Представьте следующую ситуацию. Вы выходите из магазина и торопитесь поскорее закинуть пакет в машину. Дело сделано. Вы быстро проверяете телефон и садитесь за руль. Заходя в свою квартиру, вы вытираете ноги о резиновый коврик, вынимаете все из пакетов: сковородку с антипригарным покрытием, игрушки для ребенка, пену для бритья, пару рубашек, обои. Вроде ничего не забыли. Вы прихватываете с собой бутылку воды и идете к компьютеру - пора бы и поработать. Все, о чем шла речь выше, содержит полимеры. Вплоть до магазина.
Полимеры - что это такое?
Полимеры - это материалы, состоящие из длинных повторяющихся цепочек молекул. Они обладают уникальными свойствами в зависимости от типа соединяемых молекул и от того, как они соединены. Некоторые из них гнутся и тянутся, например резина и полиэстер. Другие твердые и жесткие, как эпоксиды и органическое стекло.
Термин «полимер» обычно используется для описания пластиков, которые являются синтетическими полимерами. Как бы то ни было, естественные полимеры также существуют: к примеру, резина и дерево - это естественные полимеры, состоящие из простого углеводорода, изопрена. Белки - тоже естественные полимеры, они состоят из аминокислот. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) - полимеры нуклеотидов - сложных молекул, состоящих из азотсодержащей основы, сахара и фосфорной кислоты.
Кто до этого додумался?
Отцом полимеров считается преподаватель органической химии из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Герман Штаудингер.
Герман Штаудингер. Источник: Wikimedia
Его исследования 1920-х гг. проложили путь для последующей работы, как с естественными, так и с синтетическими полимерами. Он ввел два термина, являющихся ключевыми для понимания полимеров: полимеризация и макромолекула. В 1953 г. Штаудингер получил заслуженную Нобелевскую премию «за его открытия в поле макромолекулярной химии».
Полимеризация - метод создания синтетических полимеров путем комбинирования более маленьких молекул, мономеров, в цепочку, скрепляемую ковалентными связями. Различные химические реакции, например те, что вызваны теплом и давлением, изменяют химические связи, которые скрепляют мономеры. Процесс заставляет молекулы связываться в линейной, разветвленной или пространственной структуре, превращая их в полимеры. Эти цепочки мономеров также называют макромолекулами. Одна макромолекула может состоять из сотен тысяч мономеров.
Виды полимеров
Вид полимера зависит от его структуры. Из вышенаписанного мы понимаем, что таких видов должно быть три.
Линейные полимеры. Это соединения, в которых мономеры химически инертны по отношению друг к другу и связаны лишь силами Ван-дер-Ваальса (силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10–20 кДж/моль. - Прим. ред .). Термин «линейные» вовсе не обозначает прямолинейное расположение молекул относительно друг друга. Наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.
Разветвленные полимеры. Они образованы цепями с боковыми ответвлениями (число ответвлений и их длина различны). Разветвленные полимеры более прочны, чем линейные.
Линейные и разветвленные полимеры размягчаются при нагревании и вновь затвердевают при охлаждении. Такое их свойство называется термопластичностью, а сами полимеры - термопластичными, или термопластами. Связи между молекулами в таких полимерах могут быть разорваны и соединены по новой. Это значит, что пластмассовые бутылки можно использовать для производства других полимерсодержащих вещей, от коврика до флисовых курток. Конечно, можно наделать еще бутылок. Все, что понадобится для переработки, - высокая температура. Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов. К термопластам относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол и др.
Если же макромолекулы содержат реакционно-способные мономеры, то при нагревании они соединяются множеством поперечных связей, и полимер приобретает пространственную структуру. Такие полимеры называют термоактивными, или реактопластами.
С одной стороны, реактопласты обладают положительными качествами: они более твердые и теплостойкие. С другой стороны, после разрушения связей между молекулами термоактивных полимеров ее не получится установить второй раз. Переработка в таком случае отпадает, а это очень нехорошо. Самые распространенные полимеры этой группы - полиэстер, винилэстер и эпоксиды.
Материалы, получаемые на основе полимеров . На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).
Волокна получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) в пластине с последующим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.
Полимерные пленки получают из расплавов полимеров методом продавливания через фильеры с щелевидными отверстиями или методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту или методом каландрования" полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, основы магнитных лент и т.д.
Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.
Клеи - композиции, способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др.
Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые. Термопластические клеи образуют связь с поверхностью в результате затвердевания при охлаждении от температуры текучести до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи образуют связь с поверхностью в результате отвердевания (образования поперечных сшивок), резиновые клеи - в результате вулканизации.
В качестве полимерной основы термореактивных клеев служат фенол- и мочевино-формальдегидные и эпоксидные смолы, полиуретаны, полиэфиры и другие полимеры, термопластичных клеев - полиакрилы, полиамиды, поливинилацетали, поливинилхлорид и другие полимеры. Прочность клеевого слоя например, фенолоформальдегидных клеев (БФ, ВК) при 20 °С при сдвиге лежит в пределах 15 до 20 МПа, эпоксидных - до 36 МПа.
Пластмассы - это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации - в стеклообразном. Все пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты. При формовании реактопластов происходит необратимая реакция отвердевания, заключающаяся в образовании сетчатой структуры. К реактопластам относятся материалы на основе фенолоформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. Термопласты способны многократно переходить в вязкотекучее состояние при нагревании и стеклообразное - при охлаждении. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров.
Кроме полимеров в состав пластмасс входят пластификаторы, красители и наполнители. Пластификаторы, например, диоктилфталат, дибутилсебацинат, хлорированный парафин, снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимера. Антиоксиданты замедляют деструкцию полимеров. Наполнители улучшают физико-механические свойства полимеров. В качестве наполнителей применяют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань. Особую группу пластмасс составляют композиты.
Композиционные материалы (композиты) - состоят из основы (органической, полимерной, углеродной, металлической, керамической), армированной наполнителем, в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. В качестве основы используются синтетические смолы (алкидные, фенолоформальде-гидные, эпоксидные и др.) и полимеры (полиамиды, фторопласты, силиконы и др.).
Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (например, стеклянными, карбидными, нитридными, борными). Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью (прочностью при разрыве 1300-2500 МПа) и хорошими электроизоляционными свойствами. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными волокнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители - борные волокна) имеют высокую прочность, твердость и низкую ползучесть.
Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие, антифрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, электротехнической, авиационной, радиотехнической, горнорудной промышленности, космической технике, химическом машиностроении и строительстве.
Редокситы. Широкое применение получили полимеры с окислительно-восстановительными свойствами - редокситы (с редокс-группами или редоксиониты).
Применение полимеров. В настоящее время широко применяется большое число различных полимеров. Физические и химические свойства некоторых термопластов приведены в табл. 14.2 и 14.3.
Полиэтилен [-СН2-СН2-]n - термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации при температуре до 320 °С и давлении 120-320 МПа (полиэтилен высокого давления) или при давлении до 5 МПа с использованием комплексных катализаторов (полиэтилен низкого давления). Полиэтилен низкого давления имеет более высокие прочность, плотность, эластичность и температуру размягчения, чем полиэтилен высокого давления. Полиэтилен химически стоек во многих средах, но под действием окислителей стареет (табл. 14.3). Хороший диэлектрик (см. табл. 14.2), может эксплуатироваться в пределах температур от -20 до +100 °С. Облучение может повысить теплостойкость полимера. Из полиэтилена изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки и оболочки кабелей (высокочастотных, телефонных, силовых), пленки, упаковочный материал, заменители стеклотары.
Полипропилен [-СН(СН3)-СН2-]n - кристаллический термопласт, получаемый методом стереоспецифической полимеризации. Обладает более высокой термостойкостью (до 120-140 °С), чем полиэтилен. Имеет высокую механическую прочность (см. табл. 14.2), стойкость к многократным изгибам и истиранию, эластичен. Применяется для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.
Термопласт, получаемый радикальной полимеризацией стирола.
Полимер стоек к действию окислителей, но неустойчив к воздействию сильных кислот, он растворяется в ароматических растворителях (см. табл. 14.3).
Таблица 14.2. Физические свойства некоторых полимеров
|
Свойство |
Полиэтилен |
Полипропилен |
Полисти-рол |
Поливини-хлорид |
Полимети-метакрилат |
Политетра-фторэтилен |
|
Плотность, г/см3 Температура стеклования, °С Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Удельное электрическое сопротивление, Ом×см Диэлектрическая проницаемость |
||||||
* Температура плавления.
Таблица 14.3 Химические свойства некоторых полимеров
|
Свойство |
Полимеры |
|||||
|
Полиэти-лен |
Полистирол |
Поливини-хлорид |
Полимети-метакрилат |
Силиконы |
Фторо-пласты |
|
|
Устойчивость к дейсвию: а) растворов кислот б) растворов щелочей в) окислителей Растворимость в углеводородах а) алифатических б) ароматических Растворители |
Набухает Растворяется при нагреве Бензол при нагревании |
Стоек в слабых растворах Стоек в слабых растворах Набухает Растворяется Спирты, эфиры, стирол |
Не растворяется Не растворяется Тетрагидрофуран, дихлорэтан |
Стоек в мини-ральных кислотах Растворим Дихлорэтан, кетоны |
Не стойки Растворяются Растворимы Эфиры, хлороугле-водороды |
Растворы некоторых комлексов |
Полистирол обладает высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами (см. табл. 14.2) и используется как высококачественный электроизоляционный, а также конструкционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, бытовой технике. Гибкий эластичный полистирол, получаемый вытяжкой в горячем состоянии, применяется для оболочек кабелей и проводов. На основе полистирола также выпускают пенопласты.
Поливинилхлорид [-CH2-CHCl-]n - термопласт, изготовляемый полимеризацией винилхлорида, стоек к воздействию кислот, щелочей и окислителей (см. табл. 14.3). Растворим в циклогексаноне, тетрагидрофуране, ограничено - в бензоле и ацетоне. Трудногорюч, механически прочен (см. табл. 14.2). Диэлектрические свойства хуже, чем у полиэтилена. Применяется как изоляционный материал, который можно соединять сваркой. Из него изготовляют грампластинки, плащи, трубы и др. предметы.
Политетрафторэтилен (фторопласт)[-CF2-CF2-]n - термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации тетрафторэ-тилена. Обладает исключительной химической стойкостью к кислотам, щелочам и окислителям. Прекрасный диэлектрик. Имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от -270 до +260 °С). При 400 °С разлагается с выделением фтора, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный материал в химической промышленности. Как лучший диэлектрик применяется в условиях, когда требуется сочетание электроизоляционных свойств с химической стойкостью. Кроме того, его используют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных покрытий, покрытий сковородок.
Полиметилметакрилат (плексиглаз)
Термопласт, получаемый методом полимеризации метилметакрилата. Механически прочен (см. табл. 14.2), стоек к действию кислот, атмосферостоек. Растворяется в дихлорэтане, ароматических углеводородах, кетонах, сложных эфирах. Бесцветен и оптически прозрачен. Применяется в электротехнике, как конструкционный материал, а также как основа клеев.
Полиамиды - термопласты, содержащие в основной цепи амидогруппу -NHCO-, например поли-e-капрон [-NH-(CH2)5-CO-]n, полигексаметиленадипинамид (найлон) [-NH-(CH2)5-NH-CO-(CH2)4-CO-]n, полидодеканамид [-NH-(CH2)11-CO-]n и др. Их получают как поликонденсацией, так и полимеризацией. Плотность полимеров 1,0¸1,3 г/см3. Характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами. Устойчивы в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяются для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электроизоляционных изделий.
Полиуретаны - термопласты, содержащие в основной цепи группы -NH(CO)O-, а также эфирные, карбаматные и др. Получают взаимодействием изоциантов (соединений, содержащих одну или несколько NCO-гpyпп) с полиспиртами, например с гликолями и глицерином. Устойчивы к действию разбавленных минеральных кислот и щелочей, масел и алифатических углеводородов.
Выпускаются в виде пенополиуретанов (поролонов), эластомеров, входят в составы лаков, клеев, герметиков. Используются для тепло- и электроизоляции, в качестве фильтров и упаковочного материала, для изготовления обуви, искусственной кожи, резинотехнических изделий. Полиэфиры -полимеры с общей формулой HO[-R-O-]nH или [-OC-R-COO-R"-O-]n. Получают либо полимеризацией циклических оксидов, например этиленоксида, лактонов (сложных эфиров окси-кислот), либо поликонденсацией гликолей, диэфиров и других соединений. Алифатические полиэфиры устойчивы к действию растворов щелочей, ароматические - также к действию растворов минеральных кислот и солей.
Применяются в производстве волокон, лаков и эмалей, пленок, коагулянтов и флотореагентов, компонентов гидравлических жидкостей и др.
Синтетические каучуки (эластомеры) получают эмульсионной или стереоспецифической полимеризацией. При вулканизации превращаются в резину, для которой характерна высокая эластичность. Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков (СК), свойства которых зависят от типа мономеров. Многие каучуки получают совместной полимеризацией двух и более мономеров. Различают СК общего и специального назначения. К СК общего назначения относят бутадиеновый [-СН2-СН=СН-СН2-]n и бутадиенстирольный [-СН2-СН=СН-СН2-]n-[-СН2-СН(С6Н5)-]n. Резины на их основе используются в изделиях массового назначения (шины, защитные оболочки кабелей и проводов, ленты и т.д.). Из этих каучуков также получают эбонит, широко используемый в электротехнике. Резины, получаемые из СК специального назначения, кроме эластичности характеризуются некоторыми специальными свойствами, например бензо- и маслостойкостью (бутадиеннитрильный СК [-CH2-CH=CH-CH2-]n-[-CH2-CH(CN)-]n), бензо-, масло- и теплостойкостью, негорючестью (хлоропреновый СК [-СН2-С(Сl)=СН-СН2-]n), износостойкостью (полиуретановый и др.), тепло-, свето-, озоностойкостью (бутилкаучук) [-C(СН3)2-CH2-]n –[-CH2C(CH3)=СН-СН2-]m.
К наиболее применяемым относятся бутадиенстирольный (более 40%), бутадиеновый (13%), изопреновый (7%), хлоропреновый (5%) каучуки и бутилкаучук (5%). Основная доля каучуков (60-70%) идет на производство шин, около 4% - на изготовление обуви.
Кремнийорганические полимеры (силиконы) -содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул, например:
 |
|||
 |
|||
Большой вклад в разработку кремнийорганических полимеров внес российский ученый К.А.Андрианов. Характерной особенностью этих полимеров является высокая тепло- и морозостойкость, эластичность. Силиконы не стойки к воздействию щелочей и растворяются во многих ароматических и алифатических растворителях (см. табл. 14.3). Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Кремнийорганические каучуки [-Si(R2)-O-]n, например диметилсилоксановый и метил винил сил оксановый имеют плотность 0,96-0,98 г/см3, температуру стеклования 130°С. Растворимы в углеводородах, галогеноуглеводородах, эфирах. Вулканизируются с помощью органических пероксидов. Резины могут эксплуатироваться при температуре от -90 до +300°С, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами (r = 1015-1016 Ом×см). Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например для защитных покрытий космических аппаратов и т.д.
Феноло- и аминоформальдегидные смолы получают поликонденсацией формальдегида с фенолом или аминами (см. §14.2). Это термореактивные полимеры, у которых в результате образования поперечных связей образуется сетчатая пространственная структура, которую невозможно превратить в линейную структуру, т.е. процесс идет необратимо. Их используют как основу клеев, лаков, ионитов, пластмасс.
Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол получили название фенопластов, на основе мочевино-формальдегидных смол -аминопластов. Наполнителями фенопластов и аминопластов служит бумага или картон (гетинакс), ткань (текстолит), древесина, кварцевая и слюдяная мука и др. Фенопласты стойки к действию воды, растворов кислот, солей и оснований, органических растворителей, трудногорючи, атмосферостойки и являются хорошими диэлектриками. Используются в производстве печатных плат, корпусов электро- и радиотехнических изделий, фольгированных диэлектриков. Аминопласты характеризуются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, устойчивы к действию света и УФ-лучей, трудногорючи, стойки к действию слабых кислот и оснований и многих растворителей. Они могут быть окрашены в любые цвета. Применяются для изготовления электротехнических изделий (корпусов приборо
1. На основе полимеров получают волокна путем продавливания растворов или расплавов через фильеры с последующим затвердеванием - это полиамиды, полиакрилонитрилы и др.
2. Полимерные пленки получают продавливанием через фильеры с щелевидными отверстиями или нанесением на движущую ленту. Их используют как электроизоляционный и упаковочный материал, основы магнитных лент.
3. Лаки - растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях.
4. Клеи, композиции способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями клеевой прослойкой.
5. Пластмассы
6. Композиты (композиционные материалы) - полимерная основа, армированная наполнителем.
10.4.2. Областиприменения полимеров
1. Полиэтилен устойчив к агрессивной среде, влагонепроницаем, является диэлектриком. Из него изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки, оболочки кабелей телефонных и силовых линий.
2. Полипропилен - механически прочен, стоек к изгибам, истиранию, эластичен. Применяют для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.
3. Полистирол - устойчив к действию кислот. Механически прочен, является диэлектриком Используется как электроизоляционный и конструкционный материал в электротехнике, радиотехнике.
4. Поливинилхлорид - трудногорюч, механически прочен, электроизоляционный материал.
5. Политетрафторэтилен (фторопласт) - диэлектрик не растворяется в органических растворителях. Обладает высокими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур (от -270 до 260ºС). Применяется также как антифрикционный и гидрофобный материал.
6. Полиметилметакрилат (плексиглас) - применяется в электротехнике как конструкционный материал.
7. Полиамид – обладает высокой прочностью, износостойкостью, высокими диэлектрическими свойствами.
8. Синтетические каучуки (эластомеры).
9. Фенолформальдегидные смолы - основа клеев, лаков, пластмасс.
10.5. Органические полимерные материалы
10.5.1. Полимеризационные термопластичные смолы
Полипропилен - термопластичный полимер, получаемый из газа пропилена C 3 H 6 . (CH 2 = CH - CH 3)
Структурная формула
[-CH 2 -CH(CH 3)-] n .
Полимеризация ведется в бензине при температуре 70 °С по способу Натта. Получают полимер с регулярной структурой. Он имеет высокую химостойкость и разрушается лишь под действием 98% H 2 SO 4 и 50% HNO 3 при температуре выше 70°.
Электрические свойства как у полиэтилена. Пленка имеет малую газо - и паропроницаемость. Применяется для изоляции высокочастотных кабелей и монтажных проводов, в качестве диэлектрика высокочастотных конденсаторов.
Полиизобутилен - продукт полимеризации газа изобутилена. Структурная формула:
Существует несколько видов полиизобутилена, жидкие низкомолекулярные (1000) и твердые высокомолекулярные (400000). Т.е. в зависимости от степени полимеризации он может быть жидким с различной вязкостью и эластичным подобно каучуку. Молекулы имеют нитевидную симметричную структуру с разветвленностью в боковых группах. Этим можно объяснить клейкость материала, большая эластичность, по сравнению с полиэтиленом. Это диэлектрик с ρ = 10 15 – 10 16 Ом см,ε = 2,25 – 2,35, электрическая прочность – 16 – 23 кВ/мм.
Морозостойкость полиизобутилена зависит от его молекулярного веса, чем вес больше, тем полиизобутилен морозоустойчивее.
В чистом виде или в композициях полиизобутилен применяют для изготовления изоляционных лент; изоляции высокочастотных кабелей (в композициях с полиэтиленом); уплотнителей; изоляционных заливочных компаундов; клеящих материалов.
Вследствие холодной текучести полиизобутилена для изоляции высокочастотных кабелей применяется резиноподобная смесь из 90% полиизобутилена и 10% полистирола с прослойкой полистирольной пленки (стирофлекса). Эта смесь имеет высокие электрические свойства при повышенной влажности.
Полистирол – продукт полимеризации стирола – ненасышенного УВ – винилбензола или фенилэтилена –CH 2 CHC 6 H 5 .
Молекула стирола несколько несимметрична, что обусловлено наличием в нем фенольных групп.
При нормальной температуре стирол - бесцветная прозрачная жидкость. Из методов полимеризации стирола и получения твердого диэлектрика наиболее распространены методы блочной и эмульсионной полимеризации.
Стирол токсичен, вызывает раздражения кожи, глаз и органов дыхания. Пыль полистирола образует с воздухом взрывоопасные концентрации.
Плотность – 1,05 г/см 3
ρ, Ом·см, 10 14 – 10 17
ε= 2,55 – 2,52
Полистирол – химически стоек, на него не действуют концентрированные кислоты (HNO 3 – исключение) и щелочи, он растворяется в эфирах, кетонах, ароматических углеводородах и не растворяется в спиртах, воде, растительных маслах.
Степень полимеризации зависит от условий. Можно получить полимер с молекулярной массой до 600000. Это будут твердые полимеры. Применение находят полимеры с М.М. от 40000 до 150000. При нагреве 180 – 300 ºС возможна деполимеризация. Электрические свойства также зависят от метода полимеризации и наличия полярных примесей, особенно эмульгаторов.
Изделия из полистирола производят прессованием и литьем под давлением. Из него изготавливают: пленку (стирофлекс), ламповые панели, каркасы катушек, изоляционные детали переключателей, изоляторы антенн; пленки для конденсаторов и др. Полистирол в виде лент, шайб, колпачков применяется для изоляции высокочастотных кабелей.
Недостатки: невысокая нагревостойкость и склонность к быстрому старению – появление на поверхности сетки мелких трещин; при этом понижается электрическая прочность и повышается ε .
Полидихлорстирол – отличается от полистирола содержанием в каждом звене цепи двух атомов хлора и вследствие этого большой теплостойкостью, нагревостоек.
ε= 2,25 – 2,65
Полихлорвинил – термопластичное синтетическое высокополимерное соединение с линейной структурой молекул несимметричного строения. Резко выраженная асимметричность и полярность полихлорвинила связана с хлором.
Получают полимеризацией хлорвинила H 2 C =CH -Cl. Исходным сырьем для получения являются дихлорэтан и ацетилен. Хлорвинил является галоидопроизводным этилена. При нормальной температуре он представляет собой бесцветный газ, при температуре 12 - 14 ºС – жидкость, и при -159 ºС твердое тело. Полимеризация хлорвинила может производиться тремя способами: блочным, эмульсионным и в растворах. Наиболее применимый – водоэмульсионный. Существуют марки полихлорвинила с добавкой пластификаторов и наполнителей с различными механическими свойствами, морозостойкостью и нагревостойкостью.
Молекула полихлорвинила имеет вид
ε= 3,1 – 3,4 (при 800 Гц)
ρ = 10 15 – 10 16 Ом. см
Полихлорвинил малогигроскопичен, изменение диэлектрических свойств во влажной атмосфере незначительно.
Изделия изготовляют путем прессования, литьем под давлением, штамповкой, формованием.
Полихлорвинил применяется в виде пластмасс различной эластичности, в виде лаков для защитных покрытий. Он химически стоек против воздействия щелочей, кислот, спирта, бензина и минеральных масел. Сложные эфиры, кетоны, ароматические углеводороды частично растворяют его или вызывают набухание.
Полихлорвинил применяется в электропромышленности в следующих изделиях:
а) аккумуляторные банки;
б) шланги для электроизоляции и химзащиты;
в) изоляция телефонных проводов и кабелей (заменитель свинца);
г) изоляционные прокладки, втулки и др. изделия.
Не применяется в высокочастотных цепях в качестве диэлектрика из-за высоких диэлектрических потерь (высокая проводимость), и при температурах выше 60-70 ºС.
Поливинилацетат – полимеры жидкого винилацетата, получаемого в результате химического взаимодействия ацетилена (C 2 H 2) и уксусной кислоты:
или CH 2 =CHOCOCH 3 . Из него получаютвинилацетат - бесцветную легкоподвижную жидкость с эфирным запахом, разлагающуюся при 400°С.
Материал поливинилацетат – бесцветный, без запаха, занимает среднее место между смолами и каучуками. Свойства его зависят от степени полимеризации. М.М. от 10000 до 100000. Температура размягчения равна 40 – 50 °С.
Высокополимерные продукты при 50 – 100 °С становятся каучукоподобными, а при отрицательных температурах – твердыми, достаточно эластичными.
Все полимеры обладают светостойкостью, даже при 100 °С. При нагревании поливинилацетат не деполимеризуется до мономера, а разлагается с отщеплением уксусной кислоты. Не воспламеняется. Это полярный полимер. Растворим в эфирах, кетонах (ацетон), метиловом (CH 3 OH) и этиловом (C 2 H 5 OH) спиртах, не растворим в бензине. В воде слегка набухает, но не растворяется.
Применяется главным образом, для производства безосколочного стекла " триплекс ". Применяется в электроизоляционной технике. Лаки на его основе ценятся за хорошие электроизоляционные свойства, эластичность, светостойкость, бесцветность.
Полиметилметакрилат (органическое стекло, плексиглас) – большая группа высокополимерных эфиров метакриловой кислоты, имеющих большое техническое применение
В электропромышленности применяется как вспомогательный материал.
Получается при полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилат) в присутствии инициатора.
При 573 К полиметилметакрилат деполимеризуется с образованием исходного мономера метилметакрилата.
По составу от поливинилацетата отличается наличием метильной группы в боковой цепи вместо водорода и наличием валентной связи углерода главной цепи с эфирной группой не через кислород, а через углерод.
Имеет низкую теплостойкость (примерно 56 °C); ε = 3,3 - 4,5; ρ = 2,3·10 13 - 2·10 12 Ом. м. Не пригоден для электрической изоляции.
Применяется как конструкционный, оптический и декоративный материал, окрашиваемый анилиновыми красителями в различные цвета. Из него изготовляют корпуса и шкалы приборов, прозрачные защитные стекла и колпаки, прозрачные детали аппаратуры и др. Органическое стекло легко обрабатывается: сверлится, пилится, обтачивается, шлифуется, полируется. Хорошо гнется, штампуется и склеивается растворами полиметилметакрилата в дихлорэтане.
Поливиниловый спирт – твердый полимер состава (-CH 2 -CHOH-) n . Получается при гидролизе поливинилацетата кислотой или щелочью. Формула поливинилового спирта
Линейный полимер несимметричной структуры. Наличие группы ОН в каждом звене цепи определяет высокую гигроскопичность и полярность спирта. Растворяется только в воде. Имеетρ = 10 7 Ом·см. Используется как вспомогательный материал при изготовлении печатных радиосхем.
Устойчив против плесени и бактерий. Хороший материал для изготовления масло- и бензоустойчивых мембран, шлангов, панелей. Прогрев при 170°С в течение 3 – 5 часов повышает водостойкость и уменьшает растворимость поливинилового спирта.
Олигоэфиракрилаты
Олигомеры – химические соединения со средним молекулярным весом (менее 1000), большим по сравнению с мономерами и меньшим по сравнению с полимерами. Основное их свойство – способность к полимеризации за счет ненасыщенных связей, обуславливающих пространственную или линейную структуру готового продукта. При полимеризации не выделяются низкомолекулярные продукты, поэтому изоляция, полученная методом заливки олигомерами, отличается монолитностью, без пустот и пор. Они не требуют для полимеризации особых условий (высокого давления, температуры, среды и т.д.).
Промышленностью выпускаются полиэфирные, полиуретановые, кремнийорганические олигомерные соединения и их модификации.
Полимерные материалы (пластмассы, пластики) представляют собой, как правило, затвердевшие композиционные составы, связующим в которых служат полимеры, олигомеры. Широко распространенное название «пластмассы» (что не совсем корректно) они получили за то, что при переработке в изделия находятся в пластическом (текучем) состоянии. Поэтому научно обоснованные названия - «полимерные материалы», «композиционные материалы на основе полимеров».
Полимеры (от греч. poly - много, meres - части) - это высокомолекулярные химические соединения, молекулы которых состоят из огромного числа многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Такие молекулы называют макромолекулами. В зависимости от расположения в них атомов и атомных групп (элементарных звеньев) они могут иметь линейное (цеповидное), разветвленное, сетчатое и пространственное (трехмерное) строение, что и определяет их физико-механические и химические свойства. Образование этих молекул возможно благодаря тому, что атомы углерода легко и прочно соединяются друг с другом и со многими другими атомами.
Различают также формополимеры (предполимеры, преполимеры), которые представляют собой соединения, содержащие функциональные группы и способные участвовать в реакциях роста или сшивания полимерной цепи с образованием высокомолекулярных линейных и сетчатых полимеров. Прежде всего, это тоже жидкие продукты полиолов с избытком полиизоционатов или других соединений при производстве изделий из полиуретанов.
По происхождению полимеры могут быть природными, искусственными и синтетическими.
Природные полимеры - это в основном биополимеры - белковые вещества, крахмал, природные смолы (сосновая канифоль), целлюлоза, натуральный каучук, битум и др. Многие из них образуются в процессе биосинтеза в клетках живых и растительных организмов. Однако в промышленности в большинстве случаев используются искусственные и синтетические полимеры.
Основным сырьем для производства полимеров являются побочные продукты угольной и нефтяной промышленности, производства удобрений, природный газ, целлюлоза и другие вещества. Процесс образования таких макромолекул и в целом полимера вызывается воздействием на исходное вещество (мономер) потока световых лучей, электрических разрядов токов высокой частоты, нагреванием, давлением и т. п.
В зависимости от способа получения полимеров их можно подразделить на полимеризационные, поликонденсационные и модифицированные природные полимеры. Процесс получения полимеров путем последовательного присоединения звеньев мономера друг к другу в результате раскрытия кратных (ненасыщенных) связей называют реакцией полимеризации. В процессе этой реакции вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твердое. При этом реакция не сопровождается отделением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов. Как мономер, так и полимер характеризуются одинаковым элементным составом. Реакцией полимеризации получают полиэтилен из этилена, полипропилен из пропилена, полиизобутилен из изобутилена и многие другие полимеры.
При реакции поликонденсации происходит перегруппировка атомов двух или нескольких мономеров и выделение из сферы реакции побочных низкомолекулярных продуктов (например, воды, спиртов или других низкомолекулярных веществ). Реакцией поликонденсации получают полиамиды, полиэфиры, эпоксидные, фенолоформальдегидные, кремнийорганические и другие синтетические полимеры, называемые еще смолами.
В зависимости от отношения к нагреванию и растворителям полимеры, как и материалы на их основе, делят на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимеры (термопласты) при переработке в изделия могут многократно переходить из твердого агрегатного состояния в вязко-текучее (плавиться), а при охлаждении вновь отвердевать. Они имеют, как правило, не высокую температуру перехода в вязко-текучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Формообразование изделий из них является процессом физическим, который состоит в затвердевании жидкого или размягченного материала при его охлаждении и химических изменений не происходит. Большинство из термопластов способны также растворяться в соответствующих растворителях. Термопластичные полимеры имеют линейное или слегка разветвленное строение макромолекул. К ним относят отдельные разновидности полиэтилена, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны, битумы и др.
К термореактивным (реактопластам) относят полимеры, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого или трехмерного полимера (отверждением, сшивкой цепей) и переход из жидкого состояния в твердое, происходит необратимо. Отвержденное состояние их является термостабильным, и они теряют способность к повторному переходу в вязко-текучее состояние (например, фенолоальдегидные, полиэфирные, эпоксидные полимеры и др.).
Классификация и свойства полимерных материалов
Полимерные материалы в зависимости от состава или количества компонентов подразделяются на ненаполненные, представленные только одним связующим (полимером) - органическое стекло, в большинстве случаев полиэтиленовая пленка; наполненные, в состав которых для получения требуемого комплекса свойств могут входить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, пигменты - стеклопластики, текстолит, линолеум и газонаполненные (пено- и поропласты) - пенополистирол, пенополиуретан и др.
В зависимости от физического состояния при нормальной температуре и вязкоупругих свойств полимерные материалы бывают жесткие, полужесткие, мягкие и эластичные.
Жесткие - это твердые, упругие материалы аморфной структуры, имеющие модуль упругости более 1000 МПа. Они хрупко разрушаются с незначительным удлинением при разрыве. К ним относят фенопласты, аминопласты, пластмассы на основе глифталевых и других полимеров.
Плотность полимерных материалов чаще всего находится в пределах 900.1800 кг/м3, т.е. они в 2 раза легче алюминия и в 5.6 раз легче стали. Вместе с тем плотность пористых полимерных материалов (пенопластов) может составлять 30..15 кг/м3, а плотных - превышать 2 000 кг/м3.
Прочность при сжатии полимерных материалов в большинстве случаев превосходит многие традиционные строительные материалы (бетон, кирпич, древесину) и составляет для ненаполненных полимеров около 70 МПа, армированных пластиков - более 200 МПа, при растяжении - для материалов с порошкообразным наполнителем 100.150 МПа, у стекловолокнистых - 276.414 МПа и более.
Теплопроводность таких материалов зависит от их пористости и технологии производства. У пено- и поропластов она составляет 0,03.0,04 Вт/м-К, у остальных - 0,2.0,7 Вт/мК или в 500.600 раз ниже, чем у металлов.
Недостатком многих полимерных материалов является низкая теплостойкость. Например, у большинства из них (на основе полистирола, поливинилхлорида, полиэтилена и других полимеров) теплостойкость составляет 60.80 °С. На основе фенолоформальдегидных смол теплостойкость может достигать 200 °С и лишь на кремнийорганических полимерах - 350 °С.
Являясь углеводородными соединениями, многие полимерные материалы сгораемы или имеют низкую огнестойкость. К легковоспламеняемым и сгораемым с обильным выделением сажи относятся изделия на основе полиэтилена, полистирола, производных целлюлозы. Трудно сгораемыми являются изделия на основе поливинилхлорида, полиэфирные стеклопластики, фенопласты, которые при повышенной температуре лишь обугливаются. Негорючими являются полимерные материалы с большим содержанием хлора, фтора или кремния.
Многие полимерные материалы при переработке, горении и даже нагревании выделяют опасные для здоровья вещества, такие как угарный газ, фенол, формальдегид, фосген, соляную кислоту и др. Значительным недостаткам их является также высокий коэффициент термического расширения - от 2 до 10 раз выше, чем у стали.
Полимерным материалам свойственна усадка при затвердевании, достигающая 5.8 %. У большей части из них низкий модуль упругости, значительно ниже, чем у металлов. При длительных нагрузках они обладают большой ползучестью. С повышением температуры ползучесть еще больше возрастает, что приводит к нежелательным деформациям.
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).
Волокна получают путем продавливания растворов или расплавов полимеров через тонкие отверстия (фильеры) в пластине с последующим затвердеванием. К волокнообразующим полимерам относятся полиамиды, полиакрилонитрилы и др.
Полимерные пленки получают из расплавов полимеров методом продавливания через фильеры с щелевидными отверстиями, либо методом нанесения растворов полимеров на движущуюся ленту, либо методом каландрования полимеров. Пленки используют в качестве электроизоляционного и упаковочного материала, основы магнитных лент и т.д.
Каландрование –обработка полимеров на каландрах, состоящих из двух или более валков, расположенных параллельно и вращающихся навстречу друг другу.
Лаки – растворы пленкообразующих веществ в органических растворителях. Кроме полимеров, лаки содержат вещества, повышающие пластичность (пластификаторы), растворимые красители, отвердители и др. Применяются для электроизоляционных покрытий, а также в качестве основы грунтовочного материала и лакокрасочных эмалей.
Клеи – композиции, способные соединять различные материалы вследствие образования прочных связей между их поверхностями и клеевой прослойкой. Синтетические органические клеи составляются на основе мономеров, олигомеров, полимеров или их смесей. В состав композиции входят отвердители, наполнители, пластификаторы и др. Клеи подразделяются на термопластические, термореактивные и резиновые. Термопластические клеи образуют связь с поверхностью в результате затвердевания при охлаждении от температуры текучести до комнатной температуры или испарения растворителя. Термореактивные клеи образуют связь с поверхностью в результате отвердевания (образования поперечных сшивок), резиновые клеи – в результате вулканизации.
Пластмассы – это материалы, содержащие полимер, который при формировании изделия находится в вязкотекучем состоянии, а при его эксплуатации – в стеклообразном. Все пластмассы подразделяются на реактопласты и термопласты. При формовании реактопластов происходит необратимая реакция отвердевания, заключающаяся в образовании сетчатой структуры. К реактопластам относятся материалы на основе фенолоформальдегидных, мочевиноформальдегидных, эпоксидных и других смол. Термопласты способны многократно переходить в вязкотекучее состояние при нагревании и стеклообразное – при охлаждении. К термопластам относятся материалы на основе полиэтилена, политетрафторэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, полистирола, полиамидов и других полимеров.
Эластомеры – это полимеры и композиты на их основе, для которых температурный интервал температуры стеклования – температуры текучести достаточно высок и захватывает обычные температуры.
Кроме полимеров в состав пластмасс и эластомеров входят пластификаторы, красители и наполнители. Пластификаторы – например, диоктилфталат, дибутилсебацинат, хлорированный парафин – снижают температуру стеклования и повышают текучесть полимера. Антиоксиданты замедляют деструкцию полимеров. Наполнители улучшают физико-механические свойства полимеров. В качестве наполнителей применяют порошки (графит, сажа, мел, металл и т.д.), бумагу, ткань.
Армирующие волокна и кристаллы могут быть металлическими, полимерными, неорганическими (например, стеклянными, карбидными, нитридными, борными). Армирующие наполнители в значительной степени определяют механические, теплофизические и электрические свойства полимеров. Многие композиционные полимерные материалы по прочности не уступают металлам. Композиты на основе полимеров, армированных стекловолокном (стеклопластики), обладают высокой механической прочностью (прочностью при разрыве 1300–2500 МПа) и хорошими электроизоляционными свойствами. Композиты на основе полимеров, армированных углеродными волокнами (углепластики), сочетают высокую прочность и вибропрочность с повышенной теплопроводностью и химической стойкостью. Боропластики (наполнители – борные волокна) имеют высокую прочность, твердость и низкую ползучесть.
Композиты на основе полимеров используются как конструкционные, электро- и теплоизоляционные, коррозионностойкие, антифрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, электротехнической, авиационной, радиотехнической, горнорудной промышленности, космической технике, химическом машиностроении и строительстве.
Редокситы. Широкое применение получили полимеры с окислительно-восстановительными свойствами – редокситы (с редоксгруппами, или редоксиониты).
Применение полимеров. В настоящее время широко применяется большое число различных полимеров, обладающих различными физическими и химическими свойствами.
Рассмотрим некоторые полимеры и композитов на их основе.
Полиэтилен [-CH2-CH2-] n – термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации при температуре до 320 0C и давлении 120-320 МПа (полиэтилен высокого давления) или при давлении до 5 МПа с использованием комплексных катализаторов (полиэтилен низкого давления). Полиэтилен низкого давлений имеет более высокие прочность, плотность, эластичность и температуру размягчения, чем полиэтилен высокого давления. Полиэтилен химически стоек во многих средах, но под действием окислителей стареет. Полиэтилен – хороший диэлектрик, может эксплуатироваться в пределах температур от –20 до +100 0 C. Облучение может повысить теплостойкость полимера. Из полиэтилена изготавливают трубы, электротехнические изделия, детали радиоаппаратуры, изоляционные пленки и оболочки кабелей (высокочастотных, телефонных, силовых), пленки, упаковочный материал, заменители стеклотары.
Полипропилен [-CH(CH 3)-CH 2 -] n – кристаллический термопласт, получаемый методом стереоспецифической полимеризации. Обладает более высокой термостойкостью (до 120–140 0 C), нежели полиэтилен. Имеет высокую механическую прочность (см. табл. 14.2), стойкость к многократным изгибам и истиранию, эластичен. Применяется для изготовления труб, пленок, аккумуляторных баков и др.
Полистирол – термопласт, получаемый радикальной полимеризацией стирола. Полимер стоек к действию окислителей, но неустойчив к воздействию сильных кислот, он растворяется в ароматических растворителях, обладает высокой механической прочностью и диэлектрическими свойствами и используется как высококачественный электроизоляционный, а также конструкционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротехнике, радиотехнике, бытовой технике. Гибкий эластичный полистирол, получаемый вытяжкой в горячем состоянии, применяется для оболочек кабелей и проводов. На основе полистирола также выпускают пенопласты.
Поливинилхлорид [-CH 2 -CHCl-] n – термопласт, изготовляемый полимеризацией винилхлорида, стоек к воздействию кислот, щелочей и окислителей; растворим в циклогексаноне, тетрагидрофуране, ограничено – в бензоле и ацетоне; трудногорюч, механически прочен; диэлектрические свойства хуже, чем у полиэтилена. Применяется как изоляционный материал, который можно соединять сваркой. Из него изготовляют грампластинки, плащи, трубы и др. предметы.
Политетрафторэтилен (фторопласт) [-CF 2 -CF 2 -] n – термопласт, получаемый методом радикальной полимеризации тетрафторэтилена. Обладает исключительной химической стойкостью к кислотам, щелочам и окислителям; прекрасный диэлектрик; имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от –270 до +260 0 C). При 400 0 C разлагается с выделением фтора, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный материал в химической промышленности. Как лучший диэлектрик применяется в условиях, когда требуется сочетание электроизоляционных свойств с химической стойкостью. Кроме того, его используют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных покрытий, покрытий сковородок.
Полиметилметакрилат (плексиглас)
– термопласт, получаемый методом полимеризации метилметакрилата. Механически прочен; стоек к действию кислот; атмосферостоек; растворяется в дихлорэтане, ароматических углеводородах, кетонах, сложных эфирах; бесцветен и оптически прозрачен. Применяется в электротехнике как конструкционный материал, а также как основа для клеев.
Полиамиды – термопласты, содержащие в основной цепи амидогруппу -NHCO-, например, поли-ε-капрон [-NH-(CH 2) 5 -CO-] n , полигексаметиленадипинамид (нейлон) [-NH-(CH 2) 5 -NH-CO-(CH 2) 4 -CO-] n ; полидодеканамид [-NH-(CH 2) 11 -CO-] n и др. Их получают как поликонденсацией, так и полимеризацией. Плотность полимеров 1,0÷1,3 г/см 3 . Характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, диэлектрическими свойствами; устойчивы в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяются для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электроизоляционных изделий.
Полиуретаны – термопласты, содержащие в основной цепи группы -NH(CO)O-, а также эфирные, карбаматные и др. Получают взаимодействием изоциантов (соединений, содержащих одну или несколько NCO-групп) с полиспиртами, например, с гликолями и глицерином. Устойчивы к действию разбавленных минеральных кислот и щелочей, масел и алифатических углеводородов. Выпускаются в виде пенополиуретанов (поролонов), эластомеров, входят в составы лаков, клеев, герметиков. Используются для тепло- и электроизоляции, в качестве фильтров и упаковочного материала, для изготовления обуви, искусственной кожи, резинотехнических изделий.
Полиэфиры – полимеры с общей формулой НО[-R-О-] n Н или [-OC-R-COO-R"-O-] n . Получают либо полимеризацией циклических оксидов, например этиленоксида, лактонов (сложных эфиров оксикислот), либо поликонденсацией гликолей, диэфиров и других соединений. Алифатические полиэфиры устойчивы к действию растворов щелочей, ароматические – также к действию растворов минеральных кислот и солей. Применяются в производстве волокон, лаков и эмалей, пленок, коагулянтов и фотореагентов, компонентов гидравлических жидкостей и др.
Синтетические каучуки (эластомеры) получают эмульсионной или стереоспецифической полимеризацией. При вулканизации превращаются в резину, для которой характерна высокая эластичность. Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков (CK), свойства которых зависят от типа мономеров. Многие каучуки получают совместной полимеризацией двух и более мономеров. Различают CK общего и специального назначения. К CK общего назначения относят бутадиеновый [-CH 2 -CH=CH-CH 2 -] n и бутадиенстирольный [-СН 2 -СН=СН-СН 2 -] n - - [-CH 2 -CH(C 6 H 5)-] n . Резины на их основе используются в изделиях массового назначения (шины, защитные оболочки кабелей и проводов, ленты и т.д.). Из этих каучуков также получают эбонит, широко используемый в электротехнике. Резины, получаемые из CK специального назначения, кроме эластичности, характеризуются некоторыми специальными свойствами, например бензо- и маслостойкостью (бутадиен-нитрильный CK [-CH 2 -CH=CH-CH 2 -] n – [-CH 2 -CH(CN)-] n), бензо-, масло- и теплостойкостью, негорючестью (хлоропреновый CK [-CH 2 -C(Cl)=CH-CH 2 -] n), износостойкостью (полиуретановый и др.), тепло-, свето-, озоностойкостью (бутилкаучук) [-С(СН 3) 2 -СН 2 -] n -[-СН 2 С(СН 3)=СН-CН 2 -] m . К наиболее применяемым относятся бутадиенстирольный (более 40 %), бутадиеновый (13 %), изопреновый (7 %), хлоропреновый (5 %) каучуки и бутилкаучук (5 %). Основная доля каучуков. (60 - 70 %) идет на производство шин, около 4 % – на изготовление обуви
Кремнийорганические полимеры (силиконы) – содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул. Большой вклад в разработку кремнийорганических полимеров внес российский ученый К. А. Андрианов. Характерной особенностью этих полимеров является высокая тепло- и морозостойкость, эластичность; они не стойки к воздействию щелочей и растворяются во многих ароматических и алифатических растворителях. Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Кремнийорганические каучуки [-Si(R 2)-O-] n , например диметилсилоксановый и метилвинилсилоксановый имеют плотность 0,96 – 0,98 г/см 3 , температуру стеклования 130 0 C. Растворимы в углеводородах, галогеноуглеводородах, эфирах. Вулканизируются с помощью органических пероксидов. Резины могут эксплуатироваться при температуре от -90 до +300 0 C, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами. Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например для защитных покрытий космических аппаратов и т.д.
Феноло- и аминоформальдегидные смолы получают поликонденсацией формальдегида с фенолом или аминами. Это термореактивные полимеры, у которых в результате образования поперечных связей образуется сетчатая пространственная структура, которую невозможно превратить в линейную структуру, т.е. процесс идет необратимо. Их используют как основу для клеев, лаков, ионитов, пластмасс.
Пластмассы на основе фенолоформальдегидных смол получили название фенопластов , на основе мочевиноформальдегидных смол – аминопластов . Наполнителями фенопластов и аминопластов служит бумага или картон (гетинакс), ткань (текстолит), древесина, кварцевая и слюдяная мука и др. Фенопласты стойки к действию воды, растворов кислот, солей и оснований, органических растворителей, трудногорючи, атмосферостойки и являются хорошими диэлектриками. Используются в производстве печатных плат, корпусов электро- и радиотехнических изделий, фольгированных диэлектриков.
Аминопласты характеризуются высокими диэлектрическими и физико-механическими свойствами, устойчивы к действию света и УФ-лучей, трудногорючи, стойки к действию слабых кислот и оснований и многих растворителей. Они могут быть окрашены в любые цвета. Применяются для изготовления электротехнических изделий (корпусов приборов и аппаратов, выключателей, плафонов, тепло- и звукоизоляционных материалов и др.).
В настоящее время около 1/3 всех пластмасс применяется в электротехнике, электронике и машиностроении, 1/4 – в строительстве и примерно 1/5 – для упаковки. Растущий интерес к полимерам можно показать на примере автомобилестроения. Многие специалисты оценивают уровень совершенства автомобиля по доле использования в нем полимеров. Например, масса полимерных материалов возросла от 32 кг у ВАЗ-2101 до 76 кг у ВАЗ-2108. За рубежом средняя масса пластмасс составляет 75÷120 кг на автомашину.
Таким образом, полимеры находят чрезвычайно широкое применение в виде пластмасс и композитов, волокон, клеев и лаков, причем масштабы и области их использования постоянно возрастают.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое полимеры? Их виды.
2. Что такое мономер, олигомер?
3. В чем заключается метод получения полимеров полимеризацией? Привести примеры.
4. В чем заключается метод получения полимеров поликонденсацией? Привести примеры.
5. В чем заключается радикальная полимеризация?
6. В чем заключается ионная полимеризация?
7. В чем заключается полимеризация в массе (блоке)?
8. В чем заключается эмульсионная полимеризация?
9. В чем заключается суспензионная полимеризация?
10. В чем заключается газовая полимеризация?
11. В чем заключается поликонденсация в расплаве?
12. В чем заключается поликонденсация в растворе?
13. В чем заключается поликонденсация на межфазной границе?
14. Какова форма и структура макромолекул полимеров?
15. Чем характеризуется кристаллическое состояние полимеров?
16. Каковы особенности физического состояния аморфных полимеров?
17. Каковы химические свойства полимеров?
18. Каковы физические свойства полимеров?
19. Какие материалы получают на основе полимеров?
20. Каково применение полимеров в различных отраслях промышленности?
Вопросы для самостоятельной работы:
1. Полимеры и их применение.
2. Пожарная опасность полимеров.
Литература:
1. Семенова Е. В., Кострова В. Н., Федюкина У. В. Химия. – Воронеж: Научная книга – 2006, 284 с.
2. Артименко А.И. Органическая химия. - М.: Высш. шк. – 2002, 560 с.
3. Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высш. шк. – 1990, 560 с.
4. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Высш. шк. – 1983, 650 с.
5. Глинка Н.Л. Сборник задач и упражнений по общей химии. – М.: Высш. шк. – 1983, 230 с.
6. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая шк. – 2003, 743 с.
Лекция 17 (2 ч)
Тема 11. Химическая идентификация и анализ вещества
Цель лекции: ознакомится с качественным и количественным анализом веществ и дать общую характеристику, применяемых при этом методов
Изучаемые вопросы:
11.1. Качественный анализ вещества.
11.2. Количественный анализ вещества. Химические методы анализа.
11.3. Инструментальные методы анализа.
11.1. Качественный анализ вещества
В практической деятельности часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) того или иного вещества, а также количественной оценки (измерения) его содержания. Наука, которая занимается качественным и количественным анализом называется аналитической химией . Анализ проводят поэтапно: сначала проводят химическую идентификацию вещества (качественный анализ), а затем определяют, сколько вещества находится в образце (количественный анализ).
Химическая идентификация (обнаружение) – это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и соответствующих справочных данных для известных веществ. Идентификация является целью качественного анализа.При идентификации обычно определяется комплекс свойств веществ: цвет, фазовое состояние, плотность, вязкость, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал, энергия ионизации и (или) т.д. Для облегчения идентификации созданы банки химических и физико-химических данных. При анализе многокомпонентных веществ часто используются универсальные приборы (спектрометры, спектрофотометры, хроматографы, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химико-аналитическая информация. На базе этих универсальных установок создается автоматизированная система анализа и обработки информации.
В зависимости от вида идентифицируемых частиц различают элементный, молекулярный, изотопный и фазовый анализы. Поэтому наибольшее значение имеют методы определения, классифицируемые по характеру определяемого свойства, или по способу регистрации аналитического сигнала:
1) химические методы анализа ,которые основаны на применении химических реакций. Они сопровождаются внешними эффектами (образование осадка, выделение газа, появление, исчезновение или изменение окраски);
2) физические методы , которые основаны на определенной взаимосвязи между физическими свойствами вещества и его химическим составом;
3) физико-химические методы , которые основаны на физических явлениях, сопровождающих химические реакции. Они наиболее распространены вследствие высокой точности, селективности (избирательности) и чувствительности. В первую очередь будут рассмотрены элементный и молекулярный анализы.
В зависимости от массы сухого вещества или объема раствора анализируемого вещества различают макрометод (0,5 – 10 г или 10 – 100 мл), полумикрометод (10 – 50 мг или 1 – 5 мл), микрометод (1-5 Гмг или 0,1 – 0,5 мл) и ультрамикрометод (ниже 1 мг или 0,1 мл) идентификаций.
Качественный анализ характеризуется пределом обнаружения (обнаруженным минимумом) сухого вещества, т. е. минимальным количеством надежно идентифицируемого вещества и предельной концентрацией раствора. В качественном анализе применяются только такие реакции, пределы обнаружения которых не менее 50 мкг.
Имеются некоторые реакции, которые позволяют обнаружить то или иное вещество или ион в присутствии других веществ или других ионов. Такие реакции называются специфическими . Примером таких реакций могут быть обнаружение ионов NH 4 + действием щелочи или нагреванием
NH 4 Cl + NaOH = NH 3 + H 2 O + NaCl
или реакция иода с крахмалом (темно-синее окрашивание) и т.д.
Однако в большинстве случаев реакции обнаружения вещества не являются специфическими, поэтому мешающие идентификации вещества переводят в осадок, слабодиссоциирующее или комплексное соединение. Анализ неизвестного вещества проводят в определенной последовательности, при которой то или иное вещество идентифицируют после обнаружения и удаления, мешающих анализу других веществ, т.е. применяют не только реакции обнаружения веществ, но и реакции отделения их друг от друга.
Следовательно, качественный анализ вещества зависит от содержания примесей в нем, т. е. его чистоты. Если примеси содержатся в очень малых количествах, то их называют «следами». Термины отвечают молярным долям в %: «следы» 10 -3 ÷ 10 -1 , «микроследы» – 10 -6 ÷ 10 -3 , «ультрамикроследы» - 10 -9 ÷ 10 -6 , субмикроследы – менее 10 -9 . Вещество называется высокочистым при содержании примесей не более 10 -4 ÷ 10 -3 % (мол. доли) и особо чистым (ультрачистым) при содержании примесей ниже 10 -7 % (мол. доли). Имеется и другое определение особо чистых вещества, согласно которому они содержат примеси в таких количествах, которые не влияют на основные специфические свойства веществ. Однако значение имеет не любая примесь, а примеси, оказывающие влияние на свойства чистого вещества. Такие примеси называются лимитирующими или контролирующими.
При идентификации неорганических веществ проводят качественный анализ катионов и анионов. Методы качественного анализа базируются на ионных реакциях, которые позволяют идентифицировать элементы в форме тех или иных ионов. Как и при любом виде качественного анализа, в ходе реакций образуются труднорастворимые соединения, окрашенные комплексные соединения, происходит окисление или восстановление с изменением цвета раствора. Для идентификации с помощью образования труднорастворимых соединений используют как групповые, так и индивидуальные осадители.
При идентификации катионов неорганических веществ групповыми осадителями для ионов Ag + , Pb 2+ , Hg 2+ служит NaCl; для ионов Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ - (NH 4) 2 CO 3 , для ионов Al 3+ , Cr 3+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ и др. - (NH 4) 2 S.
Если присутствует несколько катионов, то проводят дробный анализ , при котором осаждаются все труднорастворимые соединения, а затем обнаруживаются оставшиеся катионы тем или иным методом, либо проводят ступенчатое добавление реагента, при котором сначала осаждаются соединения с наименьшим значением ПР, а затем соединения с более высоким значением ПР. Любой катион можно идентифицировать с помощью определенной реакции, если удалить другие катионы, мешающие этой идентификации. Имеется много органических и неорганических реагентов, образующих осадки или окрашенные комплексные соединения с катионами (табл. 9).
