Синтетические полимерные материалы

Министерство  образования и науки Российской Федерации.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Сибирский государственный аэрокосмический  университет

имени академика  М. Ф. Решетнёва.

Кафедра организации  и управления наукоемкими производствами.

 

 

 

Дисциплина: промышленные технологии и инновации.

 

Тема реферата: Синтетические  полимерные материалы.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Проверил: Алексеев А.В.

Выполнила: студентка  группы УИ-01

                                                                   Зыбина Ю.В.

 

 

 

 

Красноярск 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………... 1. Строение синтетических полимеров………………………………….. 2. Способы получения синтетических полимеров…………………….     2.1 Полимеризация……………………………………………………..     2.2 Поликонденсация………………………………………………….     2.3 Полиприсоединение………………………………………………. 3. Классификация синтетических полимеров ………………………... 4. Использование полимеров в современной жизни………………….    Заключение………………………………………………………………    Список литературы…………………………………………………......

3 5 9 9 10 11 13 17 20 21

Введение

Слово полимер дословно означает — много сегментов (от греческого polus - много и teros - части, сегменты). Этот термин охватывает все вещества, молекулы которых построены из множества элементов, или звеньев. Эти элементы включают в себя как отдельные атомы, так и небольшие группы атомов, соединенных химическими связями.

В данной работе рассматривается  строение и способы получения синтетических полимеров, а также их классификация и применение в условиях современной жизни.

Известно, что среди полимеров  большую группу представляют, полученные путем синтеза из низкомолекулярных соединений – синтетические полимеры. Получают синтетические полимеры по реакциям цепных или ступенчатых процессов, а именно цепной полимеризации, ступенчатой поликонденсации или полиприсоединения. В последнее время широко используется метод изменения свойств природных и синтетических полимеров путем введения в полимерную макроструктуру фрагментов иной структуры – химическая модификация полимеров.

Синтетические полимеры 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 синтетических полимеров 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Строение синтетических полимеров

Полимеры - это высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят  из повторяющихся структурных элементов - звеньев, соединенных в цепочки  химическими связями, в количестве, достаточном для возникновения  специфических свойств. К специфическим  свойствам следует отнести следующие  способности: способность к значительным механическим обратимым высокоэластическим деформациям; к образованию анизотропных структур; к образованию высоковязких растворов при взаимодействии с  растворителем; к резкому изменению  свойств при добавлении ничтожных добавок низкомолекулярных веществ^[3].

По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и 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 полимеры, например каучук натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид, целлюлоза)^[5].

Приведенные физико-химические особенности можно объяснить  исходя из представления о строении полимеров. Говоря о строении, следует подразумевать элементный состав вещества, порядок связи атомов, природу связей, наличие межмолекулярных взаимодействий. Характерным для полимеров является наличие длинных цепных молекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Особенно следует отметить, что нет изолированных цепных молекул. Молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой, могущей иметь как полимерный характер (случай чистого полимера), так и характер обычной жидкости (разбавленные растворы полимеров). Поэтому для характеристики полимера не достаточно указания типа связей вдоль цепи - необходимо еще иметь сведения о природе межмолекулярного взаимодействия. Следует иметь в виду, что характерные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных связей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодействия любого происхождения. Именно в этом и состоит основная особенность строения полимерных тел. Поэтому можно утверждать, что весь комплекс аномальных свойств полимеров определяется наличием линейных цепных молекул с относительно слабым межмолекулярным взаимодействием. Разветвление этих молекул или соединение их в сетку вносит некоторые изменения в комплекс свойств, но не меняет положения дел по существу до тех пор, пока остаются достаточно длинные цепные линейные отрезки. Напротив, утрата цепного строения молекул при образовании из них глобул или густых сеток приводит к полной утрате всего комплекса характерных для полимеров свойств^[7].

Следствием вышеуказанного является возникновение гибкости цепной молекулы. Она заключается в её способность изменять форму под влиянием теплового движения звеньев или внешнего поля, в которое помещен полимер. Это свойство связано с внутренним вращением отдельных частей молекулы относительно друг друга. В реальных молекулах полимеров валентные углы имеют вполне определённую величину, а звенья расположены не произвольно, и положение каждого последующего звена оказывается зависимым от положения предыдущего^[3].

Для большинства синтетических полимеров повторяющимся элементом структуры являются небольшие группы атомов, соединенных определенным образом. Один из наиболее простых с точки зрения химического строения полимеров — полиэтилен имеет в качестве повторяющегося элемента группу CH₂.

Исходная молекула, из которой  образуется полимер, носит название мономерного звена (от греческого monos — единичный). Как показывает этот пример, мономерное звено не всегда является повторяющимся элементом цепи.

Однако не всегда звенья цепи идентичны. Многие синтетические полимеры образуются при взаимодействии двух различных видов мономерных звеньев или химических соединений. Это приводит к структуре типа

в которой звенья [A] и [B] регулярно чередуются по всей длине цепи.

Полимеры, 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^[7].

У сополимеров соотношение двух различных звеньев [A] и [B] не постоянно, а расположение их в цепи обычно имеет случайный характер, например

Такое построение характерно для многих синтетических каучуков.

Одно из звеньев, скажем В, может соединится с А не только по концам, но и в третьей точке. Это дает возможность цепям разветвляться:

Такой полимер может "расти" из каждой точки разветвления, образуя сложную  высоко разветвленную трехмерную структуру.

Полимеры, содержащие несколько звеньев, обычно называются димерами, тримерами, тетрамерами и т.д., по числу входящих в них исходных  молекул, или мономерных звеньев, а термин полимер (точнее, высокополимер) относится к случаю, когда число входящих в цепь звеньев достаточно велико. Минимальное число мономерных звеньев высокополимера около 100. Максимальное число звеньев теоретически не ограничено^[3].

Полимеры, у которых наблюдаются  достаточно интенсивные крутильные колебания, называются гибкоцепными, а полимеры, у которых повороты одной части цепи относительно другой затруднены - жесткоцепными.

Молекулы могут вращаться и изменять своё строение без разрыва химических связей, образуя различные конформации, под которыми понимают различные пространственные формы молекулы, возникающие при изменении относительной ориентации отдельных её частей в результате внутреннего вращения атомов или групп атомов вокруг простых связей, изгиба связей и др.

В зависимости от состава  основной (главной) цепи синтетические полимеры, делят на: гетероцепные,  в основной цепи которых содержатся атомы различных элементов,  чаще всего углерода,  азота, кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены  карбоцепные полимеры, главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры^[5].

 

 

 

2. Способы получения синтетических полимеров

2.1 Полимеризация

Процесс полимеризации  был объяснён в 1920 году немецким химиком  Германом Штаудипгером, описавшим, как молекулы соединяются в цепочки — из сотен тысяч атомов. Работа Штаудингера дала толчок развитию промышленности пластмасс, и в начале 1930-х развернулось производство многих важных полимеров.

Полимеризация - цепная реакция, при которой мономеры, содержащие кратные связи или неустойчивые циклы, путем последовательного присоединения к активному центру образуют макромолекулы. Молекулярная масса полученного полимера равна сумме молекулярных масс мономеров, вступивших в реакцию. Процесс полимеризации, имея цепной механизм, включает три основные стадии (реакции) и: образование активного центра – инициирование или возбуждение молекул мономера; рост цепи; обрыв или передача цепи. Эти стадии цепной полимеризации можно представить следующей схемой:

М М^* - образование активного центра

М^* + М₁                М – М₁^* - рост цепи

М - М₁^* + М₂               М - М₁ - М₂^*

М^*_n-1 + М                 М^*_n

М^*_n                М_n - обрыв или передача цепи

М^*_n + М               М_n + M^*

Цепными реакциями называются такие, в которых активные частицы вызывают цепь последовательных реакций. Если в полимеризации участвуют молекулы одного мономера, то её называют гомополимеризацией. Если же в полимеризации участвуют молекулы двух и более мономеров, то процесс называют сополимеризацией^[4].

Образование полимера из мономеров  возможно под действием физических факторов, таких как температура, давление или механическое перемешивание. В других случаях полимеризация  протекает с участием катализатора — вещества, которое инициирует реакцию, но само при этом остаётся без изменений. Некоторые полимеры включают разные мономеры.