Реферат: Полимерные материалы, пластмассы

Полимерные материалы, пластмассы

Историческая справка

            Термин«поли­мерия» был введен в науку И.Берцелиусом в1833 году для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества(полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой,например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содер­жание термина несоответствовало современным представлениям о полимерах.  «Истинные» синтетические полимеры к томувремени еще не были известны.

            Рядполимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине19 века. Однако химики тогда обычно пыталисьподавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к «осмолению» продуктовосновной химической  реакции, т.е.,собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют «смолами»).Первые упоминания о синтетических полимерах отно­сятся к 1838 году (поливинилиденхлорид) и 1839 году (полистирол).

            Химияполимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химическогостроения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительнойустойчивостью мо­лекул, проявляющейся в реакциях поли­меризации. Дальнейшеесвое развитие наука о полимерах по­лучила главным образом благодаря интенсивнымпоискам способов  синтеза  каучука, в которых участвовали крупнейшиеучёные многих стран (Г.Бушарда, У.Тилден,немецкий учёный К Гарриес,  И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-хгодов было до­казано существование свободнорадикальногои ионного механиз­мов полимеризации. Большую роль в развитии представлений ополиконденса­ции сыграли работы У.Карозерса.

            Сначала 20-х годов 20 века развиваются также теоретические представления остроении полимеров. Вначале предполагалось, что такие био­полимеры, какцеллюлоза, крахмал, кау­чук, белки, а также некоторые син­тетические полимеры,сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул,обладающих необычной способ­ностью ассоциировать в растворе в комп­лексыколлоидной природы благодаря нековалентным связям(теория «малых блоков»). Автором принципиально но­вого представления ополимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большоймолекулярной массы, был Г.Штаудингер. Победа идейэтого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объектисследования химии и физики.

Полимеры. Определениеполимеров

  Полимеры – высокомолекулярные соединения, вещества с большоймолекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллионов), в которыхатомы, соединенные химическими связями, образуют линейные или разветвленныецепи, а также пространственные трехмерные структуры. К полимерам относятсямногочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, целлюлоза,крахмал, каучук и другие органические вещества. Большое число полимеровполучают синтетическим путем на основе простейших соединений элементовприродного происхождения путем реакций полимеризации, поликонденсации, ихимических превращений.

            Взависимости от строения основной цепи полимеры делятся на линейные,разветвленные, и пространственные структуры. Линейные и разветвленные цепиможно превратить в трехмерные действием химических агентов, света, и радиации,  а также путем вулканизации.

            ЛинейныеВМС могут иметь как кристаллическую, так и аморфную (стеклообразную) структуру.Разветвленные и трехмерные полимеры, как правило, являются аморфными. Принагревании они переходят в высокоэластическое состояние подобно каучуку,резине, и другим эластомерам. При действии особо высоких температур,окислителей, кислот и щелочей, органические и элементоорганические ВМСподвергаются постепенному разложению, образуя газообразные, жидкие, и твердыесоединения.

            Физико-механическиесвойства линейных и разветвленных полимеров во многом связаны с межмолекулярнымвзаимодействием за счет сил побочных валентностей. Так, например, молекулы целлюлозывзаимодействуют между собой по всей длине молекул, и это явление обеспечиваетвысокую прочность целлюлозных волокон.  Аразветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками,поэтому не способны образовывать прочные волокна. Особенно прочные волокна даютмногие синтетические полимеры (полиамиды, полиэфиры, полипропилен и др.),линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения. Трехмерныеструктуры могут лишь временно деформироваться при растяжении, если они имеютсравнительно редкую сетку (подобно резине), а при наличии густойпространственной сетки они бывают упругими или хрупкими в зависимости отстроения.

            ВМСделятся на две большие группы: гомоцепные, если цепь состоит из одинаковыхатомов (в том числе карбоцепные, состоящие только из углеродных атомов), игетероцепные, когда цепь включает атомы разных элементов. Внутри этих группполимеры подразделяются на классы в соответствии с принятыми в химической наукепринципами.

            Так,если в основную или боковые цепи входят металлы, сера, фосфор, кремний и др.,полимеры относятся к элементоорганическим соединениям.

            Полимерныематериалы делятся на три основные группы: пластические массы, каучуки, волокнахимические. Они широко применяются во многих областях человеческой деятельности,удовлетворяя потребности различных отраслей промышленности, сельскогохозяйства, медицины, культуры и быта.

Пластмассы

Определение.

            ПЛАСТМАССЫ (пластическиемассы, пластики) — материалы на основе полимеров. Большой класс полимерных органическихлегко формуемых материалов, из которых можно изготавливать легкие, жесткие,прочные, коррозионностойкие изделия.

            Эти вещества состоят в основном изуглерода (C), водорода (H), кислорода (O) и азота (N). Все полимеры имеютвысокую молекулярную массу, от 10 000 до 500 000 и более; для сравнения,кислород (O2) имеет молекулярную массу 32. Таким образом, однамолекула полимера содержит очень большое число атомов.

Классификация.

  Некоторые органические пластические материалы встречаются в природе,например асфальт, битум, шеллак, смола хвойных деревьев и копал (твердаяископаемая природная смола). Обычно такие природные органические формуемыевещества называют смолами.

       Хотя модифицированные природные полимерыи находят промышленное применение, большинство используемых пластмасс являютсясинтетическими. Органическое вещество с небольшой молекулярной массой (мономер)сначала превращают в полимер, который затем прядут, отливают, прессуют илиформуют в готовое изделие. Сырьем обычно являются простые, легко доступныепобочные продукты угольной и нефтяной промышленности или производстваудобрений.

          Первым термопластом,нашедшим широкое применение, был целлулоид — искусственный полимер, полученныйпутем перера­ботки природного – целлюлозы.

               <img src="/cache/referats/20359/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

Основные представители

Полистирол — неполярный полимер, широкоприменяющийся в электротехнике, сохраняющий прочность в диапазоне 210… 350К. Благодаря введению различных добавок приобретает специальные свойства: ударопрочность, повышенную теплостойкость, антистатическиесвойства, пенистость. Недостатки полистирола — хрупкость, низкая устойчивость кдей­ствию органических растворителей (толуол, бензол, четыреххло­ристый углеродлегко растворяют полистирол; в парах бензина, скипидара, спирта он набухает).

            Полистирол — вспенивающийся широкоиспользуется как теплозвукоизоляционный строительный материал. Врадиоэлектронике он находит применение для герметизации изделий, когда надообеспечить минимальные механические напряжения, создать временную изоляцию отвоздействия тепла, излучаемого другими эле­ментами.

Полиэтилен — полимер с чрезвычайно широким наборомсвойств и использующийся в больших объемах, вследствие чего его считают королемпластмасс. За 10… 12 лет эксплуатации прочность его снижается лишь на¼. Благодаря хи­мической чистоте и неполярному строению полиэтиленобладает высокими диэлектрическими свойствами.    Они в со­четании с высокими механическими ихимическими свойствами обусловили широкое применение полиэтилена вэлектротехнике, особенно для изоляции проводов и кабелей.

            Помимо полиэтилена общегоназначения выпускаются его мно­гие специальные модификации, среди которых:антистатический, с повышенной адгезионнойспособностью, светостабилизированный, самозатухающий, ингибитированный(для защиты от корро­зии), электропроводящий (для экранирования).

           Главный недостаток полиэтилена — сравнительнонизкая нагревостойкость.

Полиимид — новый класс термостойких полимеров,аромати­ческая природа молекул которых определяет их высокую прочность вплотьдо температуры разложения, химическую стойкость, тугоплавкость. Полиимидная пленка работоспособна при 200°С в течениенескольких лет, при 300°С — 1000 ч, при 400°С — до 6 ч. Кратковременно она неразрушается даже в струе плазменной горелки. При некоторых специфических усло­вияхполиимид превосходит по температурной стойкости даже алюминий. Степеньразрушения полиимида — 815°С, алюминия 515°С.

Эпоксидные смолы — продукт поликонденсации многоатомныхсоединений, включающих эпоксигруппу кольца:

                                            <img src="/cache/referats/20359/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1026">

Основные свойства пластмасс

Химическиесвойства.

           С точки зрения химического поведенияполимер похож на мономер (или мономеры), из которого (или которых) он получен.Углеводороды этилен H2C=CH2, пропилен H2C=CH–CH3и стирол H2C=CH–C6H5 претерпеваютприсоединительную полимеризацию, образуя полиэтилен, полипропилен и полистиролсо следующими структурами.

          Эти полимеры ведут себя какуглеводороды. Они, например, растворимы в углеводородах, не смачиваются водой,не реагируют с кислотами и основаниями, горят, подобно углеводородам, могутхлорироваться, бромироваться в случае полистирола — нитроваться и сульфироваться.

Физические свойства.

            Физические свойства полимера, напротив, зависят не только от характерамономера, но в большей степени от среднего количества мономерныхзвеньев в цепи и от того, как цепи расположены в конечной макромолекуле.

             Все синтетические и используемые впромышленности природные полимеры содержат цепи с различным числом мономерных единиц. Это число называют степеньюполимеризации (СП) и обычно пользуются его средним значением, поскольку цепи неодинаковы по длине. Средняя длина цепи и СП может быть определенаэкспериментально несколькими методами (например, осмометрией — измерением осмотического давления различных растворов; вискозиметрией — измерением вязкости; оптическими методами — измерением светорассеянияразличными растворами; ультрацентрифугированием, прикотором вещества разделяются по их плотности). СП особенно важна приопределении механических свойств полимера, поскольку при прочих равных условияхболее длинные цепи налагаются друг на друга более эффективно и порождаютбольшие силы сцепления. Можно сказать, что заметная механическая прочностьнаблюдается уже при СП 50–100, достигая максимума при СП выше 1000.