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