Полимеры и электротехническая медь. Термопласты и реактопласты
Любой полимер (или пластмасс) можно классифицировать на 2 группы – реактопластичные (реактопласты) и термопластичные (термопласты) полимеры.
Отличие заключается в том, как тот или иной полимер ведет себя при нагревании. Термопласты под воздействием высоких температур обладают способностью многократно переходить в вязкотекучее (пластичное) состояние и вновь отверждаться при понижении температуры. Реактопласты же под воздействием высоких температур приобретают сшитую структуру макромолекул , это необратимый процесс. При последующем нагреве реактопластичные полимеры разрушаются, не переходя в пластичное состояние.
Как следствие, способы и технологии переработки реактопластичных и термопластичных полимеров сильно отличаются. Так термопласты перерабатывают преимущественно литьем под давлением, центробежным литьем, экструзией, выдуванием, вакуумным и пневматическим формованием, штамповкой. В то время как к реактопластам применимы технологии прямого (компрессионного) прессования, литьевого и штранг-прессования.
Разберемся более подробно в терминологии, классификации и примерах.
Термопласты
Термопластами (также называемые термопластичными полимерами термопластиками, термопласт-полимерами, пластмассами, thermoplast, thermoplastic), говоря научным языком, называют полимеры, способные многократно преобразовываться при нагреве в высокоэластичное либо вязкотекучее состояние и в этой фазе перерабатываются в конечные изделия. По завершению изготовления изделия они обладают возможностью повторной переработки, что особенно важно при утилизации полимерных отходов.
К термопластам относят полиэтилен, полиметилметакрилат, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, поликарбонат, политетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, полиизобутилен, полистирол, полиамид, полиимид и другие полимеры.
Такие свойства обусловлены структурой макромолекул и их взаимодействием. Так термопластам свойственны линейные и разветвленные структуры макромолекул, а также отсутствие 3-хмерных сшитых структур. При этом группы макромолекул могут образовывать как аморфные, так и аморфно-кристаллические структуры. Макромолекулы связанны друг с другом, как правило, только физически, и энергия обрыва таких связей невысока, гораздо ниже энергии обрыва связей на химическом уровне в макромолекуле. Именно этим и обусловлен переход термопластов в пластичное состояние без деструкции макромолекул.
Однако существуют некоторые полимеры с линейной структурой макромолекул, но термопластичными не являются, так как температура их деструкции ниже температуры текучести. Ярким примером служит целлюлоза.
Чаще всего термопласты нерастворимы в воде (малогигроскопичны), являются горючими , устойчивыми к щелочным и кислотным средам, являются диэлектриками. Термопластичные полимеры классифицируют на неполярные и полярные по тому, как они себя ведут при наложении электрических полей.
Термопласты бывают наполненными или однородными. Однородные термопласты также именуют смолами, которые, в свою очередь, подразделяют на природные и синтетические. Наполнители же значительно изменяют эксплуатационные и технологические свойства термопластов. Широкое применение получили стеклопластики (полимеры, наполненные стекловолокном), углепластики (полимеры, наполненные углеволокном), а также специальные пластики (полимеры, наполненные разнообразными добавками – антипиренами , электропроводящими и антифрикционными добавками, антистатиками, износостойкими добавками и т.д.).
Реактопласты
Реактопластами (также называемые, реактопластиками, термореактивными пластмассами, реактопластичными полимерами, дуропластами, реактопласт-полимерами, thermoset), говоря научным языком, называют полимерные материалы, которые при формовании в конечные изделия проходят необратимую химическую реакцию с образованием сшитой структурной сетки макромолекул (отверждение), в результате которой образуется неплавкий и нерастворимый полимер. По завершению отверждения изделия более не имеют возможности вторичной переработки, а при нагреве материал не становится пластичным, а лишь деструктирует или возгорается.
По виду применяемых основ реактопластичные полимеры делят на фенопласты (основа - фенолформальдегидные смолы), имидопласты (основа – олигоимиды), эпоксипласты (основа - эпоксидные смолы), эфиропласты (основа - акриловые олигомеры), аминопласты (основа - мочевино- и меламино-формальдегидные смолы) и др.
Часто реактопластмассы в изделиях являются не чистыми полимерами (т.к. высоки усадочные процессы), а наполненными (композитными). Так обычно они содержат такие наполнители как стекловолокно и другие волокнистые наполнители, сажу, мел, целлюлозу, древесную муку, кварцевый песок и др.
Термореактивные материалы за счет сшитой трехмерной структуры, как правило, обладают более высокими показателями твёрдости, хрупкости и упругости, более низким коэффициентом теплового расширения, чем термопластичные материалы, имеют стойкость к органическим растворителям и слабым кислотным и щелочным средам. В отличие от термопластов, чаще всего, могут эксплуатироваться при более высоких температурах . Однако процессы переработки несколько более сложны и требуют соблюдения временных промежутков и температур, за пределами которых могут произойти необратимые реакции и, как следствие, получение брака изделий.
ППУ – термопласт или реактопласт?
Ответ на вопрос не так прост, как может показаться. Строго говоря, двухкомпонентный полиуретан является реактопластом, поскольку полиэфирный компонент отверждается изоцианатным компонентом (реже используются иные отвердители) с образованием сшитых макромолекулярных структур (реакция полиприсоединения). Тоже самое справедливо и для газонаполненных полиуретанов (пенополиуретанов или, проще говоря, ППУ), отверждаемых изоцианатным компонентом, с той лишь разницей, что в полимерную структуру заключены пузырьки газа. В зависимости от функциональности компонентов, степени сшивки и средней длины макромолекул мы можем получать эластичные , интегральные или жесткие ППУ . Такой реактопластичный ППУ при повышенных температурах обугливается и деструктирует, минуя высокоэластичное состояние.
Однако еще в далеких 60-х годах минувшего столетия американские исследователи впервые получили термопластичный полиуретан. Позднее удалось сделать его и газонаполненным, т.е. получить термопластичный пенополиуретан. Основным сырьевым компонентом служат простые и сложные полиэфиры , полиэфиры угольной кислоты, алифатический изоцианат. Как правило, термопластичные полиуретаны (ТПУ) являются однокомпонентными. В зависимости от используемого компонента меняются и свойства конечных продуктов.
ТПУ сочетает в себе прочностные свойства жестких пластиков и высокоэластичные свойства каучуков в широком диапазоне температур. При малой массе, ТПУ выдерживает высокие физическо-механические нагрузки и противостоит разнообразным видам воздействий – истиранию, отрицательным температурам, жирам, маслам и растворителям. Не подвержен воздействию микроорганизмов. Имеет способность шумо- и виброгашения, окрашивается в различные цвета.
Благодаря удачному сочетанию свойств и возможности эти свойства варьировать в широком диапазоне, термопластичный полиуретан стал хорошим заменителем ряда пластиков, резин и даже металлов, и сегодня широко используется во многих промышленных отраслях. Так данный полимер используется для производства подошв обуви, изоляция силовых кабелей, шлангов высокого давления, шин, уплотнителей, футеровочных пленок и листов, амортизационных опор, декоративных элементов в автомобилестроении, роликов на скейтбордах и т.д.
ТПУ перерабатываются литьем под давлением и экструзией.
Дополнительно по данной теме смотрите:
Вконтакте
их строение, свойства, применение.
Термопластичные и термореактивные полимеры
Урок-исследование 11 класс
Цели. Продолжить знакомство с высокомолекулярными соединениями на примере пластмасс. Иметь представление о пластмассах, их составе и свойствах, особенностях термореактивных и термопластичных полимеров, способах их получения и областях применения. Научить учащихся доказывать некоторые свойства пластмасс в ходе выполнения химического эксперимента. Способствовать дальнейшему развитию интеллектуальных умений и навыков. Пропагандировать здоровый образ жизни, убеждать в необходимости охраны окружающей среды. Развивать логическое мышление учащихся, умение анализировать, сравнивать, делать выводы.
Форма проведения урока – урок-исследование (2 ч).
Оборудование и реактивы. Карточки с заданиями и теоретическим материалом, магнитофон, кассета с записью инструментальной музыки, спиртовка, спички, штатив для пробирок, пробиркодержатель, пробирки, химические стаканы, тигельные щипцы; образцы пластмасс (раздаточный материал), изделия из пластмасс, изготовленные по разным технологиям и с разной маркировкой (куски линолеума, кожзаменителя, полиэтиленовые пакеты, пластмассовая посуда, предметы бытовой химии, косметика, парфюмерия, лекарства в пластмассовых упаковках, пластиковые бутылки из-под растительного масла и газированной воды, шприцы), вода, серная кислота, щелочь.
План
«Мягкая посадка».
Ода пластмассам.
Пластмассы и их значение.
Составные части пластмасс.
Немного истории...
Классификация пластмасс. Термопластичные и термореактивные полимеры.
Самостоятельное изучение теоретического материала (работа в группах).
Выступления учащихся, проведение исследований, выполнение химического эксперимента.
Тест.
Рефлексия.
Заключительное слово учителя.ХОД УРОКА
Сообщение учителем темы, цели и задач урока. Фронтальный опрос по домашнему заданию, в ходе которого учащиеся, правильно ответившие на вопрос учителя, получают оценки и садятся на свое место.
Мягкая посадка ожидает вас,
Сядет тот за парту, кто покажет класс,
Грамотно ответив на вопрос любой,
Останетесь довольны оценкой и собой.
1. Какие вещества относятся к высокомолекулярным соединениям (ВМС)?
(ВМС – это соединения, молекулы
которых
состоят из большого числа
повторяющихся звеньев.)
2. Приведите примеры природных ВМС.
(Органические соединения – целлюлоза,
белки, крахмал, натуральный каучук;
неорганические – графит, силикаты.)
3. Что представляют собой искусственные и синтетические ВМС?
(Искусственные ВМС получают из
природных ВМС,
используя химические методы, которые
не изменяют главную цепь. Синтетические
ВМС получают при помощи реакций
полимеризации и поликонденсации
низкомолекулярных веществ.)
4. Приведите примеры искусственных и синтетических полимеров.
(Искусственные органические полимеры
–
ацетил-целлюлоза, нитроцеллюлоза, резина;
синтетические органические полимеры –
полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, капрон,
лавсан, каучуки;
синтетические неорганические полимеры –
стекловолокно,
керамические волокна.)
5. Как с греческого языка переводятся слова «полимер» и «мономер»?
(«Поли» – много, «моно» – один,
«мерос» – часть.
Полимеры – это высокомолекулярные соединения.
Мономеры – это низкомолекулярные вещества,
из которых получают полимеры.)
6. Что такое «степень полимеризации»?
(Степенью полимеризации
(поликонденсации)
называют среднее число структурных звеньев
в молекуле полимера.)
7. Что такое «структурное звено»?
(Повторяющийся участок структуры
молекулы полимера называют структурным звеном.)
8. Какие полимеры называют полимерами стереорегулярного строения?
(Полимеры стереорегулярного строения
имеют регулярно расположенные радикалы
по одну или по обе стороны главной цепи.)
9. Чем отличаются реакции полимеризации от реакций поликонденсации?
(В ходе реакций полимеризации
образуются только полимеры;
при реакциях поликонденсации образуется полимер
и в качестве побочных продуктов –
низкомолекулярные вещества.)
10. В чем особенность понятия «молекулярная масса полимера»?
(Указываемая для полимера
относительная молекулярная масса
является его средней относительной молекулярной
массой,
т.к. степень полимеризации не является величиной
постоянной.)
Ода пластмассам
Воспеть в стихах решила я
Не шум осеннего дождя,
Не ураган сверх всякой меры –
Пластмассы, в общем, полимеры.
И оду скромную свою
Я им сегодня ниспошлю.
Не знает нынче лишь невежда:
Для книг обложки и одежда,
Линолеум, пенал, портфель,
Игрушек ярких карусель,
Клеенки, куклы, изоленты,
Обои, трубы и брезенты,
Компьютер, телефон, часы,
И что-то просто для красы,
Кожзаменитель и тефлон,
В диванах, креслах – поролон,
В машинах разные детали,
В квартирах окна ими стали,
На стенах и на потолках
Панели, плитка – просто ах!
И упаковкой людям служат,
Имея их, врачи не тужат.
Там, где и легкость, и прочность нужна,
И оптимальной должна быть цена,
Чтоб вещь не билась и не ломалась,
В кислотах и щелочах не растворялась,
Здесь вам на помощь приходит пластмасса –
Вот материал наивысшего класса!
Могу я оду завершить –
Нам без пластмассы не прожить!
Но… в завершении стиха
Вопрос возник: «В них нет греха?»
Я предлагаю вам собраться,
Во всем детально разобраться.
Мы все исследуем, сравним,
Рекомендации дадим.
Вот цель урока – все узнать,
Чтоб в своей жизни применять.
Пластмассы и их значение
Пластмассы (пластические массы, пластики) – это большой класс полимерных органических легко формуемых материалов, из которых можно изготавливать легкие, жесткие, прочные, коррозионностойкие изделия.
Эти вещества состоят в основном из углерода С, водорода Н, кислорода О и азота N. Все полимеры имеют высокую относительную молекулярную массу – от 10 000 до 500 000 и более (для сравнения – кислород О 2 имеет относительную молекулярную массу, равную 32). Таким образом, одна молекула полимера содержит очень большое число атомов.
Некоторые органические пластические материалы встречаются в природе, например асфальт, битум, шеллак, смола хвойных деревьев и копал (твердая ископаемая природная смола). Обычно такие природные органические формуемые вещества называют смолами. В ряде случаев в качестве сырья применяют природные полимеры – целлюлозу, каучук или канифоль. Чтобы достичь желаемой эластичности, их подвергают различным химическим реакциям. Например, целлюлозу посредством разнообразных реакций можно превратить в бумагу, моющие средства и другие ценные материалы; из каучука получают резину и изолирующие материалы, используемые как покрытия; канифоль после химической модификации становится более прочной и устойчивой к действию растворителей.
Хотя модифицированные природные полимеры и находят промышленное применение, большинство используемых пластмасс являются синтетическими. Органическое вещество с небольшой молекулярной массой (мономер) сначала превращают в полимер, который затем прядут, отливают, прессуют или формуют в готовое изделие. Сырьем обычно являются простые, легкодоступные побочные продукты угольной и нефтяной отраслей промышленности или производства удобрений.
Составные части пластмасс
К составным частям пластмасс относятся: полимер (смола), наполнители, пластификаторы (эфиры), стабилизаторы, красители.
Например, термореактивные смолы по своей природе хрупкие и, за исключением фенольных, редко используются без волокнистых наполнителей. Чаще всего в качестве наполнителей применяют древесные опилки, хлопковые очесы, целлюлозные волокна и ткани, асбест и стекловолокно. Последнее позволяет получать слоистые структуры со значительно большей прочностью, чем целлюлозные или органические волокна.
Немного истории…
Первыми пластическими массами были эбонит (1843), целлулоид (1872) и галалит (1897), созданные на основе химически модифицированных природных полимеров – натурального каучука, нитроцеллюлозы и белковых веществ. Получение первых синтетических смол и пластмасс относится к началу ХХ столетия. В начале столетия был освоен выпуск фенопластов (первые синтетические ВМС – бакелит и карболит представляют собой фенолформальдегидные смолы, полученные поликонденсацией фенола с формальдегидом), а после первой мировой войны – аминопластов. В 1930-х гг. начался промышленный выпуск полистирола, поливинилхлорида, полиметилметакрилата и др.
Классификация
пластмасс.
Термопластичные и термореактивные полимеры
Термопластами называют все линейные или слегка разветвленные полимеры. Термопластичность – это свойство пластмасс многократно размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. При этом физическом процессе, похожем на повторяющиеся плавление и кристаллизацию, химических изменений не происходит.
Реактопласты (термореактивные, или термоотверждающиеся, пластмассы). Если процесс полимеризации протекает более чем в двух направлениях, то возникают молекулы, образующие не линейные цепи, а трехмерную сетку, реактопласты. Эти полимеры можно размягчить нагреванием, но при охлаждении они превращаются в твердые неплавящиеся тела, которые невозможно снова размягчить без химического разложения. Необратимое затвердевание вызывается химической реакцией сшивки цепей.
Важным процессом этого типа является присоединительная полимеризация дивинилбензола:
где R и R" – арилалкильные радикалы нелинейной полимеризации.
В дивинилбензоле две двойные винильные связи. В ходе полимеризации они образуют трехмерную сетчатую структуру. При нагревании полученный полимер медленно разлагается.
Хорошо известный реактопласт – фенолоформальдегидную смолу – получают поликонденсацией фенола с формальдегидом. Гидроксильная группа повышает активность атомов водорода бензольного кольца в положениях 2, 4 и 6, что позволяет образовывать связи в нескольких направлениях:
2,4,6-Тригидроксиметилфенол, реагируя с фенолом, отщепляет воду и образует трехмерную сетчатую структуру. Начальная стадия выглядит следующим образом:
Из вышесказанного следует простой и логичный вывод: все линейные полимеры термопластичны, а все сшитые сетчатые полимеры реактопластичны (термореактивны). Очевидно, структура мономерных единиц и их функциональных групп позволяет предсказать тип пластмассы, получаемой при полимеризации.
Печатается с продолжением
Термопластичными называют полимеры, способные многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой (как это происходит с частицами влажной глины), полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость. На этом свойстве базируются различные способы формования изделий из термопластов, а тагже соединение их сваркой. Однако на практике не все термопласты так просто можно перевеского разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести (поливинилхлорида, фторпластов и др.). В таком случае используют различные технологические приемы, снижающие температуру текучести (например, вводя пластификаторы) или задерживающие термодеструкцию (введением стабилизаторов, переработкой в среде инертного газа).
Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы полимеров, даже очень небольшой концентрации (2...5 %), отличаются довольно высокой вязкостью, причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние.
На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимер - растворах.
К недостаткам термопластов относятся низкие теплостойкость (обычно не выше 80...120° С), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.
Наибольшее применение в строительстве имеют следующие термопластичные полимеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, перхлорвинил, поливинилацетат и поливиниловый спирт, полиизобутилен, полиакрилаты.
Кроме полимеров, получаемых из одного мономера, синтезируют сополимеры - продукты, получаемые совместной полимеризацией (со - полимеризацией) двух и более мономеров. В таком случае образуются материалы с новым комплексом свойств. Так, винил ацетат полимери - зуют совместно с винилхлоридом для получения сополимера более прочного и водостойкого, чем поливинилацетат, но сохраняющего его высокие адгезионные свойства. Широкий спектр сополимеров выпускают на базе акриловых мономеров,
Полиэтилен - продукт полимеризации этилена. Это один из наиболее распространенных полимеров - роговидный, жирный на ощупь, слегка просвечивающийся материал, легко режется ножом; при поджигании горит и одновременно плавится с характерным запахом горящего парафина. Плотность полиэтилена 920...960 кг/м3. В зависи - . мости от молекулярной массы и способа полимеризации полиэтилен плавится при 90...130° С. При комнатной температуре полиэтилен практически не растворяется ни в одном из растворителей, но набухает в бензоле и хлорированных углеводородах; при температуре выше
70.. .80° С он растворяется в указанных растворителях.
Полиэтилен обладает высокой химической стойкостью, биологически инертен. Прочность при растяжении у него довольно высокая - - 20...45 МПа; но при длительном действии нагрузки, составляющей более 50...60 % от предельной, у полиэтилена начинает проявляться /свойство текучести. Полиэтилен сохраняет эластичность до - 70° С. . Он легко перерабатывается в изделия и хорошо сваривается. Его ■недостатки - низкие теплостойкость и твердость, горючесть и быстрое ■старение под действием солнечного света. Защищают полиэтилен от ■старения, вводя в него наполнители (сажу, алюминиевую пудру) и В стабилизаторы.
I Из полиэтилена делают пленки (прозрачные и непрозрачные), трубы, электроизоляцию; вспененный полиэтилен в виде листов и труб і используется для целей тепло - и звукоизоляции и в качестве гермети - : зирующих прокладок (см. § 16.4).
Полипропилен - полимер, по составу близкий к полиэтилену. Прй синтезе полипропилена образуется несколько различных по строению полимеров: изотактический, атактический и синдиотактический.
В основном применяется изотактический полипропилен. Он отлиу чается от полиэтилена большей твердостью, прочностью и теплостойкостью (температура размягчения около 170° С), но переход в хрупкое состояние происходит уже при минус 10...20° С. Плотность полипропилена 920...930 кг/м3; прочность при растяжении 25...30 МПа. Применяют полипропилен практически для тех же целей, что и полиэтилен, но изделия из него более жесткие и формоустойчивые.
Атактический полипропилен(АПП) получается при синтезе поли
пропилена как неизбежная примесь, но легко отделяется от изотакти - ческого полипропилена экстракцией (растворением в углеводородных растворителях). АПП - мягкий эластичный продукт плотностью
840.. .845 кг/м3 с температурой размягчения 30...80° С. Применяют АПП как модификатор битумных композиций в кровельных материалах (см. § 18.2).
Полиизобутилен - каучукоподобный термопластичный полимер, подробно описанный в § 9.5.
Полистирол (поливинилбензол) - прозрачный жесткий полимер плотностью 1050... 1080 кг/м3; при комнатной температуре жесткий и хрупкий, а при нагревании до 800... 1000° С размягчающийся. Прочность при растяжении (при 20° С) 35...50 МПа. Полистирол хорошо растворяется в ароматических углеводородах (влияние бензольного кольца, входящего в состав молекул полистирола), сложных эфирных и хлорированных углеводородах. Полистирол горюч и хрупок. Для снижения хрупкости полистирол синтезируют с другими мономерами или совмещают с каучуками (ударопрочный полистирол).
В строительстве полистирол применяют для изготовления теплоизоляционного материала - пенополистирола (плотностью 10...50 кг/м3), облицовочных плиток и мелкой фурнитуры. Раствор полистирола в органических растворителях - хороший клей.
Поливинилацетат - прозрачный бесцветный жесткий при комнатной температуре полимер плотностью 1190 кг/м3. Поливинилацетат растворим в кетонах (ацетоне), сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, набухает в воде; в алифатических и герпеновых углеводородах не растворяется. Поливинилацетат не стоек к действию кислот и щелочей; при нагреве выше 130...150° С он разлагается с выделением уксусной кислоты. Положительное свойство поливинилацетата - высокая адгезия к каменным материалам, стеклу, древесине.
В строительстве поливинилацетат применяют в виде поливинила - цетатной дисперсии (ПВАД) - сметанообразной массы белого или светло - кремового цвета, хорошо смешивающейся с водой. Поливинил - ацетатную дисперсию получают полимеризацией жидкого винилаце -
тата, находящегося в виде мельчайших частиц (менее 5 мкм) в воде. Для стабилизации эмульсии винил ацетата используют поливиниловый спирт. При полимеризации капельки винилацетата превращаются в твердые частицы поливиналацетата, таким образом получается поли - винилацетатная дисперсия, стабилизатором которой служит тот же поливиниловый спирт. Содержание полимера в дисперсии около 50 %.
Поливинидацетатная дисперсия выпускается средней (С), низкой (Н) и высокой (В) вязкости в пластифицированном и непластифици - рованном виде. Пластификатором служит дибутилфталат, содержание которого указывается в марке индексом. В грубодисперсной ПВАД, обычно применяемой в строительстве, содержание пластификатора следующее (% от массы полимера): 5...10 (индекс 4), 10...15 (индекс 7) и 30...35 (индекс 20),
По внешнему виду пластифицированная и непластифицированная дисперсии почти не отличаются одна от другой. Поэтому, чтобы определить вид дисперсии, небольшое ее количество наносят" на чистое стекло и выдерживают при комнатной температуре до высыхания. У пластифицированной дисперсии образуется прозрачная эластичная пленка, у непластифицированной - пленка ломкая, снимается со стекла с трудом, крошится.
Необходимо помнить, что пластифицированная дисперсия неморозостойка и при замораживании необратимо разрушается с осаждением полимера. Поэтому в зимнее время пластификатор поставляют в отдельной упаковке. Для пластификации пластификатор перемешивают ш дисперсией и выдерживают 3...4 ч для его проникновения в частицы полимера. Непластифицированная дисперсия выдерживает не. менее четырех циклов замораживания - оттаивания при температуре до - 40° С. Срок хранения ПВАД при температуре 5...20° С - 6 мес.
Поливинилацетат широко применяют в строительстве. На его основе делают клеи, водно-дисперсионные краски, моющиеся обои. ПВАД применяют для устройства наливных мастичных полов и для модификации цементных растворов (полимерцементные растворы и бетоны - см. § 12.8). Дисперсией, разбавленной до 5...10 %-ной концентрации, грунтуют бетонные поверхности перед приклеиванием облицовки на полимерных мастиках и перед нанесением полимерце - ментных растворов.
Недостаток материалов на основе дисперсий поливинилацетата - чувствительность к воде: материалы набухают, и на них могут появиться высолы. Это объясняется наличием в дисперсиях заметного количества водорастворимого стабилизатора и способностью самого полимера набухать в воде. Так как дисперсия имеет слабокислую реакцию (pH 4,5...6), при нанесении на металлические изделия возможна коррозия металла.
Поливинилхлорид - самый распространенный в строительстве полимер - представляет собой твердый материл без запаха и вкуса,
бесцветный или желтоватый (при переработке в результате термодеструкции может приобрести светло-коричневый цвет). Плотность поливинилхлорида 1400 кг/м3; предел прочности при растяжении
40.. .60 МПа. Температура текучести поливинилхлорида 180...200° С, но уже при нагревании выше 160° С он начинает разлагаться с выделением НС]. Это обстоятельство затрудняет переработку поливинилхлорида в изделия.
Поливинилхлорид хорошо совмещается с пластификаторами. Это облегчает переработку и позволяет получать пластмассы с самыми разнообразными свойствами: жесткие листы и трубы, эластичные погонажные изделия, мягкие пленки. Поливинилхлорид хорошо сваривается; склеивается он только некоторыми видами клеев, например перхлорвиниловым, Положительное качество поливинилхлорида - высокие химическая стойкость, диэлектрические показатели и низкая горючесть. .
В строительстве поливинилхлорид применяют для изготовления материалов для полов (различные виды линолеума, плитки), труб, погонажных изделий (поручни, плинтусы и т. п.) и отделочных декоративных пленок и пенопластов.
Перхлорвинил ■- продукт хлорирования поливинлхлорида, содержащий 60...70 % (по массе) хлора, вместо.56 % в поливинилхлориде. Плотность перхлорвинила около 1500 кг/м3. Он характеризуется очень высокой химической стойкостью (к кислотам, щелочам, окислителям); трудносгораем. В отличие от поливинилхлорида перхлорвинил легко растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, этилацетате, толуоле, ксилоле и других растворителях. Положительное качество перхлорвинила - высокая адгезия к металлу, бетону, древесине, коже и поливинилхлориду. Сочетание высокой адгезии и хорошей растворимости позволяет использовать перхлорвинил в клеях и окрасочных составах. Перхлорвиниловые краски благодаря высокой стойкости этого полимера используются для отделки фасадов зданий (см. § 18.2 и 18.5).
После работы с составами, содержащими перхлорвиниловый полимер, необходимо тщательно вымыть руки горячей водой с мылом и смазать их жирным кремом (вазелином, ланолином и т. п.). При сильном загрязнении рук их предварительно вытирают ветошыо, смоченной в уайт-спирите (применять для этой цели бензол, толуол, этилированный бензин запрещается).
Кушроноипдеповые полимеры - полимеры, получаемые полимеризацией смеси кумарона и индена, содержащихся в каменноугольной" смоле и продуктах пиролиза нефти. Кумароноинденовый полимер имеет небольшую молекулярную массу (менее 3000) и в зависимости от ее значения может быть каучукоподобным или твердым хрупким материалом. Снизить хрупкость кумароноинденовых полимеров можно совмещая их с каучуками, фенолформальдегидными смолами и други-
ми полимерами. Эти полимеры хорошо растворяются в бензоле, скипидаре, ацетоне, растительных и минеральных маслах. Кумароноинде - новые полимеры в расплавленном или растворенном виде хорошо смачивают другие материалы, а после затвердевания сохраняют адгезию к материалу, на который были нанесены. Из них изготовляют плитки для полов, лакокрасочные материалы и приклеивающие мастики.
Термопластичные полимеры
Термопластичные полимеры способны многократно размягчаться при нагревании и отвердевать при охлаждении. Эти и многие другие свойства термопластичных полимеров объясняются линейным строением их макромолекул. При нагревании взаимодействие между молекулами ослабевает и они могут сдвигаться одна относительно другой, полимер размягчается, превращаясь при дальнейшем нагревании в вязкую жидкость. На этом свойстве базируются различные способы формования изделий из термопластов, а также соединение их сваркой.
Однако на практике не все термопласты так просто можно перевести в вязко-текучее состояние, так как температура начала термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести (поливинилхлорид, фторопласты и др.). В таком случае используют различные технологические приемы, снижающие температуру текучести (например, вводя пластификаторы) или задерживающие термодеструкцию (введением стабилизаторов, переработкой в среде инертного газа).
Линейным строением молекул объясняется также способность термопластов не только набухать, но и хорошо растворяться в правильно подобранных растворителях. Тип растворителя зависит от химической природы полимера. Растворы полимеров даже очень небольшой концентрации (2...5 %) отличаются довольно высокой вязкостью. Причиной этого являются большие размеры полимерных молекул по сравнению с молекулами обычных низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь переходит в твердое состояние. На этом основано использование растворов термопластов в качестве лаков, красок, клеев и вяжущего компонента в мастиках и полимеррастворах.
К недостаткам термопластов относятся; низкая теплостойкость (обычно не выше 80... 120 °С), низкая поверхностная твердость, хрупкость при пониженных температурах и текучесть при высоких, склонность к старению под действием солнечных лучей и кислорода воздуха.
Термореактивные полимеры
Молекулы термореактивных полимеров до их отверждения имеют линейное строение, такое же, как молекулы термопластичных полимеров, но размер молекул реактопластов намного меньше.
В отличие от термопластов, у которых молекулы химически инертны и не способны соединяться друг с другом, молекулы термореактивных олигомеров химически активны. Они содержат либо двойные (ненасыщенные) связи, либо химически активные группы. Поэтому при определенных условиях (нагревании, облучении или добавлении веществ-отвердителей) молекулы термореактивных олигомеров соединяются друг с другом, образуя сплошную пространственную сетку, как бы одну гигантскую макромолекулу.
После отверждения свойства полимеров изменяются: они перестают размягчаться при нагревании, не растворяются, а только набухают в растворителях, становятся более прочными, твердыми и термостойкими.
К термореактивным полимерам, используемым в строительстве, относятся фенолоальдегидные, карбамидные, полиэфирные, эпоксидные и полиуретановые.
Фенолоальдегидные полимеры - первые синтетические полимеры, которые в начале XX в. начали получать методом поликонденсации фенолов с альдегидами. В качестве фенольного сырья применяют фенол, крезол, ксиленол и резорцин, а альдегидного - формальдегид, фурфурол, уротропин и лигнин.
Фенолоформальдегидные полимеры ~ наиболее распространенные полимеры этого класса. Их получают поликонденсацией фенола с формальдегидом. Фенол представляет собой бесцветные кристаллы с характерным сильным запахом; токсичен. Вдыхание его приводит к отравлению, а попадание на кожу вызывает ожоги. Формальдегид - газ, тоже с резким удушливым запахом. Следует помнить, что отрицательные свойства, присущие исходным компонентам, в значительной степени передаются и полимеру. В зависимости от соотношения исходных продуктов поликонденсации и характера катализаторов получают различные виды фенолоформальдегидных полимеров.
Введение……………………...……………………….. ………………………….3
- Полимеры ………....……………………………………………………... 4
- Свойства термопластичных полимеров …………..………………………8
- Полиэтилен……………………………………….…….… …………..….....9
- Полиизобутилен ………..…………………………………………………12
- Полистирол……………..………………………………… ……………….13
- Поливинилхлорид……..…………………………… ……………………..15
- Поливинилацетат……………………………………… …………………..17
- Поливиниловый спирт…………………………………………………….18
- Полиакрилаты и полиметилметакрилат…………………………… …….19
- Синтетические каучуки…………………………………………………... 20
Заключение…………………………………………………… …………….......22
Список используемых источников……………………………………………23
Введение
Термопластичные полимеры - полимеры с линейной структурой молекул. Материалы способны размягчаться при нагреве и восстанавливаться при охлаждении. К этой группе материалов относят: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, поливинилхлорид, полистирол, поливинилацетат, а также полиамидные и инден-кумароновые полимеры.
Целью данной работы является изучение термопластичных полимеров, их строение, состав. И в каких областях они применяются.
- Полимеры
Полимером называется органическое вещество, длинные молекулы которого построены из одинаковых многократно повторяющихся звеньев - мономеров. По происхождению полимеры делятся на три группы.
Природные образуются в результате жизнедеятельности растений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.
Обычно природные полимеры подвергаются операциям выделения очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки являются искусственные полимеры. Примерами являются натуральный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид, представляющий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.
Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются незаменимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной промышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических полимеров – материалов, полученных синтезом из низкомолекулярных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие химической технологии высокомолекулярных веществ - неотъемлемая и существенная часть современной НТР. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветвленные, сетчатые и пространственные.
Молекулы линейных полимеров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рис. 1).
Рис.1. Схематическая
диаграмма вязкости термопластичных
полимеров в зависимости от температуры:
Т 1 – температура перехода из стеклообразного
в высоко эластичное состояние, Т 2 –
температура перехода из высокоэластичного
в вязкотекучее состояние.
Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «линейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более характерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность. Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под действием реагентов.
Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем линейные. Контролируемое разветвление цепей служит одним из основных промышленных методов модификации свойств термопластичных полимеров.
Сетчатая
структура характерна тем, что цепи
связаны друг с другом, а это
сильно ограничивает движение и приводит
к изменению как механических, так и
химических свойств. Обычная резина мягка,
но при вулканизации серой образуются
ковалентные связи типа S-0, и прочность
растет. Полимер может приобрести сетчатую
структуру и спонтанно, например, под действием
света и кислорода произойдет старение
с потерей эластичности и работоспособности.
Наконец, если молекулы полимера содержат
реакционно-способные группы, то при нагревании
они соединяются множеством прочных поперечных
связей, полимер оказывается сшитым, т.
е. приобретает пространственную структуру.
Таким образом, нагрев вызывает реакции,
резко и необратимо изменяющие свойства
материала, который приобретает прочность
и высокую вязкость, становится нерастворимым
и неплавким. Вследствие большой реакционной
способности молекул, проявляющейся при
повышении температуры, такие полимеры
называют термореактивными.
Рис.2.
Термопластичные
полимеры получают по реакции полимеризации,
протекающей по схеме пМ М п
(рис.2), где М - молекула мономера, М п -
макромолекула, состоящая из мономерных
звеньев, п - степень полимеризации. При
цепной полимеризации молекулярная масса
нарастает почти мгновенно, промежуточные
продукты неустойчивы, реакция чувствительна
к присутствию примесей и требует, как
правило, высоких давлений. Неудивительно,
что такой процесс в естественных условиях
невозможен, и все природные полимеры
образовались иным путем. Современная
химия создала новый инструмент - реакцию
полимеризации, а благодаря ему большой
класс термопластичных полимеров. Реакция
полимеризации реализуется лишь в сложной
аппаратуре специализированных производств,
и термопластичные полимеры потребитель
получает в готовом виде.
Реакционно-способные молекулы термореактивных полимеров могут образоваться более простым и естественным путем - постепенно от мономера к димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют реакцией поликонденсации; она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара) (рис. 2). Именно эта реакция реализуется в природе; она может быть легко осуществлена за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров предоставляет широкие возможности изготовлять различные изделия на нехимических предприятиях, в том числе на радиозаводах.
Независимо
от вида и состава исходных веществ
и способов получения материалы
на основе полимеров можно классифицировать
следующим образом: пластмассы, волокниты,
слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.
Я не буду особо заострять внимание на
всех этих продуктах, расскажу лишь о самых
широко используемых. Необходимо показать,
насколько велика потребность полимерных
материалов в наше время, а, следовательно,
и важность их переработки. Иначе проблема
была бы просто необоснованна.
- Свойства термопластичных полимеров
Свойства термопластичных (полимеризационных) полимеров обусловлены линейным строением их молекул. Так, при нагревании ослабевает взаимодействие между молекулами и полимер размягчается, вплоть до состояния вязкой жидкости. На этом свойстве термопластов основано формование изделий из этих полимеров, а также их сварка. Однако не все термопласты могут быть переведены в вязкотекучее состояние нагреванием. Это связано с тем, что температура термического разложения некоторых полимеров ниже температуры их текучести. В этом случае используются технологические приемы по снижению температуры текучести (например, введение пластификатора) и по предотвращению разложения полимера (введение стабилизатора и др.).
Способность термопластичных полимеров набухать и растворяться в некоторых растворителях также объясняется линейным строением молекул. Тип растворителя определяется химической природой полимера. Растворы полимеров даже малой концентрации (2... 5%) отличаются высокой вязкостью, что связано с большими размерами макромолекул полимеров в сравнении с молекулами низкомолекулярных веществ. После испарения растворителя полимер вновь отвердевает. На этом основано применение растворов термопластов в качестве клеев и вяжущих в мастиках и строительных растворах.
- Полиэтилен
Полиэтилен - один из наиболее распространенных полимеров, представляющий собой прозрачное роговидное вещество, жирное на ощупь. Плотность его колеблется в пределах от 910 до 970 кг/м3 (в зависимости от метода получения): при нагревании до 85... 90°С он размягчается, а при 105... 130°С - плавится. При поджигании полиэтилен горит с характерным запахом парафина; практически нерастворим ни в одном из растворителей при комнатной температуре; стоек по отношению к кислотам, щелочам, солям; водостоек; прочность при растяжении 20 ...40 МПа; эластичность сохраняется до -70°С.
К недостаткам полиэтилена относятся низкие теплостойкость и твердость, горючесть, слабая адгезия к минеральным материалам, клеям, склонность к старению под действием солнечного света, поражаемость грызунами.
Полипропилен по свойствам близок к полиэтилену, но превосходит его по теплостойкости (температура перехода в жидкое состояние 170°С) и механическим свойствам.
Полиэтилен и полипропилен применяют для изготовления труб, пленок, листов, пенопластов, погонажных, санитарно-технических и других изделий. Изделия из этих полимеров хорошо свариваются и подвергаются механической обработке.
Существуют два принципиально различающихся способа получения полиэтилена из мономера - этилена. Полимеризацию этилена по первому способу проводят при высоком давлении (1500-3000 атм). В этом случае получают полиэтилен низкой плотности (порядка 500 мономерных звеньев). Молекулы полиэтилена низкой плотности имеют разветвленную структуру, что показано на (рис. 3, а):
Рис. 3.
Структура полиэтилена: а- низкой плотности;
б- высокой плотности
Рис. 3.а. Полиэтилен разветвленного строения
Другим, более современным способом получения полиэтилена является полимеризация этилена при небольшом давлении (1 -10 атм) в присутствии особых катализаторов.
Таким образом получают полимер высокой плотности (порядка 10 000 мономерных звеньев). Особенностью этого процесса является получение молекул полимера линейной структуры (рис. 3.б):
Рис. 3.б. Полиэтилен линейного строения
Полиэтилен высокой плотности обладает значительно лучшей механической прочностью по сравнению с полиэтиленом низкой плотности.
Полиэтилен низкой плотности применяют для изготовления упаковочных материалов, пакетов для хранения пищевых продуктов или одежды.
Полиэтилен высокой плотности используют для изготовления детских игрушек, а также пакетов для молока, соков и жидких моющих средств.
Применение полиэтилена показано на (рис. 4):
Рис. 4. Применение полиэтилена: 1- трубы; 2-одноразовые шприцы; 3-детские игрушки; 4- детали механизмов; 5- пленка для парников;
6-предметы
домашнего обихода; 7- клейкая лента; 8-
пакеты
- Полиизобутилен
Полиизобутилен - мягкий, эластичный, каучукоподобный полимер, но в отличие от каучуков не способен вулканизироваться (превращаться в резину). По химической стойкости и прочности уступает полиэтилену и полипропилену, но превосходит их по эластичности и степени адгезии к бетону и другим материалам. Из полиизобутилена изготовляют герметизирующие мастики, клеи, пленки.
Полиизобутилен является продуктом полимеризации изобутилена молекулы которого, обладая двойной связью и асимметрией, легко полимеризуются. Длина цепей (молекулярная масса) полимера зависит в основном от условий полимеризации, чистоты и концентрации мономера и природы катализатора.
Полиизобутилен с молекулярной массой ниже 50 000 представляет собой жидкость, вязкость которой увеличивается с повышением степени полимеризации. В строительной технике применение находят в основном твердые полиизобутилсиы, обладающие средней молекулярной массой 100000-500000.
