Органические полимерные материалы

Полимеры и олигомеры. Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Вследствие большой их массы полимеры приобретают некоторые специфические свойства.

Отдельную группу представляют олигомеры, которые по значению молекулярной массы занимают промежуточное положение между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями.

Методы получения полимеров. Для получения органических полимерных материалов используют реакции полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация (полиприсоединение) – это реакция образования полимеров путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера). При полимеризации не образуются побочные продукты, элементарный состав молекул не отличается от состава молекул мономеров. В качестве мономеров используются соединения с кратными связями: C = C, C = O, C = C = O, C = C = C, C = N, либо соединения с циклическими группами. В процессе полимеризации происходит разрыв кратных связей или раскрытие циклов у

конденсаторов, материалов сенсоров, а в перспективе и для замены металлов (органические мономеров и возникновение химических связей между группами с образованием макромолекул.

Поликонденсация. Реакция синтеза полимера из соединений, имеющих две или более функциональные группы, сопровождающаяся образованием низкомолекулярных продуктов (Н₂О, NH₃, HCl, CH₂O и др.) называется поликонденсацией. Поликонденсация соединений с тремя и более функциональными группами называется трехмерной. Элементарные составы полимеров и исходных веществ не совпадают. Поликондесация протекает по ступенчатому механизму, т.е. может остановиться на любой стадии. Поликонденсацию проводят либо в расплаве, либо в растворе, либо на межфазной границе. Методом поликоненсации получают примерно четвертую часть выпускаемых полимеров.

Свойства полимеров. Химические свойства зависят от состава, молекулярной массы и структуры полимеров. Им свойственны реакции соединения макромолекул поперечными связями, взаимодействие функциональных групп друг с другом и низкомолекулярными веществами и деструкции. Например при вулканизации происходит взаимодействие каучука с вулканизующим агентом, обычно с серой, с образованием резины (0,5- 5% серы) или эбонита (20% и более серы).

Ухудшения свойств полимеров во времени в результате деструкции макромолекул называют старением полимеров. Для замедления деструкции в состав полимеров вводят стабилизаторы.

Механическая прочность полимеров возрастает с увеличением их молекулярной массы, при переходе от линейных к разветвленным и далее сетчатым структурам. Дальнейшее увеличение механической прочности полимеров наблюдается при их переходе в кристаллическое состояние. Например, разрывная прочность кристаллического полиэтилена на 1,5-2,0 порядка выше, чем прочность аморфного полиэтилена. Удельная прочность на единицу массы на порядок превышает прочность легированных сталей. Механическая прочность полимеров может быть повышена путем добавления наполнителей, например сажи и мела армированием волокон, например стекловолокном. Большинство полимеров относится к диэлектрикам. Полимерные диэлектрики широко применяются в радиотехнике как материалы различных электротехнических изделий, защитных покрытий кабелей, проводов, изоляционных эмалей и лаков.

Некоторые полимеры обладают полупроводниковыми свойствами. Обычно это полимеры с системой сопряженных двойных связей. Органические полупроводники могут применяться в качестве электродных материалов аккумуляторов, пластин металлы).

Применение полимеров. На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).

Композиционные материалы состоят из основы (органической, полимерной, углеродной, металлической, керамической), армированной наполнителем, в виде высокопрочных волокон или нитевидных кристаллов. Многие композиты по прочности не уступают металлам. Композиционные полимерные материалы используются как конструкционные, электро- и теплоизолирующие, коррозийно-стойкие, антифрикционные материалы в автомобильной, станкостроительной, авиационной, космической технике и т. д.

Характерной особенностью применений органических полимеров (силиконов) является высокая тепло- и морозостойкость, эластичность. Силиконы используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Резины могут эксплуатироваться при температуре от –90 до +300⁰С, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизолирующими свойствами. Применяются для изделий, работающих в условиях большого перепада температур, например для защитных покрытий космических аппаратов и т. д.

Пример 1. С помощью каких реакций получают: а) полиэтилен; б) полиэтиленоксид?

Решение. Указанные полимеры получают реакцией полимеризации:

а) nСН₂ = СН₂ à(-СН₂-СН₂)n

этилен полиэтилен

б) nСН₂-СН₂à(-СН₂-СН₂O-)n

\ / полиэтиленоксид

О

этиленоксид

Пример 2. Составьте схему получения силикона.

Решение.

R R R

а) n Si = O → n -Si - O - S -

R R R

Контрольные вопросы

237. Что общего и чем отличаются между собой полимеры и олигомеры?

238. Какие вещества называются высокомолекулярными? Основные способы их получения.

239. Приведите схемы реакций поликонденсации и полимеризации на конкретных примерах.

240. Составьте схему получения кремнийорганических полимеров. Свойства и применение их в авиационной технике.

241. Какими способами получают натуральный и синтетический каучуки?

242. Приведите примеры получения натурального каучука и поливинилбутадиенового. Их свойства и применение в авиационной технике.

243. Каким способом получают резины? Приведите примеры. Свойства и применение в авиационной технике.

244. Составьте схему получения полиэтилена. Его свойства и применение в авиационной технике.

245. Составьте схему получения полистирола и полипропилена. Их свойства и применение в авиационной технике.

246. Напишите структурную формулу винилацетата. Приведите схему полимеризации этого соединения.

247. Какой способ получения полимеров сопровождается образованием низкомолекулярных веществ? Приведите схемы реакций на конкретных примерах.

248. Какие различия в свойствах у аморфных и кристаллических полимеров?

249. Какие полимеры могут иметь кристаллическую структуру? Степень кристалличности.

250. Какие полимеры называют эластиками? Подробный ответ.

251. Опишите явление металлического стеклования, его прменения.

252. Охарактеризуйте вязкотекучее состояние полимеров.

253. От чего зависят химические свойства полимеров? Подробный ответ.

254. Приведите схему вулканизации каучука. Получение резины, эбонита.

255. С чем связано старение полимеров? Замедление этого процесса.

256. От чего зависит механическая прочность полимеров? Способы увеличения прочности.

257. Органические диэлектрики и полупроводники, их применение.

258. Состав композиционных материалов, их свойства.

259. Что является основой композитов? Области применения полимерных композиционных материалов.

260. Какие полимеры применяют в космической технике в качестве защитных покрытий? Подробный ответ.

261. Сравните механические свойства композитов и сплавов металлов.

262. Приведите схемы получения силиконов. Их свойства и применение.

263. Почему возможно возникновение кристаллической структуры в полимерах? Преимущество этой структуры по сравнению с аморфным состоянием полимеров.

264. Основы получения резины, эбонита, их применение.

265. Физические свойства аморфных полимеров.

266. Какие полимеры в перспективе могут заменить металлы? Чем они отличаются от полимерных диэлектриков?