Полимеризация полимеров

Полиизобутилен - продукт полимеризации изобутилена, полимер без цвета и запаха. Сырьем для получения полимера служит изобутилен, образующийся при переработке нефти. В процессе производства полиизобутилена полимеризация осуществляется при пониженных температурах (-110°С), что достигается отводом теплоты с помощью хладагентов и разбавителей, добавляемых в реакционную смесь.

Полиизобутилен с молекулярной массой менее 50 000 — вязкая Жидкость. В технике этот полимер применяют с большой молекулярной массой — 300 000, предоставляющий собой каучукоподобный эластичный материал (относительное удлинение 1000—2000%).

Полиизобутилен имеет ряд положительных свойств. Он достаточно легок (плотность 0,91 г/см3), водостоек (водопоглощение 0,05%) и стоек к действию агрессивных сред. Предел прочности полиизобутилена при разрыве 6,0—7,0 МПа. Полиизобутилен в виде листов и пленок применяют в качестве хорошего гидроизоляционного материала. В отличие от каучука не способен к вулканизации (химической «сшивке» молекул).

Поливинилацетат - продукт цепной полимеризации винилацетата, сложного эфира уксусной кислоты и винилового спирта.

Поливинилацетатные полимеры применяют в виде водных эмульсий для устройства бесшовных полов и изготовления лакокрасочных материалов. Они эластичны, светостойки и хорошо прилипают к поверхности различных материалов.

Индено-кумароновые полимеры - продукты полимеризации соединений - индено-кумарона и их гомологов, содержащихся в сыром бензоле и фенольной фракции каменноугольной смолы. Их выпускают в виде кусков или чешуек плотностью 1,05—1,2 г/см5. Эти полимеры применяют для производства плиток для пола, изготовления лаков и красок для внутренней отделки.

Полиметилметакрилат (органическое стекло) - продукт полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Он представляет собой совершенно прозрачный полимер в виде листов, блоков и прессовочных порошков.

Сырьем для получения органического стекла служит метилме-такрилат, синтезируемый из ацетона путем его сложной химической переработки. Полимеризация ведется блочным методом при получении полимера с молекулярной массой более 200 000 и эмульсионным — для производства порошкообразного продукта с молекулярной массой от 4000 до 100 000.

Изделия из органического стекла имеют относительно высокую прочность при сжатии (предел прочности до 160 МПа), растяжении и изгибе (до 100 МПа), а также значительную ударную вязкость. Полиметилметакрилат легко поддается механической обработке (резанию, шлифованию и полировке) и почти не снижает своих свойств при пониженных температурах. Он отличается исключительной прозрачностью и способностью пропускать до 74% ультрафиолетовых лучей. Однако следует заметить, что при соприкосновении с огнем полимер горит, не стоек в отношении агрессивных сред, легко растворяется в ряде органических растворителей (ацетон, уксусная кислота и др.). Высокая стоимость этого полимера и недостаточная абразивостойкость ограничивают его применение в строительстве.

Полиметилметакрилат используют для остекления зданий специального назначения, витрин магазинов, веранд, оранжерей, больниц, для изготовления светильников, фонарей производственных цехов и т. п. Его можно получать окрашенным в различные цвета, прозрачным и непрозрачным.

Синтетические каучуки — эластичные продукты цепной полимеризации различных углеводородных мономеров: изопрена, дивинила (бутадиен), хлоропрена и др. Изопрен представляет собой газ, переходящий при температуре -35°С в бесцветную жидкость. Его получают в промышленном масштабе путем взаимодействия изобутилена с формальдегидом. Дивинил - бесцветный газ, подобно изопрену, относится к соединениям с двойными связями и имеет наибольшее применение в производстве синтетических каучуков. В промышленности его получают из этилового спирта, бутана и ацетальдегида. Хлоропрен - бесцветная жидкость, синтезируемая из ацетилена и хлористого водорода.

В зависимости от исходного мономера в процессе полимеризации получают различные виды синтетических каучуков - изопреновые, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, хлоропреновые и др.

В группе изопреновых каучуков следует отметить бутилкаучук. Он представляет собой продукт полимеризации изобутилена с малым количеством (1-5%) изопрена и является важнейшим видом синтетического каучука. Бутилкаучук отличается высокой морозостойкостью, эластичностью, водостойкостью, стойкостью к действию кислорода и сильных кислот. За последнее время особое значение приобрели полиизопреновые каучуки (СКИ). Каучуки этого вида по химическому составу и структуре молекул весьма близки натуральному каучуку, чем и объясняется аналогия свойств этих полимерных материалов. Полиизопреновые каучуки обладают высокими прочностными показателями при растяжении, эластичностью при статических и динамических нагрузках, а также высокой стойкостью при нагревании и окислении.

Из группы бутадиеновых каучуков следует выделить поливиниловый. Он является первым в мире синтетическим каучуком. В настоящее время промышленность выпускает полидивиниловый (СКД), бутадиен-стирольный (СКС), бутадиен-нитрильный и др. По эластичности эти каучуки близки к натуральным каучукам, но превосходят их по теплостойкости и стойкости к истиранию.

Хлоропреновые каучуки получают в процессе эмульсионной полимеризации хлоропрена, обладающего высокой полимеризационной активностью благодаря наличию в нем атома хлора, о нашей стране хлоропреновые каучуки выпускают различных марок под общим названием -наириты. Эти каучуки имеют высокую клейкость, стойкость против воздействия кислорода, света, кислот и Щелочей. Они обладают повышенной газонепроницаемостью, огнестойкостью (обугливаются, но не горят),высокой масло- и бензо-стойкостью, низкой растворимостью и набухаемостью в растворителях. Однако хлоропреновые каучуки склонны к повышенной кристаллизации при нормальной (комнатной) температуре и имеют малую морозостойкость.

В строительстве синтетические каучуки применяют для производства различных клеев и мастик (битумно-кумароно-каучуковые, кумароно-каучуковые и др.). Их используют также для модификации различных полимеров с целью повышения их упругих свойств. Синтетические каучуки находят широкое применение для изготовления герметиков и герметизации швов между панелями при крупнопанельном домостроении; при изготовлении пластобетонов и растворов; для получения различного вида резин.

Синтетические латексы представляют собой водные дисперсии синтетических каучуков и по коллоидно-химическим свойствам аналогичны натуральным латексам. Частицы каучука в синтетическом латексе, имея отрицательный заряд, коагулируют под действием электролита. Синтетические латексы лучше (по сравнению с натуральными) проникают в обрабатываемый ими материал, поскольку имеют меньший размер глобул. Свойства пленок, образованных синтетическими латексами, соответствуют свойствам пленок полимеров. Кроме каучука и воды в состав латексов входят эмульгаторы, противостарители и другие компоненты. В настоящее время наибольшее распространение получили бутадиен-стирольные, бутадиеннитрильные, хлоропреновые латексы. Их применяют обычно для тех же целей, что и синтетические каучуки. Акриловые латексы получают методом эмульсионной сополимеризации метакриловой и акриловой кислот или стирола с эфиром этих кислот (стирол-акриловые латексы) [2 c. 156-168].

2.3 Применение полимеров в машиностроении

Машиностроительная отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 в маши­ностроение нашей страны потребило 800000 т. пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37—38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали при­менять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров ста­ли изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпус­ных деталей машин и механизмов, несущих значитель­ные нагрузки.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение «пластмасса прочнее стали» звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.
Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами что повышает уровень полезного использования (безотходность и отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое, рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать по­чти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна.

Дру­гая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы. Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упомина­ния, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей и спла­вов все более жесткие требования предъявляются к об­рабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня де­монстрируют не меньшую твердость и большую термостойкость. Проблема состоит в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алма­зы, да к тому же им свойствен «королевский порок» - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпу­скается с применением синтетических смол. Таковы лишь некоторые примеры и основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам рос­та применения пластических масс среди других подот­раслей занимает сейчас автомобильная промышлен­ность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х го­дов это число перешагнуло за 30. С точки зрения хими­ческой структуры, как и следовало, ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного усту­пают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомо­биля, которые в тех или иных моделях в наши дни из­готовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Ку­зова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шлан­ги, сиденья, дверцы, капот. Более того, не­сколько разных фирм за рубежом уже объявили о нача­ле производства цельнопластмассовый автомобилей. На­иболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в дру­гих подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижает­ся общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей суще­ственно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд. Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной про­мышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка кры­ла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изго­товлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертоле­тов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жест­кие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажир­ского самолета “Конкорд”. Было рассчитано, что от тре­ния об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, и в то же время требова­лось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта [3].