Полимеры в машиностроении

 

Содержание

 

 

Историческая справка……………………………………………..……….………2

Строение и свойства полимеров………………………………………….…..3 - 5

Классификация полимеров………………………………………………….…….6

Получение………………………………………………………………….……7 - 9

Пластмассы………………………………………………………………….…..…..9

Волокна…………………………………………………………………………9 - 10

Биополимеры………………………………………………………………....10 - 13

Полимеры в сельском хозяйстве……………………………………….……13 - 14

Полимеры  в машиностроении………………………………………...…….14 - 17

Тефлон…………………………………………………………………..…….17 – 18

Каучук, резина и другие…………………………………………………..…18 - 19

Фенолформальдегидные  смолы……………………………………..……..……..20

Органическое стекло………………………………………………………….20 - 21

Список литературы………………………………………………………….……..22

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Историческая  справка.

 

Термин “полимерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 г. для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содержание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине XIX века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической  реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 г. (поливинилиденхлорид) и 1839 г. (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием  А.М.Бутлеровым теории химического  строения. А.М.Бутлеров изучал связь  между строением и относительной  устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах получила главным образом благодаря интенсивным поискам способов  синтеза  каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К Гарриес,  И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х годов XX века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря не ковалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся  группировок  (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями.

 

 

 

 

 

 

 

 

Строение и свойства полимеров

 

Макромолекулы полимеров  могут иметь различную геометрическую форму в зависимости от строения основной цепи.

1. Линейная (волокна, полиэтилен, сера пластическая).
2. Разветвленная (крахмал, полиэтилен высокого давления).
3. Пространственная (резина, фенолформальдегидные смолы, кварц)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Линейная                               Разветвленная                        Пространственная

 

 

 

 

 

Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям; способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавкие и неспособны к высокоэластичным деформациям.

 

Линейные полимеры могут  иметь как кристаллическую, так  и аморфную структуру. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфные строение характеризуется отсутствием упорядоченности. Разветвленные и пространственные полимеры, как правило, являются аморфными.

Аморфные полимеры могут  находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязко текучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20°С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообразное состояние;  полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном  состоянии  до  температуры  ее  разложения.  Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении  макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться, и размягчается при температуре около 80 °С.

    Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры с помощью света, радиации или «сшивания» под действием химических реагентов.

   По происхождению полимеры делятся на природные биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные) и синтетические (полиэтилен, полипропилен,  феноло-формальдегидные смолы). Физические свойства линейных и разветвленных полимеров очень зависят от межмолекулярного взаимодействия их макромолекул. Например, у целлюлозы они взаимодействуют между собой по всей длине, и поэтому ее волокна обладают высокой прочностью. Аналогично особо прочные волокна дают многие синтетические полимеры (полипропилен, полиэфиры, полиамиды), линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения. А вот разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками и поэтому не образуются прочных волокон.

    Полимеры, макромолекулы которых построены из звеньев одинаковой пространственной конфигурации или же из звеньев различной конфигурации, но обязательно чередующихся в цепи в определенном порядке, называют Стереорегулярными. Полимеры с произвольным чередованием звеньев различной пространственной конфигурации называют нестереорегулярными.

     Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с   низкомолекулярными   веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные  превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомолекулярными веществами часто лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность,   очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно  образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.

 

                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация полимеров

 

                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получение.

 

Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках  живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из растительного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонденсацией. Карбоцепные полимеры обычно синтезируют полимеризацией мономеров с одной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С=О, С=N, N=С=О) или непрочные гетероциклические   группировки.

 

 

Реакция полимеризации – это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.

  Реакции полимеризации  делится на реакции гомополимеризации соединение молекул одного мономера, относится реакция получения полипропилена

 

 

пропен (пропилен)                  полипропилен

 

 и на реакции сополимеризации – соединение молекул двух и более исходных веществ,

относится реакция получения бутадиен-стирольного каучука.

        бутадиен-1,3                                        стирол

 

 

                                         бутадиен-стирольный каучук

 

 

Реакция поликонденсации  – это химический процесс получения макромолекулы полимера, идущий с образования побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды).

В реакции поликонденсации  вступают молекулы мономера с функциональными  группами. Как и в случае полимеризации, процессы поликонденсации разделяют  на две группы: реакции гомополиконденсациии (из одного мономера)реакции сополиконденсации(из нескольких молекул).

К реакции гомополиконденсациии относится получения полисахаридов

 

               глюкоза                                   полисахарид

                                                             (крахмал, целлюлоза)        

К реакции сополиконденсации  относится получение фенолформальдегидной смолы.

 

       фенол                   формальдегид                                фенолформальдегидная смола

 

 

 

 

 

 

 

Пластмассы

Пластмассы называют материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные приобретать  при нагревание заданную форму и  сохранять ее после охлаждения.

       Как правило. Пластмасса – это смесь нескольких веществ; полимер – это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер называю связующим. Первые пластмассы получили на основе природных полимеров – производных целлюлозы, каучука и т.д. Потом в качестве связующих стали применять и синтетические полимеры -  фенолформальдегидные смолы, поли эфиры и т. д. Существуют пластмассы которые обратимо твердеют и размягчаются. Это термопласты, или термопластичные полимеры. Их можно рационально обрабатывать и перерабатывать методом литья под давлением, вакуумной формовки, профильным прессованием. К таким пластмассам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея приобретает сетчатое строение, то это вещество уже нельзя возвратить в вязкотекучее состояние нагреванием или растворением. Такие пластмассы называют реактопластами или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.

      Кроме  связующего полимера, в пластмассы  часто вводят добавки разного  назначения, наполнители, красители,  вещества, повышающие механические  свойства, термостойкость и устойчивость  к старению.