относят соединения, не утрачивающие своей плавкости и растворимости при многократном плавлении и охлаждении. К термореактивным полимерам относят соединения, образующие при нагревании пространственные, сетчатые структуры и утрачивающие при этом способность плавиться или растворяться.

Основными методами получения полимеров из мономеров являются полимеризация и поликонденсация.

Полимеризация – процесс образования высокомолекулярных соединений в результате взаимодействия между собой мономеров, имеющих двойные связи или взаимодействия гетероциклов с размыканием колец.

По механизму образования полимера различают радикальную и ионную полимеризацию.

При радикальной полимеризации начало роста цепи (инициирование) происходит под влиянием инициаторов, тепла, света, α-, β- или λ-излучения.

Катионная полимеризация протекает в присутствии катализаторов – неорганических кислот, хлоридов металлов и неметаллов (AlCl₃, BF₃, SnCl₄) и небольших количеств сокатализаторов (вода, органические кислоты, эфиры).

Поликонденсация – процесс образования высокомолекулярного соединения в результате взаимодействия мономеров между собой; при поликонденсации наряду с полимером выделяются низкомолекулярные побочные продукты (вода, аммиак, двуокись углерода и др.). Поликонденсацию можно проводить в расплаве, в растворе и на границе раздела фаз. Поликонденсация в расплаве применяется тогда, когда исходные мономеры и полимер могут длительное время подвергаться воздействию температуры без разложения в расплавленном состоянии. Поликонденсацию в растворе проводят в тех случаях, когда образующийся полимер и исходные мономеры разлагаются при температуре плавления. Поликонденсация на поверхности раздела фаз проводится в двух несмешивающихся жидкостях, в которых отдельно растворены мономеры.

Пластические массы

Материалы, получаемые из природных или синтетических высокомолекулярных соединений, способные при нагревании и давлении приобретать и устойчиво сохранять форму после охлаждения и отверждения, получили название пластические массы.

Пластические массы сочетают в себе ряд ценных свойств. Они имеют малую плотность, устойчивость к атмосферной коррозии, а многие из них к действию агрессивных сред, являются хорошими теплоизоляционными материалами и диэлектриками, некоторые из них могут быть оптически- и радиопрозрачными, упругими или эластичными. Они легко формуются в изделия, а некоторые из них по удельной прочности превосходят углеродистые стали, цветные металлы и их сплавы.

Пластмассы, наряду с указанными достоинствами, обладают и некоторыми недостатками: низкой теплостойкостью, теплопроводностью, малой твердостью и жесткостью, а также подвержены старению.

Пластические массы по составу подразделяют на простые (ненаполненные) и сложные, или композиционные.

Простые пластмассы состоят только из одного высокомолекулярного соединения (полиэтилен, полипропилен, полистирол, фторопласты и др.). В состав сложных пластмасс входят связующие наполнители, пластификаторы, красители, отвердители, стабилизаторы и другие добавки равномерно распределенные в связующем.

Свойства пластмассы определяются свойствами основного компонента – полимера (связующего), который обеспечивает пропитку и соединение частиц, входящих в состав смеси, в однородную массу. За счет связующего достигается монолитность и сохраняется заданная форма готового изделия.

Наполнители – твердые вещества, придающие или усиливающие определенные механические или диэлектрические свойства пластмасс, снижающие усадку при формировании, горючесть и стоимость изделий, улучшающие внешний вид и т.д. В качестве наполнителей используются древесная мука, каолин, графит, тальк и т.д.

Пластификаторы – органические соединения, повышающие пластичность, эластичность композиции. В качестве пластификаторов применяют малолетучие вещества, главным образом, касторовое масло, эфиры фталевой кислоты, реже адипиновой и себациновой.

Красители – вещества, придающие пластмассам требуемую окраску. В качестве красителей применяют как органические, так и минеральные вещества, обладающие высокой термической стойкостью и светопрочностью.

Отвердители – вещества, способствующие переводу линейной структуры макромолекул полимера в пространственную, в результате сшивания макромолекул между собой. В качестве отвердителя используют уротропин, дикарбоновые кислоты, диамины, ненасыщенные мономеры и др. Часто, наряду с отвердителями, в состав композиции вводят ускорители отверждения (окись кальция или магния).

Стабилизаторы – вещества, способствующие сохранению в пластмассе первоначальных свойств.

Для примера рассмотрим получение наиболее широко применяемых полимеров.