Конспект Полимеры

Основы технологии полимеров

Полимеры могут быть получены в результате реакции полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация – последовательное добавление звеньев в полимерную цепь за счет разрыва кратных связей мономера. Промежуточные продукты не образуются.

Схема процесса: nМ→(М)n

По характеру активных центров:

• Радикальная
• Ионная

По стабильности промежуточных частиц:

• Ступенчатая (частицы стабильны, долгоживущие)
• Цепная (частицы не устойчивы)

Промышленные способы полимеризации:

• в среде мономера (газофазная, в массе)
• в растворе
• в эмульсии или латексная
• в суспензии или бисерная, гранульная или жемчужная

Поликонденсация – реакция образования высокомолекулярных веществ в результате конденсации многих молекул, сопровождающаяся выделением простых веществ.

• Схема процесса Мх+Му→М(х+ у)
• Несамопроизвольный процесс, требует затрат энергии.
• Масса образующегося полимера меньше массы исходных веществ.

Промышленные способы поликонденсации:

• В расплаве
• В растворе
• В эмульсии
• В твердой фазе
• Межфазная

Характеристики полимеров

Полимеры по структуре макромолекул:

• Линейные – мономеры, соединенные ковалентными связями в длинную цепь.
• Разветвленные – в основной цепи имеются боковые ответвления (короче основной цепи) за счет свободных валентностей.
• Пространственные – цепи связаны силами основных валентностей с помощью поперечных мостиков из атомов или групп атомов.

Полимеры по отношению к нагреванию:

• Термопластичные – свойства обратимо изменяются при нагревании (линейные).
• Термореактивные – не переходят в пластическое состояние при нагревании, на окончательной стадии формирования снижается способность к растворению и набуханию (пространственные).

Степень полимеризации – число мономерных звеньев в молекуле полимера.

Свойства полимеров

Свойства полимеров определяются химическим строением, ориентацией макромолекул, размерами макромолекул, частоты сетки в полимере и других факторов.

Прочность

Прочность зависит от следующих факторов:

• Степень ориентации макромолекул – чем выше степень ориентации макромолекул, тем выше прочность. В направлении ориентации макромолекул разрывное напряжение больше (прочность выше), так как распрямленные цепи менее гибкие.
• Кристаллизация – прочность увеличивается, если в процессе ориентации аморфный полимер кристаллизуется.
• Упаковка – чем плотнее упаковка, тем выше прочность.
• Межцепное взаимодействие – чем сильнее взаимодействие, тем выше прочность.

Пластичность

Для увеличения пластичности полимеров применяют пластификаторы, которые уменьшают вязкость, увеличивают гибкость молекул.

Пластичность тем выше, чем:

• ниже степень полимеризации
• выше температура
• чем больше введено в полимер пластификатора

Растворимость и набухаемость

Набухание – сорбция низкомолекулярного вещества полимером, сопровождающаяся увеличением его массы, объема, изменением структуры.

Растворение и набухание определяются следующими факторами:

• Химическая природа полимера и растворителя
• Гибкость полимерной цепи (чем выше гибкость, тем выше растворимость)
• Молекулярная масса полимера (с увеличением массы, уменьшается растворимость)
• Плотность упаковки (чем плотнее упаковка, тем хуже растворимость)
• Температура (с повышением температуры растворимость может улучшаться или ухудшаться)
• Фазовое состояние полимера (для разрушения кристаллической решетки требуется большая энергия)
• Неоднородность химического состава полимера
• Частота пространственной сетки (чем выше, тем хуже растворимость)

Характеристика мономеров

Мономеры реакций полимеризации – содержат кратные связи или раскрывающиеся циклические группировки (лактамы, имины).

Мономеры реакций поликонденсации – содержат стабильные валентнонасыщенные функциональные группы.

Функциональность мономеров

• Определяется числом одинарных связей, которые затрачиваются на образование молекулы полимера.
• Зависит от природы, числа реакционноспособных центров, особенностей строения
• Функциональность определяет строение полимера

Виды функциональности:

• Молекулярная или структурная функциональность
• Реализуемая функциональность

Фенолоформальдегидные смолы

Феноло-альдегидные полимеры – отвержденные олигомерные продукты поликонденсации фенолов (фенол, крезолы, ксиленолы, гидрохинон) с альдегидами (формальдегид, фурфурол), получаемые в водной среде в присутствии кислотных и щелочных катализаторов (состав полимеров зависит от pH среды).

Поликонденсация проходит через стадию оксиметилирования в орто- и пара- положении фенольного ядра:

В щелочной среде при избытке формальдегида получают резолы – твердые или жидкие термореактивные полимеры:

Поликонденсация:

• Хорошо растворимы в метаноле, этаноле, ацетоне, фенолах, щелочах.
• Нерастворимы в ароматических и парафиновых углеводородах, галогенпроизводных углеводородов.
• При комнатной температуре способны переходить в неплавкое нерастворимое состояние.
• Содержат свободный фенол, что снижает температуру плавления.

В кислой среде при избытке фенола получают новолаки – твердые термопластичные полимеры:

Поликонденсация:

• Хорошо растворимы в метаноле, этаноле, ацетоне, фенолах, щелочах.
• Нерастворимы в ароматических и парафиновых углеводородах, галогенпроизводных углеводородов.
• Не отверждаются при длительном хранении и нагревании до 180.

Технологический процесс производства фенолоформальдегидных смол:

• Дозировка сырья
• Поликонденсация
• Сушка олигомера
• Охлаждение и измельчение готового продукта

Свойства:

• механическая устойчивость
• прочность
• коррозионная стойкость
• высокие электроизоляционные свойства

Сополимеризация, сополимеры

Сополимеры – полимеры, в состав которых входят мономеры различного характера.

Виды сополимеров:

• Регулярные (мономеры распределены периодично)
• Нерегулярные (мономеры распределены беспорядочно)
• Блок-сополимеры (линейный полимер, цепь которого состоит из гомополимерных блоков)
• Привитые (боковые ответвления отличаются по строению от основной цепи)

Сополимеризация – реакция полимеризации, в которой участвуют различные виды мономеров.

Композиционные материалы

Композиционный материал – это любой материал со структурой, состоящей минимум из двух фаз.

Свойства:

• легкость
• высокая удельная прочность
• высокая усталостная прочность
• высокая жёсткость
• высокая износостойкость

Общий технологический процесс получения:

• Подготовка армирующего наполнителя
• Приготовление полимерного связующего
• Совмещение матрицы с арматурой
• Формообразование детали
• Отверждение связующего
• Механическая обработка

Технологии: прессовка, формообразование намоткой, вакуумное формование.

Примеры композиционных материалов:

• Текстолит
• Биметалл
• Стеклопластик