Полимерные материалы

Пластмассы,или пластики, – технологические материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся в период формирования изделий в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом состоянии. Пластмассы обычно состоят из нескольких компонентов. Помимо полимера, в их состав могут входить наполнители (сажа, тальк, древесная мука, волокна, ткань и др.), пластификаторы, стабилизаторы, красители и т. д. Наполнители придают механическую прочность, пластификаторы улучшают технологические свойства и придают эластичность, стабилизаторы повышают стойкость материала к температурным, радиационным, электрическим и химическим воздействиям, красители улучшают внешний товарный вид изделия. Известно огромное количество различных веществ, могущих входить в состав пластмасс, что позволяет планировать пластический материал с заданными свойствами.

Термопласты – пластические материалы, при формировании изделий из которых не происходит необратимого отверждения полимера, и материал в изделии снова способен переходить в вязкотекучее состояние при нагревании. Последнее позволяет производить вторичную переработку пластмассовых изделий, отслуживших свой срок, однако качество полимерного материала после неоднократных переработок неуклонно снижается.

Реактопласты – полимерные материалы, переработка которых в изделия сопровождается химическими реакциями образования трёхмерной сетчатой молекулярной структуры полимера – отверждением. Пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязкотекучее состояние.

Для создания трехмерной структуры высокомолекулярных соединений и придания пластмассам свойств твердого тела в некоторые из них вводят отвердители: бензолсульфокислоту, щавелевую кислоту, ангидриды кислот и т. д. Путем добавления специальных добавок можно влиять на свойства полимеров. Таким образом получают пластмассы, тормозящие горение и обеспечивающие самозатухание огня. Можно модифицировать пластмассы с целью предотвращения образования статического электричества, а также получать биостойкие и особо водостойкие пластмассы. На основе высокомолекулярных соединений любого класса можно получить вспененные пластмассы (пенопласты, поропласты), обладающие высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами.

Каучуки и резины – пластические материалы, отличающиеся высокой эластичностью в довольно широком интервале температур; каучуки являются продуктом полимеризации диеновых углеводородов. Для упрочнения структуры каучука проводят реакцию вулканизации полимеров (нагревание каучука с серой); в процессе вулканизации некоторая часть двойных связей в соседних полимерных молекулах взаимодействует с серой, и полимерные цепи «сшиваются» между собой (например, см. рис. 12.2).

Рис. 12.2. Схема вулканизации бутадиенового каучука

Важная разновидность высокомолекулярных соединений – волокна. Это протяженные, гибкие и прочные тела с малыми поперечными размерами. Волокна делятся на природные (натуральные), химические и синтетические. К природным относятся, например, шерсть, хлопок, лен; химические волокна (вискозное и ацетатное волокна) получают путем химической обработки природных волокон. Синтетические волокна вырабатываются из продуктов нефтепереработки (полиэтилен, лавсан, капрон и др.).

Полимерные клеи и герметики изготовляются на основе природных, синтетических и искусственных полимеров. Широко применяются нитроцеллюлозные, поливинилацетатные, поливинилхлоридные, фенолформальдегидные, каучуковые эпоксидные клеи.

Для герметизации стыков (при крупнопанельном строительстве), щелей, трещин, швов применяют герметики, изготовленные на основе битума, дегтя, асфальта, канифоли, резины, полиэтилена, латексов, эпоксидных полимеров. Для склеивания пластмасс, кроме специальных клеев, можно пользоваться расплавом или раствором самой пластмассы в подходящем растворителе. Для полиэтилена растворителями могут служить ледяная уксусная кислота, трихлорэтан; для оргстекла (полиметилметакрилата) – дихлорэтан, концентрированная муравьиная кислота.

Характеристики полимеров и пластмасс на их основе изменяются с течением времени вследствие протекания необратимых структурных изменений – старения. Старение полимеров может быть следствием как физических процессов (самопроизвольная кристаллизация, «выпотевание» пластификатора), так и химических, из которых наибольшее значение имеет деструкция полимера. Деструкция может протекать в результате разрыва основной цепи или отщепления заместителей (боковых групп макромолекул). Например, винилхлорид разлагается с отщеплением HCl. Различают химическую и физическую деструкцию. Физическая деструкция протекает под действием теплоты, света, излучения высокой энергии, при механическом воздействии и, соответственно, называется термической, фотохимической, радиационной и механо-химической деструкцией.

Рис. 12.3. Схема классификации полимеров

Задачи

При решении задач используйте табл. 12.1 и 12.2.

301 В 1932 г. русским ученым С.В. Лебедевым был впервые в мире синтезирован каучук. Запишите уравнения реакции полимеризации 1,3-бутадиена. Чем отличается реакция полимеризации от реакции поликонденсации?

302 Какая общая формула выражает состав этиленовых углеводородов (алкенов)? Какие химические реакции наиболее характерны для них? Приведите примеры. Составьте схему полимеризации пропилена.

303 Неизвестная пластмасса при нагревании размягчается и вытягивается в нити, не растворяется ни в одном органическом растворителе, горит синим пламенем, образуя капли. Какой полимер образует эту пластмассу? Какой метод синтеза для него характерен? Составьте схему синтеза вещества.

304 Какие углеводороды называют диеновыми? Маслостойкие резинотехнические изделия изготавливают из нитрильного каучука – сополимера 1,3-бутадиена с акрилонитрилом (СКН). Составьте схему реакции сополимеризации этих веществ.

305 При внесении пластмассы в пламя горелки она загорелась, распространяя неприятный запах фенола. При удалении образца из пламени пламя гаснет. Что это за пластмасса? Составьте схему ее получения. Как называется такой способ получения полимеров?

306 Чем отличаются пластмассы от полимеров (ВМС)? Каковы основные компоненты пластмасс? Какие вещества чаще всего используются как отвердители?

307 Какая реакция называется реакцией сополимеризации? Составьте схему сополимеризации изопрена и изобутилена.

308 Какие реакции называются полимеризацией и поликонденсацией? Чем отличаются друг от друга эти реакции? Приведите схему полимеризации винилацетата и поликонденсации фенола с формалином.

309 Приведите схему полимеризации винилацетата. Определите степень полимеризации, если молекулярная масса продукта 280 000.

310 Составьте схему сополимеризации 1,3-бутадиена и акрилонитрила и приведите название образующегося вещества. Какой процесс называется вулканизацией? Приведите структурную формулу продукта вулканизации. Чем отличаются по свойствам каучук и резина?

311 Сополимеры стирола и нитрила акриловой кислоты обладают большой прочностью, теплоемкостью и большой химической прочностью. Напишите схему сополимеризации стирола с акрилонитрилом.

312 Как можно отличить поливинилхлорид от полиэтилена по характеру горения? Почему образуется белый осадок при пропускании продуктов разложения поливинилхлорида через раствор нитрата серебра?

313 Напишите схемы реакций полимеризации пропилена и изобутилена. Вычислите степень полимеризации, если полипропилен имеет молекулярную массу 168 000, а полиизобутилен – 224 000. Запишите также схему реакции сополимеризации этих веществ.

314 Какой растворитель используют для склеивания органического стекла? Какой мономер лежит в основе этого полимера, если известно, что органическое стекло горит желтым с синей каймой у краев пламенем? Приведите схему реакции получения органического стекла.

315 В двух пакетах находится поливинилхлорид и полиметилметакрилат. Определите с помощью качественных реакций, какой полимер находится в каком пакете. Составьте схемы реакций получения этих полимеров.

316 Какие полимеры называются термопластичными, какие – термореактивными? Приведите примеры. Напишите структурные формулы.

317 Составьте схему полимеризации тетрафторэтилена. Какими свойствами обладает образующийся продукт? Где он применяется?

318 Почему гранулы полистирола необходимо тщательно промывать от инициатора полимеризации перед затариванием мешков, перевозимых на железной дороге? Какие нежелательные явления возможны при перевозке неочищенного полистирола? Составьте схему полимеризации стирола.

319 Составьте схему реакций получения и полимеризации метилметакрилата. Какими свойствами обладает полученный продукт и где он применяется? Определите степень полимеризации, если молекулярная масса полимера 180 000.

320 Составьте уравнение образования хлоропренового каучука из 2-хлор-1,3-бутадиена. Какими свойствами обладает хлоропреновый каучук? Какой процесс называется вулканизацией? Запишите структурную формулу продукта вулканизации.

Таблица 12.1

Формулы мономеров, используемых в реакциях

Поли- мер	Мономер или элементарное звено	Способ синтеза полиме- ра	Отношение к нагреванию	Реакция на продукты разложения	Действие растворителя
ацетон	бензол	дихлорэтан
Поли- этилен		Полиме-ризация	Размягчается, тянется в нити. Горит синим пламенем, при этом плавится каплями	Не обесцвечивают растворы Br₂ и КМnO₄	Не растворяется
Поли- винил- хлорид		Полиме-ризация	Горит небольшим пламенем, образуя черный шарик. Вне пламени гаснет	Выделившийся HCl окрашивает лакмусовую бумажку в красный цвет, с раствором AgNO₃ образуется осадок белого цвета	Не растворяется	Набухает, становится рыхлым
Поли- стирол		Полиме-ризация	Размягчается, легко вытягивается в нити	Обесцвечивают растворы КМnO₄ и Вr₂	Набухает	Растворяется (растворяется также в кислотах)

Окончание табл. 12.1

Поли- мер	Мономер или элемен-тарное звено	Способ синтеза полиме- ра	Отношение к нагреванию	Реакция на продукты разложения	Действие растворителя
ацетон	бензол	дихлорэтан
Фено-пласт		Поли-конден-сация	При сильном нагревании разлагается. Горит, распространяя запах бензола. Вне пламени гаснет	–––––	Не растворяется
Капрон		Поли-конден-сация	Плавится, при горении образует темный блестящий шарик темного цвета	Окрашивают красный лакмус в синий цвет	Не растворяется (растворяется в концентрированной HNO₃, в расплавленном феноле)
Поли-метил-метак-рилат		Поли-конден-сация	Размягчается, горит желтым с синей каймой у краев пламенем с характерным потрескиванием	Обесцвечивают растворы КМnO₄ и Вr₂	Набухает	Растворяется (растворяется также в CCl₄)

Таблица 12.2

Формулы мономеров, используемых в реакциях

полимеризации и поликонденсации

Название мономера	Мономер	Название полимера	Мономер
Полимеризация	Поликонденсация
Этилен Пропилен		Аминопласты
Стирол		Полиамиды (капрон, нейлон)
Винилацетат		Полиуретаны
Метилметакрилат		Эпоксидные смолы
Акрилонитрил		Полиэфиры
Изобутилен
Тетрафторэтилен
Изопрен
Бутадиен-1,3
Хлоропрен