Водорастворимые полимеры

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

«САМАРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химико-технологический  факультет

Кафедра «ТО и НХС» 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа по дисциплине «Высокомолекулярные соединения»

Водорастворимые полимеры 
 
 
 
 
 
 
 

                                                   Выполнила студентка

                                                   4 курса, 2 группы 

                                                   Игонина И. Г. , 

                                                  Научный руководитель 

                                                                               к.т.н., доцент Карасева С.Я.                                                            

                                                  ________________________

                                                  (подпись) 

                                                  Работа защищена 

                                                  «___»   _____________2010г. 

                                                  Оценка__________________ 
 
 
 
 
 
 

САМАРА 2010

 

Содержание 

       Введение

1. Классы водорастворимых полимеров                                                                      
2. Водорастворимые эфиры целлюлозы

      2.1. Некоторые свойства о структуре и свойствах целлюлозы

      2.2. Выделение целлюлозы

      2.3. Структура и свойства целлюлозы

      2.4. Применение целлюлозы

3. Поливиниловый спирт (ВПС) и его сополимеры

      3.1. Химическая структура

      3.2. Физические свойства

      3.4. Химические свойства

      3.5. Применение

4. Полиакриламид

      4.1. Получение и химические свойства

      4.2. Синтез

      4.3. Гомогенная полимеризация

      4.4. Промышленное производство

      4.5. Применение

5. Полиоксиэтилен

      5.1. Внешний вид

      5.2. Назначение

      5.3. Получение

      5.4. Применение

6.      Поли-N-винилпирролидон 

      6.1. Свойства

  6.2. Получение

        6.3. Применение

      Заключение

      Список  литературы

Введение

      Полимерные  вещества внедрились во все сферы человеческой деятельности - технику, здравоохранение, быт. Ежедневно мы сталкиваемся с различными пластмассами, резинами, синтетическими волокнами. Полимерные материалы обладают многими полезными свойствами: они высокоустойчивы в агрессивных средах, хорошие диэлектрики и теплоизоляторы. Некоторые полимеры обладают высокой стойкостью к низким температурам, другие - водоотталкивающими свойствами  и так далее. Недостатками многих высокомолекулярных соединений является склонность к старению и, в частности, к деструкции - процессу уменьшению длины цепи и размеров молекул. Деструкция может быть вызвана механическими нагрузками, действий света, теплоты, воды и особенно кислорода и озона. Процесс уменьшения цепи идёт за счёт разрушения связей С  - С и образования радикалов, которые в свою очередь, способствуют дальнейшему разрушению полимерных молекул.

Полимерные  молекулы представляют собой обширный класс соединений, основными отличительными характеристиками которых являются большая молекулярная масса и  высокая конформационная гибкость цепи. Можно с уверенностью сказать, что и все характеристические свойства таких молекул, а также связанные с этими свойствами возможности их применения обусловлены вышеуказанными особенностями. Большой интерес, таким образом, представляет исследование возможности априорного предсказания химического и физического поведения полимера на основании анализа его строения. Такую возможность предоставляют методы молекулярной механики и молекулярной динамики, реализованные в виде компьютерных расчетных программ.

      Полимеры (от греч. polymeres — состоящий из многих частей, многообразный), химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или) координационных валентностей.

По происхождению  П. делятся на :

       - природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные;

  - синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.

 Атомы  или атомные группы могут располагаться  в макромолекуле в виде:

      -  открытой цепи или вытянутой  в линию последовательности циклов (линейные П., например каучук натуральный);

      -  цепи с разветвлением (разветвленные  П., например амилопектин); трёхмерной  сетки (сшитые П., например отверждённые  эпоксидные смолы).

      П., молекулы, которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами, например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза.

      Макромолекулы одного и того же химического состава  могут быть построены из звеньев  различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят из одинаковых стереоизомеров или из различных  стереоизомеров, чередующихся в цепи в определённой периодичности, П. называются стереорегулярными (поливинилхлорид)П., макромолекулы, которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним (неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры называются привитыми.

      П., в которых каждый или некоторые  стереоизомеры звена образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.

В зависимости  от состава основной (главной) цепи П. делят на:

       - гетероцепные, в основной цепи, которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота, кремния, фосфора;

       -  гомоцепные, основные цепи, которых построены из одинаковых атомов.

  Из гомоцепных П. наиболее распространены карбоцепные П., главные цепи, которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен. Примеры гетероцепных П. — полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты и др.), полиамиды, мочевиноформальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. П., макромолекулы, которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются элементоорганическими. Отдельную группу П. образуют неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.

      Среди огромного количества известных  природных и синтетических полимерных веществ   лишь немногие обладают способностью растворяться в воде. Для водорастворимых полимеров характерно наличие в цепи макромолекул гидрофильных функциональных групп (гидроксильных, карбоксильных, амидных, сульфо- и др.).

 

1. Классы водорастворимых  полимеров 

      Рассмотрим  примеры некоторых водорастворимых  полимеров, их свойства и применение. Во-первых, это не ионные водорастворимые полимеры с атомами кислорода или азота в основной цепи. Среди полиалкеноксидов только полиэтиленоксид растворим в воде. Полиметиленоксид не растворим в воде, несмотря на то, что он содержит в молекуле более высокую долю кислорода, чем полиэтилен-оксид. Этот полимер может быть синтезирован с различной молекулярной массой, вплоть до нескольких миллионов. Такие полимеры широко используются в косметических и фармацевтических композициях, в производстве керамики в качестве связующего агента и т.д. В случае полипропиленоксида в воде растворимы только олигомеры, а полимеры с более длинными цепями используются в качестве гидрофобных составных частей для получения поверхностно-активных веществ. Если заменить атомы кислорода в ПЭО на атомы азота, получим полиэтиленимин. Промышленные образцы этого полимера представлены разветвленными цепями, соотношение между вторичными, третичными и четвертичными атомами азота обычно составляет 1: 2:1.

В результате адсорбции полимеров на частицах система ведет себя в растворе подобно полимеру с бесконечно большой молекулярной массой.

      Во  вторую группу водорастворимых полимеров  входят полимеры, содержащие группы акриловой  кислоты. Прежде всего это полиакриловая  и полиметакриловая кислоты. Может показаться удивительным, что растворимость в воде ПМАК выше, чем у ПАК. Это связано с тем, что полиметакриловая кислота образует спирали таким образом, что гидрофобные группы оказываются внутри них. Полиакриловая кислота и полиэтиленоксид в водном растворе образуют комплексы, в которых атомы водороды ПАК присоединяются к кислороду ПЭО. Еще одним примером водорастворимого полимера с акриловой группой является полиакриламид. Это очень гидрофильный полимер, не чувствительный к добавкам солей; он часто используется в качестве флокулянта( Флокулянты - органические соединения, которые увеличивают размер хлопьев, образовавшихся в ходе коагуляции, и агломерация взвешенных частиц для их механического удаления), поскольку обладает высоким сродством к поверхностям из-за катионной природы при низких рН.

      Третья  группа водорастворимых не ионных полимеров  содержит в своем составе виниловые  группы. В результате гидролиза поливинилацетата получается водорастворимый поливиниловый  спирт, если степень гидролиза выше 86%. При степени гидролиза выше 90% для полного растворения продукта требуется нагревание. Будучи растворенным в горячей воде, ПВС остается в растворе и при охлаждении. Эта кажущаяся необратимость объясняется образованием внутримолекулярных водородных связей в твердом полимере. Хорошо растворяется в воде и поливинилпирролидон. Этот полимер имеет слабоосновный характер и легко ассоциируется в водном растворе с анионными поверхностно-активными веществами, например с додецилсульфатом натрия. Водные растворы ПВП используются в фармакологии, косметике и медицине, поскольку он малотоксичен и хорошо растворим в воде. Поливинилпирролидон используется также в композициях моющих средств, в которых он выполняет важную роль, предотвращая повторное осаждение загрязнений на волокнах.

      Четвертую и последнюю группу водорастворимых  полимеров составляют высокомолекулярные соединения природного происхождения. Прежде всего - это производные целлюлозы. Целлюлозу можно сделать водорастворимой  за счет химического модифицирования. Обычно три гидроксильные группы в ангидроглюкозы, из которой состоит полимерная цепь целлюлозы, служат местами модифицирования на начальных стадиях процесса. Глубина реакции с участием этих гидроксильных групп определяется средним числом прореагировавших групп. Карбоксиметил-целлюлозу получают в результате реакции гидроксигрупп целлюлозы с монохлорацетатом. В результате этой реакции получается натриевая соль карбоновой кислоты с СЗ от 0.4 до 1.4 КМЦ производится, как правило, в виде соли; рКа полимера - 4.4 и слабо зависит от СЗ. При нейтральных рН большинство карбоксильных групп находится в диссоциированном состоянии, и КМЦ не проявляет поверхностной активности. Главное применение КМЦ находит в составе моющих средств, в которых она предотвращает повторное осаждение отмытых от тканей загрязнений. КМЦ выполняет также роль диспергатора в водоосновных красках и в составах для покрытия бумаги.

Гидроксиэтилцеллюлозу получают по реакции целлюлозы, предварительно набухшей в щелочи, с этиленоксидом. Образующийся продукт является многофункциональным водорастворимым полимером, который находит широкое применение в качестве загустителя, защитного коллоида, связующего и т.д. Молярное замещение выражается молярным соотношением этиленоксидных групп к гидроксильным группам целлюлозы. Свойства водных растворов гидроксиэтилцеллюлозы зависят как от СЗ, так и МЗ. Для хорошей растворимости в воде нужно проводить процесс так, чтобы степень замещения равнялась - 0.65, а молярное замещение было равным - 1.0.