Полимеры в машиностроении

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной  промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”. Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, и в то же время требовалось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.

 

 

Тефлон

 

Ближайшие родственники полиэтилена, сходные с ним по строению, подчас сильно отличаются от него по свойствам и приятно удивляют учёных новыми ценными качествами.

Если заменить все  атомы водорода в молекуле этилена  на атомы фтора, то этилен превратится в тетрафторэтилен, полимеризацией которого химики-технологи получили первую фторсодержашую пластмассу (фторопласт).

Политетрафторэтилен, названный впоследствии тефлоном, по многим механическим, физическим, химическим свойствам, как оказалось, превосходит не только полиэтилен, но и все остальные известные полимеры. Этот материал безразличен к действию любых растворителей и имеет необычно высокую температуру размягчения, равную 327 °С. А разложение тефлона начинается при рекордной для полимеров температуре — 425 °С!

Тефлон обладает непревзойдённой  химической стойкостью: он совершенно не горит, на него не действуют концентрированные кислоты и щёлочи, даже таким химическим агрессорам, как галогены, царская водка и фтороводородная кислота, тефлон «не по зубам». Недаром его образно назвали «алмазным сердцем в шкуре носорога».

Этот замечательный  материал незаменим при изготовлении химической аппаратуры для агрессивных сред, негорючей электроизоляции, а также подшипников и деталей, не требующих смазки. А ещё тефлоновой плёнкой покрывают металлическую посуду и гладящую поверхность утюгов. В сковороде с таким покрытием никогда не пригорит еда, а к утюгу ничего не прилипнет. Так что благородный и невозмутимый тефлон по праву считается пластмассой будущего.

Каучук, резина и другие

 

Помимо высокомолекулярных веществ семейства полиэтилена существует огромный класс полимеров, получаемых из сопряжённых диенов: бутадиена-1,3; 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена) и их аналогов.

В результате полимеризации  этих непредельных углеводородов образуются высокомолекулярные вещества, называемые каучуками:

натуральный изопреновый  каучук

синтетический бутадиеновый каучук

Природный каучук стал известен в Европе ещё в конце XV в. Первыми из европейцев его увидели участники второго путешествия Христофора Колумба в Америку (1493—1496 гг.). Тогда они узнали, что американские индейцы получают «слезы дерева» (на их языке «кау» означало «дерево», а «учу» — «течь», «плакать») из млечного сока тропического растения гевея и используют его для изготовления обуви, мячей, небьющейся посуды. Однако в Европе в течение долгого времени экзотический материал не находил никакого применения. Только в 1823 г. шотландский изобретатель Чарлз Макинтош (1766—1843) предложил пропитывать ткань смесью каучука с органическим растворителем. В результате был получен непромокаемый материал. Макинтош первым организовал производство таких тканей и пошив из них дождевых плащей. Правда, у этих плащей были весьма неприятные недостатки — они прилипали к телу в жаркую погоду и трескались в холодную.

В 1834 г. американский изобретатель Чарлз Гудьир (1800—1860) предложил вводить в каучук оксиды магния и кальция, а в 1839 г. изучил действие нагрева на смесь сырого каучука с оксидом свинца и серы. Полученный в результате новый материал назвали резиной (от греч. «резина» — «смола»), а процесс превращения каучука в резину при нагревании с серой — вулканизацией (по имени римского бога огня Вулкана).

Резина, в отличие от каучука, представляет собой сшитый полимер. Однако благодаря большому расстоянию между сшивками макромолекулы не теряют способности выпрямляться при растяжении и сворачиваться в клубки после снятия механической нагрузки. С другой стороны, сшивки не дают резине плавиться при нагревании и кристаллизоваться при охлаждении. Таким образом, резина, находясь в аморфном состоянии, сохраняет свои механические свойства в более широком диапазоне температур, чем каучук.

С развитием автомобилестроения в конце XIX в. резко возрос спрос на автомобильные шины, и резина, сочетающая эластичность с высокой механической прочностью, оказалась единственным подходящим материалом для их изготовления. Для производства шин с каждым годом требовалось всё больше резины, а следовательно, и натурального каучука. Тогда каучук получали по старинке — из млечного сока гевеи. Основ-

ными поставщиками этого  ценного природного полимера были тропические страны — Бразилия, английские и французские колонии в Юго-Восточной Азии. Для получения 1000 т растительного полимера необходимо было обработать 3 млн каучуконосных деревьев и затратить на это в течение года труд 5,5 тыс. человек.

Таким образом, необходимый  для изготовления резины натуральный  каучук был достаточно дорогим и  дефицитным материалом. По этой причине в первой половине XX в. химики настойчиво искали вещества, способные заменить каучук и синтезируемые из доступных дешёвых соединений.

Первой страной, освоившей  промышленное производство синтетического каучука, стал Советский Союз. В конце 20-х гг. русский химик Сергей Васильевич Лебедев (1874— 1934) занялся проблемой полимеризации бутадиена-1,3. Учёный и его коллеги нашли подходящий катализатор — им оказался металлический натрий. И в 1927 г. исследователь, проведя ионную каталитическую полимеризацию, получил первые образцы синтетического натрий-бутадиенового каучука:

Лебедев и его группа разработали также дешёвый способ получения бутадиена-1,3 из этилового спирта.

Промышленное производство бутадиенового каучука было налажено в 1932 г., когда вступили в строй опытные заводы в Ярославле и Воронеже.

В 1935 г. наступила новая эра в производстве синтетических каучуков — их стали делать из сополимеров, получаемых радикальной полимеризацией 1,3-бутадиена в присутствии стирола, акрилонитрила и других соединений. Сополимеры бутадиена начали быстро вытеснять другие каучуки в производстве автомобильных шин.

Наибольшее распространение  в этой области имеет бутадиен-сти-рольный  каучук — продукт радикальной сополимеризации бутадиена и стирола.

Он широко применяется  в производстве резины для легковых автомобилей, однако шины для грузовиков и самолётов по-прежнему делают из натурального или синтетического полиизопренового каучука.

В 1953г. благодаря открытию катализаторов Циглера — Натты учёным всё-таки удалось получить регулярные полибутадиен и полиизопрен, которые по прочности и эластичности превосходили все известные к тому времени синтетические каучуки.

Вскоре выяснилось, что  по составу и строению макромолекул регулярный полиизопрен тождествен натуральному каучуку, и химики реализовали свою давнюю мечту — получать в промышленном масштабе каучук гевеи.

Синтетические каучуки  в значительной степени вытеснили натуральный каучук; например, в 1985 г. в мире было произведено 12 млн тонн синтетического каучука и только 4 млн тонн натурального.

 

 

 

 

 

 

 

Фенолформальдегидные  смолы

В обычной жизни смолой называют густую тягучую жидкость, выступающую из надреза в коре сосны, ели и некоторых других деревьев. Раньше,

когда не было синтетических  смол, люди использовали только природные. Многие из них, например канифоль (от названия древнегреческого города Колофона в Малой Азии), копал (ископаемая смола), янтарь, натуральный каучук, имеют растительное происхождение, однако есть и такие смолы, которые производятся животными — в частности, шеллак.

Раньше природный шеллак был практически незаменимым материалом: из него делали граммофонные пластинки и другие предметы быта, а его спиртовой раствор использовали в качестве лака для дерева. Шеллак стоил очень дорого: европейцам приходилось завозить его из далёких

южных стран — Индии и Индокитая. Процесс получения шеллака из природного сырья был очень долгим и трудоёмким. Все эти причины заставили химиков в конце XIX в. заняться поисками материала, который смог бы заменить шеллак. И такой материал удалось найти. Им стала фенолформальдегидная смола — синтетическая смола, получаемая нагреванием смеси фенола с формальдегидом.

Реакция образования  фенолформальдегидной смолы впервые  была описана немецким учёным Адольфом Байером в 1872 г. В результате этой реакции молекулы формальдегида связывают между собой молекулы фенола, при этом выделяется молекула воды.

Формальдегид способен взаимодействовать с молекулами фенола по орто-и пара-положениям с образованием сетчатого полимера.

Главным недостатком  первой синтетической смолы была хрупкость. Кроме того, её синтез проводили при довольно высокой температуре (140—180 °С), и образующаяся вода выделялась в виде пара. Это приводило к возникновению вздутий и пустот.

 

Органическое  стекло

С древнейших времён человеку было известно стекло — твёрдый прозрачный термостойкий материал. К сожалению, оно очень хрупкое — все хорошо знают, как легко бьётся стеклянная посуда. И только в XX в. развитие химии полимеров позволило получить пластмассу, по свойствам похожую на неорганическое стекло, — полиметилметакрилат (ПММА). Это высокомолекулярное соединение образуется в результате радикальной полимеризации мономера — метилового эфира метакриловой кислоты.

В макромолекулах ПММА к  атому углерода присоединено два заместителя — полярная сложноэфирная и метильная группы. Силы притяжения между молекулами полимера чрезвычайно велики, и потому ПММА — один из самых жёстких пластиков: его можно пилить и обрабатывать на токарном станке.

Этот бесцветный прозрачный полимер при температуре более 110 °С размягчается и переходит в вязко-текучее состояние. Поэтому ПММА легко перерабатывается в различные изделия формованием и литьём под давлением. Полиметилметакрилат — один из наиболее термостойких полимеров: он начинает разлагаться только при температуре свыше 300 °С.

Лёгкие прозрачные листы, изготовленные из ПММА, а также ряда других полимеров (полистирола, поликарбоната и т. п.) химики-технологи назвали органическим стеклом (сокращённо — оргстекло или плексиглас). Главное достоинство этого материала — его высокая прочность. Она превосходит прочность обычного (силикатного) стекла в десятки раз: предметам из органического стекла не страшны удары. В отличие от обычного стекла, оргстекло хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи, необходимые растениям, и именно его предпочтительнее использовать для остекления теплиц. Однако такое стекло уступает обычному в твёрдости (острые предметы оставляют на нём царапины) и химической стойкости.

Благодаря уникальным свойствам  оргстекло прочно обосновалось в промышленности и в быту, потеснив в некоторых областях силикатное стекло. Оно широко применяется в военной технике, авиации, различных измерительных приборах, часовых механизмах. Этот материал оказался удобным и для изготовления светильников, реклам, дорожных знаков и безосколочного стекла «триплекс». А поскольку оргстекло практически безвредно для человеческого организма, оно нашло применение в качестве материала для зубных протезов и контактных линз. Так вот и сбылась многовековая мечта ремесленников-стекольшиков и химиков-технологов:

получено лёгкое, прочное, небьющееся стекло — стекло из органических соединений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия/Глав. ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2001. – 640 с.: ил.
2. И.Г. Хомченко ‘Общая химия’, М. ‘Химия’ 1987
3. Г.П. Хомченко ‘Химия для поступающих в Вузы’, М.’Высшая школа’ 1994

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экзаменационный реферат по химии

«Полимеры (волокна, пластмассы, биополимеры)» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил ученик 11 класса. А

Лицей-интернат № 7

Козлов Эдуард.

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель: Мануйлова Ирина Викторовна