Получение полимеров методом полимеризации поликонденсации. Влияние способов получения на свойства

Общие сведения о высокомолекулярных соединениях

Тема 11. Технология высокомолекулярных соединений

Контрольные вопросы к теме Х

«Технология ОО и НХ синтеза»

1. Перечислите основные промышленные синтезы на основе синтез-газа и оксида углерода (II).

2. Какими свойствами обладает метанол?

3. За счет чего при синтезе метанола из синтез-газа достигается необходимая селективность процесса?

4. Какие технологические схемы используются в производстве мета­нола?

5. Перечислите важнейшие области использования метанола.

6. Из каких видов сырья может быть получен в промышленных масштабах этанол?

7. Объясните преимущества метода прямой гидратации этилена пе­ред методом сернокислотной гидратации в производстве синтети­ческого этанола.

8. Какие катализаторы используются при производстве этанола пря­мой гидратацией этилена в паровой фазе?

9. Что такое гидролизное производство? Почему оно является мало­отходным?

10. Из каких стадий состоит гидролизное производство этанола и чем катализируется каждая стадия?

11. Какие соединения относят к высшим синтетическим жирным кис­лотам (ВЖК) и спиртам (ВЖС)?

12. Укажите основные промышленные методы производства ВЖК и ВЖС.

13. Что общего в химизме получения ВЖК и ВЖС окислением алканов?

14. Каким образом в производстве ВЖС прерывают процесс окисления, не допуская деструкции молекулы алкана?

15. Что такое синтетические моющие средства и какова их связь с ВЖС, ВЖК?

Пластмассы, каучуки, химические волокна и полимерные композиционные материалы как основные виды полимерных материалов. Доля полимерных материалов в валовой химической продукции индустриально развитых стран. Способы осуществления реакций полимеризации в газовой фазе, в растворе, в суспензии, в эмульсии и блочная полимеризация. Преимущества и недостатки этих способов. Промышленное получение полиэтилена, полипропилена, полистирола, поливинилхлорида, а так же сополимеров на их основе. Сравнение различных технологических схем получения ПЭ (низкой и высокой плотности). Поликонденсационные процессы и их технологическое оформление. Феноло-формальдегидные и мочевино-альдегидные, наволачные и резольные смолы. Кремнийорганические полимеры. Полиуретаны. Основные свойства и области их применения. Химические волокна: искусственные на основе целлюлозы и синтетические. Основные приемы формирования волокон из растворов и расплавов. Свойства и области применения. Производство синтетических каучуков. Каучуки специального назначения. Переработка каучука в резину. Экологические аспекты производства полимерных материалов и изделий на их основе.

Вся окружающая нас живая и неживая природа построена из мо­лекул, которые в свою очередь состоят из атомов. Атомы, соединяясь между собой в различных соотношениях, образуют молекулы, которые отличаются друг от друга размерами, строением, химическим составом и свойствами.

Вещества, построенные из небольшого числа атомов, называются низкомолекулярными. Их молекулярный вес не превы­шает нескольких сотен единиц. Низкомолекулярными веществами являются соли, кислоты, щелочи, спирты и другие соединения.

В то же время многие вещества состоят из гигантских молекул, в состав которых входят тысячи, десятки и сотни тысяч атомов. Такие молекулы называют макромолекулами; их молекулярный вес достигает сотен и даже тысяч единиц. Например, молекулярный вес молекул, входящих в состав натурального каучука, составляет 136 000-340 000.

Соединения, построенные из макромолекул, называют высоко­молекулярными или полимерами.

Полимеры по происхождению подразделяют на природные и син­тетические.

К природным, т. е. естественным, полимерам относятся целлюлоза, входящая в состав древесины, хлопка и других растений; белки, входящие в состав живых организмов; натуральный каучук и др.

Синтетические полимеры получают искусственно, путем химического синтеза; они входят в состав пластических масс, синтетических каучуков, химических волокон, лаков и др.

Состав и свойства полимеров. Молекулы полимеров представляют собой длинные цепи, в которых чередуются одинаковые звенья. Если обозначить эти звенья буквой А, то молекулу полимера можно представить так:

В синтетических полимерах эти звенья являются остатками молекул исходных соединений, состоящих всего из нескольких атомов. Эти исходные соединения называются мономерами. Например, этилен СН 2 СН 2 - мономер для получения высокомолекулярного соединения, называемого полиэтиленом. При образовании полимера у молекул этилена двойная связь между, атомами углерода раскрывается, и за счет образующихся свободных валентностей углерода большое число получившихся из мономера звеньев соединяется друг с другом. Схематически это можно представить следующим образом:

На схеме показано только три звена в составе полимера, факти­чески количество их в полиэтилене от 1000 до 10 000, а молекулярный вес такого полимера колеблется от 28 000 до 280 000.

Из приведенной схемы видно, что как в мономере, так и в полимере на один атом углерода приходятся два атома водорода, т. е. элементарный со­став получаемого полимера одинаков с мономером.

С изменением числа связанных между собой молекул мономера про­исходит изменение свойств получаемых полимеров. Так, полиэтилен по мере увеличения молекулярного веса ста­новится более вязким, затем пастообразным и, наконец, твердым. Свойства полимеров зависят также от химическо­го состава мономеров, формы цепей мо­лекул и их строения (структуры поли­мера).

В макромолекуле линейной структуры элементарные звенья образуют нитевидную молекулу, т. е. каждое звено связано только с двумя соседними звеньями (рис. а ). Ните­видные (линейные) макромолекулы мо­гут быть расположены в полимере парал­лельно друг другу (рис. б ) или пе­реплетаться без химической связи от­дельных макромолекул (рис. в ). Они могут быть изогнутыми, свернутыми в клубок (рис. г, д) и т. д. Макромоле­кулы линейной структуры характерны для полиэтилена, полипропилена, цел­люлозы, полиэфиров, полиамидов и многих других высокомолекулярных соединений, широко используемых для получения волокон, пленок, пластмасс, резины. Эти полимерные материалы, как правило, прочны, эластичны, способны растворяться и плавиться при нагревании.

Макромолекулы разветвленной структуры имеют боковые ответвления от основной цепи (рис.е ). Полимеры с разветвленной структурой молекул растворяются и плавятся труднее, чем линейные.

Макромолекулы с сетчатой структурой построены следующим образом: длинные цепи молекул связаны друг с другом короткими цепями в трех измерениях, что на рисунке изобразить трудно. Обычно такую структуру полимерных молекул изображают в виде соединенных между собой линейно построенных больших мо­лекул (рис ж ). При этом всегда имеется в виду, что линейные мо­лекулы химически связаны с молекулами, расположенными над пло­скостью и за плоскостью бумаги. Такую структуру молекул назы­вают также пространственной или трехмерной. Чем больше число «мостиков» в такой макромолекуле, тем менее эластичен полимер и у него в значительной степени проявляются свойства твер­дого тела.

Структура цепей полимерных молекул может быть различной. В одних случаях образуются полимерные молекулы, у которых эле­ментарные звенья имеют различное пространственное расположение боковых групп, в других - строго регулярное пространственное расположение. Полимеры со строго регулярной структурой молекул называются изотактическими. Такого типа полимеры об­ладают высокой твердостью и теплостойкостью.

Молекулы полимеров могут состоять не из одинаковых звеньев. Они могут быть получены из разных мономеров, например А и Б. Тогда макромолекула может быть изображена так:

Такие высокомолекулярные соединения называются сополиме­рами. Они совмещают в себе характерные свойства полимеров, полученных из каждого компонента в отдельности.

Таким образом, удается придавать полимерам некоторые специ­фические свойства, например, получать каучуки с повышенной бензо-и маслостойкостью, химической стойкостью и т. д.

Представляют интерес так называемые привитые сополи­меры. Цепи их молекул построены по следующей схеме:

Такой полимер можно сравнить с плодовым деревом, к которому привит другой сорт плодового дерева. В результате такой «прививки» получают плоды, сочетающие в себе наиболее ценные качества обоих сортов. В привитом сополимере один полимер привит к «стволу» другого полимера. Полученный «гибрид» обладает свойствами исходных веществ. Таким образом, удается получать полимеры, сочетающие например, высокие электроизоляционные свойства с огнестойкостью и устойчивостью к бензину и маслам.

Макромолекулы могут быть построены из «блоков» сравнительно невысокого молекулярного веса, полученных из различных мономе­ров. Схема такого блок-сополимера имеет вид:

Блок-сополимеры также сочетают в себе свойства исходных поли­меров.

До сих пор элементарные звенья в макромолекуле обозначали ус­ловно А и Б. Видно, что в основе органи­ческих полимеров лежит углерод, атомы которого соединились между собой, образуя «скелет» молекулы, обрамленный атомами водорода. Вместо атомов водорода могут быть группы атомов, в которых наряду с атомами углерода могут присутствовать атомы других элементов.

Если скелет молекул полимеров построен из атомов углерода, их называют карбоцепными. Существуют молекулы, в скеле­те которых атомы углерода периодически чередуются с атомами других элементов, например:

Такие полимеры называют гетероцепными.

Поведение полимеров при нагревании зависит от структуры моле­кул. Линейные и разветвленные полимеры при нагревании размягча­ются, при последующем охлаждении переходят в твердое состояние. Такие полимеры называются термопластичными. Полиме­ры, молекулы которых имеют пространственную структуру, не пла­вятся при нагревании: их называют термореактивными.

Температура перехода полимера из твердого состояния в эластич­ное (или наоборот) называется температурой стеклова­ния, температура перехода в текучее состояние - температурой текучести.

Полимеры могут быть или полностью аморфными веществами - аморфные полимеры, или веществами, содержащими кри­сталлические и аморфные области, - кристаллические по­лимеры. По видам деформаций, которые возникают в полимерах под влиянием внешних условий при комнатной температуре, их под­разделяют на твердые полимеры, эластичные по­лимеры, или эластомеры, и текучие полимеры.

Таким образом, изменяя величину получаемой макромолекулы, ее молекулярный вес и форму, составляя макромолекулу из различ­ных исходных мономеров, прививая к одной макромолекуле цепочку полимера из звеньев, образованных другим мономером, можно в ши­рокой степени изменять физические и химические свойства полиме­ров, получать их с заранее обусловленными свойствами, изменять их физическое состояние, делать жидкими, твердыми, пластичными и эластичными.

Полимеры обладают малой плотностью (самые легкие пластические массы в 800 раз легче стали), высокой механической прочностью (превышает прочность дерева, стекла, керамики), высокими термо-, звуко- и электроизоляционными свойствами, высокой химической стой­костью, прекрасными оптическими свойствами, они способны поглощать и гасить вибрации, образовывать чрезвычайно тонкие пленки и волокна, они легко поддаются обработке и переработке в изделия. Ценные свойства полимеров обусловили их широкие использование в различных отраслях народного хозяйства: в машиностроении, строи­тельстве, автомобильной, авиационной, атомной, космической и дру­гих отраслях техники, для изготовления тканей, искусственной кожи, предметов домашнего обихода, в медицине и т. д.

Производство полимерных материалов у нас в стране развивается очень быстрыми темпами, превышающими темпы роста всей промыш­ленности и других отраслей химической промышленности.

Полимеры могут быть получены методами полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация. Метод полимеризации заключается в том, что молекулы мономеров под воздействием нагревания, катализаторов, γ-лучей, света, инициаторов соединяются между собой в молекулы больших размеров. При этом образуются макромолекулы линейной, разветвленной, сетчатой структуры, молекулы сополимеров, привитых сополимеров.

Скорость полимеризации и молекулярный вес полимера зависят от температуры, давления, активности катализатора и т. д.

Существуют следующие способы полимеризации: в массе (блоч­ный способ), в эмульсиях, в растворе и так называемая суспензионная, полимеризация.

Полимеризация в массе происходит в аппарате (автоклаве),
куда подается исходный мономер с катализатором или инициатором - веществом, которое вступает в реакцию с мономером и ускоряет по­лимеризацию. В начале полимеризации реагирующую массу подог­ревают, затем подогрев прекращают, так как полимеризация сопровождается выделением тепла. Для поддержания определенной температуры в аппарате в процессе полимеризации иногда прибегают к охлаждению реагирующей массы. По окончании полимеризации из аппарата извлекают сплошную массу, полимера в виде блока. Процесс полимеризации может быть как периодическим, так и непрерывным.
При полимеризации в массе трудно обеспечить одинаковую температуру во всей реагирующей массе, поэтому получаемый полимер состоит из макромолекул, имеющих различную степень полимеризации. Этим методом получают полистирол, полимеры метакриловой кислоты, бутадиеновый каучук и др.

Эмульсионный способ полимеризации за­ключается в том, что мономер смешивается с инициатором и эмульгатором и превращается при помощи мешалок в мельчайшие капельки взвешенные в другой жидкости, чаще всего в воде. (Эмульгаторы - вещества, препятствующие слиянию капель жидкости.) Полученные эмульсии нагреваются до температуры, при которой происходит полимеризация мономера. При этом тепло, выделяемое в процессе полимеризации, отводится легко и образующийся полимер более одноро­ден, чем полученный блочным методом. Недостаток способа заключает­ся в трудности отделения эмульгатора от полимера. Этим способом получают сополимеры бутадиена, винилацетата, акрилонитрила и др.

Полимеризация в растворе осуществляется в раст­ворителе, смешивающемся с мономером и растворяющем образующий­ся полимер. Из полученного раствора полимер выделяют испарением растворителя или осаждением. Полимеризацию проводят также в раст­ворителе, растворяющем мономер, но не растворяющем полимер. В данном случае полимер выпадает в осадок, который отфильтровы­вают. По этому способу получают поливинилацетат, полибутилакрилат и др.

Суспензионный способ предусматривает измельчение (диспергирование) мономера в виде капель в плохорастворяющей среде, обычно в воде. Полимеризация протекает в каждой капле моно­мера. Образующийся полимер в виде твердых частиц, не растворяю­щихся в воде, осаждается и отделяется от жидкости фильтрованием.

Поликонденсация. Метод заключается в том, что соединение между собой молекул мономеров происходит при реакции между ними, иду­щей с выделением побочных продуктов. Например, обозначим молекулу одного из реагирующих веществ через а-А-а, а вторую б-Б-б. Схема реакции между ними может быть представ­лена следующим образом:

Из реагирующих молекул образовалась молекула вещества а-А-Б-б и при этом выделилось вещество а-б. Молекула вещества а-А-Б-б может дальше вступать в реакцию с мономерами. Благодаря присоединению новых молекул мономера происходит рост полимерной цепи. При этом присоединение каждой новой молекулы сопровождается выделением вещества а-б.

В результате по химическому составу полимерные молекулы не­сколько отличаются от исходных мономеров.

В процессе поликонденсации получаются полимеры, имеющие ли­нейную, а также сетчатую структуру.

Процесс поликонденсации экзотермический, и поэтому, исходя из принципа Ле-Шателье, для сдвига равновесия слева направо не­обходимо проводить процесс при низкой температуре. Однако для уве­личения скорости процесса необходимо повысить температуру. Поэто­му для увеличения скорости поликонденсации вначале процесс про­водят при повышенной температуре, а затем ее постепенно снижают для сдвига равновесия реакции и тем самым получают продукт с более высоким молекулярным весом.

Поликонденсацию осуществляют как в присутствии катализатора, так и без него. Ее проводят в расплаве, растворе и на границе разде­ла двух фаз.

Поликонденсация в расплаве осуществляется при высокой температуре (220-280° С) в реакторе в атмосфере инертного газа. Таким образом обеспечивают высокую скорость процесса и уда­ление низкомолекулярных продуктов.

При поликонденсации в растворе мономеры раст­ворены в растворителе - реакция протекает с небольшой скоростью, не обеспечивается удаление низкомолекулярных продуктов. Этот способ не используется в промышленности.

Поликонденсация на границе раздела фаз заключается в том, что имеются две несмешивающиеся жидкости, в каждой из которых растворены исходные мономеры. Реакция поликон­денсации мгновенно протекает на границе раздела фаз с образованием пленки полимеров. Таким образом, продукты реакции выводятся из сферы реакции, что способствует протеканию реакции с высокой ско­ростью. При удалении пленки поверхность раздела фаз освобождает­ся и реакция продолжается.

Подавляющее большинство высокомолекулярных соединений получают в резуль­тате реакций полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация

Полимеризация - это процесс получения полимеров, при котором построение макромолекул происходит путем последовательного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Для полимеризации обязательными являются стадии инициирования и роста цепи.

Инициирование - это превращение небольшой доли молекул мономера М в активные центры AM*, способные присоединять к себе новые молекулы мономера. С этой целью в систему вводят возбудители (инициаторы I или катализаторы) полимеризации. Инициирование полимеризации можно представить таким образом:

Если в полимеризации участвует один мономер, то получают гомополимеры, если два или более - то сополимеры. В зависимости от природы активного центра различают радикальную и ионную полимеризацию и сополимеризацию.

Радикальная полимеризация

Радикальная полимеризация всегда протекает по цепному механизму. Функции активных промежуточных продуктов при радикальной полимеризации выполняют свободные радикалы. К числу распространенных мономеров, вступающих в радикальную полимеризацию, относятся винильные мономеры: этилен, винилхлорид, винилацетат, винилиденхлорид, тетрафторэтилен, акрилонитрил, метакрилонитрил, метилакрилат, метилметакрилат, стирол и диеновые мономеры (бутадиен, изопрен, хлоропренидр.).

Радикальной полимеризации свойственны все признаки цепных реакций, известных в химии низкомолекулярных соединений (например, взаимодействие на свету хлора и водорода). Такими признаками являются: резкое влияние незначительного количества примесей на скорость процесса, наличие индукционного периода и проте­кание процесса через последовательность трех зависящих друг от друга стадий - образование активного центра (свободного радикала), рост цепи и обрыв цепи. Принципиальное отличие полимеризации от простых цепных реакций заключается в том, что на стадии роста кинетическая цепь воплощается в материальную цепь растущего макрорадикала, и эта цепь растет до образования макромолекулы полимера.

Инициирование радикальной полимеризации сводится к созданию в реакционной среде свободных радикалов, способных начать реакционные цепи. Стадия инициирования включает две реакции: возникновение первичных свободных радикалов инициатора R* (1а) и взаимодействие свободного радикала с молекулой мономера (16) с образованием радикала М*:

Реакция (1б) протекает во много раз быстрее, чем реакция (1а). Поэтому скорость инициирования полимеризации определяет реакция (1а), в результате которой генерируются свободные радикалы R*. Свободные радикалы, представляющие собой частицы с неспаренным электроном, могут образовываться из молекул под влиянием физического воздействия - теплоты, света, проникающей радиации, когда в них накапливается энергия, достаточная для разрыва π-связи. В зависимости от вида физического воздействия на мономер при инициировании (образование первичного радикала М*) радикальную полимеризацию подразделяют на термическую, радиационную и фотополимеризацию. Кроме того, инициирование может осуществляться за счет распада на радикалы специально вводимых в систему веществ - инициаторов. Этот способ называется вещественным инициированием.

Термическое инициирование заключается в самоинициировании при высоких тем­пературах полимеризации чистых мономеров без введения в реакционную среду специальных инициаторов. В этом случае образование радикала происходит, как правило, вследствие разложения небольших количеств пероксидных примесей, которые могут возникать при взаимодействии мономера с кислородом воздуха. На практике таким путем получают так называемый блочный полистирол. Однако широкого распространения метод термического инициирования полимеризации не нашел, поскольку он требует больших затрат тепловой энергии, а скорость полимеризации в большинстве случаев невелика. Ее можно увеличить, повышая температуру, но при этом снижается молекулярная масса образующегося полимера.

Фотоинициирование полимеризации происходит при освещении мономера светом ртутной лампы, при котором молекула мономера поглощает квант света и переходит в возбужденное энергетическое состояние. Соударяясь с другой молекулой мо­номера, она дезактивируется, передавая последней часть своей энергии, при этом обе молекулы превращаются в свободные радикалы. Скорость фотополимеризации рас­тет с увеличением интенсивности облучения и, в отличие от термической полимери­зации, не зависит от температуры.

Радиационное инициирование полимеризации в принципе аналогично фотохимическому. Радиационное инициирование состоит в воздействии на мономеры излучений высокой энергии (γ-лучи, быстрые электроны, α- частицы, нейтроны и др.). Преимуществом фото- и радиационно-химического способов инициирования является возможность мгновенного «включения и выключения» излучения, а также проведение полимеризации при низких температурах.

Однако все эти способы технологически сложны и могут сопровождаться протеканием в получаемых полимерах побочных нежелательных реакций, например деструкции. Поэтому на практике чаще всего используют химическое (вещественное) инициирование полимеризации.

Химическое инициирование осуществляется введением в среду мономера низко­молекулярных нестойких веществ, имеющих в своем составе связи с низкой энергией - инициаторов, легко распадающихся на свободные радикалы под влиянием теплоты или света. Наиболее распространенными инициаторами радикальной полимеризации являются пероксиды и гидропероксиды (пероксид водорода, перок- сид бензоила, гидропероксиды mpem -бутила и изопропилбензола и др.), азо- и диазосоединения (динитрил азобисизомасляной кислоты, диазоаминобензол и др.), персульфаты калия и аммония. Ниже представлены реакции распада некоторых инициаторов.

Пероксид трет-бутила (алкилпероксид):

Активность и возможность применения инициаторов радикальной полимеризации определяется скоростью их разложения, которая зависит от температуры. Выбор конкретного инициатора обусловливается той температурой, которая необходима для проведения синтеза полимера. Так, динитрил азобисизомасляной кислоты применяют при 50-70 °С, пероксид бензоила - при 80-95°С, а пероксид трет- бутила - при 120-140°С.

Эффективными инициаторами, позволяющими проводить процесс радикальной полимеризации при комнатной и пониженной температурах, являются окислительно-восстановительные системы. В качестве окислителей используют обычно пероксиды, гидропероксиды, персульфаты и др. Восстановителями являются соли металлов переменной валентности (Fe, Со, Сu) в низшей степени окисления, сульфиты, амины и др.

Реакция окисления-восстановления проходит в среде, содержащей мономер, с образованием инициирующих полимеризацию свободных радикалов. Можно подобрать пары окислитель-восстановитель, растворимые в воде (например, пероксид водорода-сульфат железа (II)) или в органических растворителях (например, пероксид бензоила - диметиланилин). В соответствии с этим радикальную полимеризацию можно инициировать как в водных, так и в органических средах. Например, распад пероксида водорода в присутствии солей железа (II) может быть представлен следу­ющими уравнениями:

Радикалы НО* и НОО*, присоединяясь к молекуле мономера, инициируют радикальную полимеризацию.

Рост цепи осуществляется последовательным присоединением молекул мономера к радикалам (2), возникшим при реакции (1б), например:

В цепном процессе радикальной полимеризации рост кинетической цепи происходит практически мгновенно с образованием материальной цепи макрорадикала и заканчивается ее обрывом.

Обрыв цепи представляет собой процесс прекращения роста кинетической и материальной цепей. Он приводит к исчезновению в системе активных радикалов или к замене их малоактивными радикалами, не способными присоединять молекулы мономера. На стадии обрыва образуется макромолекула полимера. Обрыв цепи может происходить по двум механизмам:

два растущих макрорадикала, соударяясь, соединяются друг с другом в единую цепь, то есть рекомбинируют (За);

макрорадикалы, соударяясь, превращаются в две макромолекулы, причем один из них отдавая протон, превращается в макромолекулу с двойной С=С-связью на конце, а другой, принимая протон, образует макромолекулу с простой концевой С-С-связью; такой механизм называют диспропорционированием (3б):

При обрыве цепей рекомбинацией остатки инициатора находятся на обоих концах макромолекулы; при обрыве цепей диспропорционированием - на одном конце.

По мере роста цепей макрорадикалов увеличивается вязкость системы и уменьшается их подвижность, вследствие чего обрыв цепей затрудняется и общая скорость полимеризации возрастает. Это явление известно как гель-эффект. Гель-эффект обусловливает повышенную полидисперсность полимеров, что обычно приводит к ухудшению их механических свойств. Ограничение материальных цепей при ради­кальной полимеризации может происходить также путем присоединения макрора­дикала к первичному радикалу (обрыв на инициаторе) и в результате реакций передачи цепи.

Передача цепи заключается в отрыве растущим макрорадикалом подвижного атома от молекулы какого-либо вещества - растворителя, мономера, полимера, примесей. Эти вещества называются передатчиками цепи. В результате макрорадикал превращается в валентно-насыщенную макромолекулу и образуется новый радикал, способный к продолжению кинетической цепи. Таким образом, при реакциях передачи материальная цепь обрывается, а кинетическая - нет.

Реакцию передачи цепи на растворитель (например, четыреххлористый углерод) можно представить следующим образом:

Образующиеся при этом из молекул растворителя свободные радикалы могут присоединять молекулы мономера, то есть продолжать кинетическую цепь:

Если их активность отличается от активности первичных радикалов, то изменяется и скорость полимеризации.

При передаче цепи на полимер образуются разветвленные макромолекулы:

Вероятность передачи цепи на полимер возрастает при высокой конверсии мономера, когда концентрация макромолекул в системе велика.

Роль агента передачи цепи в некоторых случаях может играть сам мономер, если его молекулы содержат подвижный атом водорода. В таком случае растущий радикал не присоединяет к себе новую молекулу мономера по двойной связи, а отрывает у нее подвижный атом водорода, насыщая свою свободную валентность и одновременно превращая молекулу мономера в мономерный радикал. Это имеет место при полимеризации винилацетата:

Реакции передачи цепи па растворитель лежат в основе получения теломеров. Если полимеризацию какого-либо мономера проводить при высоких концентрациях растворителя, молекулы которого содержат подвижные атомы водорода или галогена, то продуктом реакции будут вещества с невысокой молекулярной массой, состоящие из нескольких мономерных звеньев, содержащих по концам фрагменты молекул растворителя. Эти вещества называют теломерами, а реакцию их получения - теломеризацией.

Реакции передачи цепи могут быть использованы для регулирования молекулярной массы полимеров и даже для предотвращения их образования. Этим широко пользуются на практике, часто применяя при полимеризации передатчики-регуляторы цепи, а при хранении мономеров - ингибиторы.

Регуляторы цепи - это вещества, которые обрывая растущие цепи полимера, практически не влияют при этом на общую скорость процесса. Типичными регуляторами цепи являются меркаптаны, содержащие подвижный атом водорода в меркаптогруппе. Передачу цепи на них можно представить следующим образом:

Полимеры, синтезированные в присутствии регуляторов цепи, отличаются оптимальным для переработки значением средней молекулярной массы и ММР.

Ингибиторы - это вещества, которые обрывают растущие цепи полимера, превращаясь при этом в соединения, не способные инициировать полимеризацию. В качестве ингибиторов обычно используют вещества, передача цепи на которые приводит к образованию неактивных (стабильных) радикалов. На практике для ингибирования радикальной полимеризации и хранения мономеров часто применяют гидрохинон, бензохинон, ароматические амины, нитробензол.

Кинетика радикальной полимеризации

Теоретические и практические сведения о влиянии различных факторов на радикальную полимеризацию, а именно конверсию мономера и, соответственно, выход полимера, его молекулярные параметры (молекулярная масса, полидисперсность и ММР) могут быть получены при изучении закономерностей развития этого про­цесса во времени, то есть его кинетики. Из трех основных элементарных стадий - инициирования, роста и обрыва цепи - самой медленной и энергоемкой является инициирование. Для ее начала требуется энергия активации 84-126кДж/моль, что в 3-4 раза превышает энергию активации стадии роста цепи и почти в 10 раз энергию активации стадии обрыва.

Инициатор характеризуется эффективностью. Рассмотрим подробнее стадию распада инициатора на радикалы.

Инициатор распадается на два радикала, которые могут дать начало двум кинетическим цепям. Однако радикальная пара находится в окружении молекул среды, которые создают плотное окружение, называемое клеткой. Плотность среды препятствует быстрому диффузионному разделению радикальной пары, поэтому часть радикалов гибнет путем рекомбинации без выхода в объем.

Эффективность инициирования (вероятность зарождения цепей) выражается следующим уравнением:

Для определения δ используют ингибиторный метод. Особенно важно учитывать δ в средах с низкой молекулярной подвижностью, где выход радикалов из клетки мал. Это хорошо иллюстрирует следующий пример. При переходе от жидкого этилбензола с высокой молекулярной подвижностью к полистиролу с чрезвычайно низкой молекулярной подвижностью эффективность инициирования уменьшается в 20 раз: с 0,6 до 0,03.

Общая скорость радикальной полимеризации V равна скорости расходования мономера М при взаимодействии его с растущим радикалом.

Исходя из закона действующих масс, скорость каждой элементарной реакции v процесса полимеризации можно представить следующими уравнениями:

где v и и k и , v p и k p , v 0 и k o - скорость и константа скорости реакций инициирования, юста и обрыва цепи соответственно; [I], [М*], [R], [М] - концентрации инициатора, радикалов, растущих радикалов и мономера соответственно.

Так как число мономерных молекул, участвующих при инициировании в реакции с первичным радикалом, очень мало по сравнению с числом молекул мономера, участвующих в росте цепи (инициатор обычно вводится в количестве до 1 % от массы мономера), концентрацию мономера можно считать постоянной, и тогда

При радикальной полимеризации через несколько секунд после начала реакции устанавливается стационарный режим процесса: радикалы возникают при инициировании и исчезают при обрыве с одинаковой скоростью, то есть v u = v o а d/dt = 0. Тогда [М*] = (k и /k o) 1/2 [I] 1/2 и уравнение общей скорости полимеризации принимает вид:

Уравнение (9) справедливо в начальной стадии полимеризации, когда конверсия мономера и выход полимера невысоки (10-15 %).

Молекулярная масса полимера так же, как и степень полимеризации п, определяется длиной кинетической цепи, которая зависит от соотношения скоростей реакций обрыва и роста цепи

Чем больше v p по сравнению с v o , тем больше молекул мономера успевает присоединиться к растущему радикалу до обрыва цепи, тем больше длина цепи. Учитывая уравнение (9) и условие стационарности процесса, получают

Физический смысл уравнений (9) и (11) заключается в следующем. Молекулярная масса полимера и скорость радикальной полимеризации находятся в прямой зависимости от концентрации мономера, повышение которой вызывает ускорение процесса и увеличение длины цепных молекул. Подобным образом на скорость и мо­лекулярную массу полимера влияет увеличение давления, так как сжатие сближает реагирующие молекулы, облегчая процесс полимеризации.

С увеличением концентрации инициатора в системе растет число радикалов. Эти радикалы реагируют с большим числом молекул мономера, увеличивая тем самым скорость превращения их в макрорадикалы, то есть скорость полимеризации. Но увеличение концентрации радикалов способствует повышению вероятности их столкновения, то есть возрастанию скорости обрыва цепи полимеризации. Это приводит к снижению молекулярной массы полимера.

Аналогичным образом на кинетику радикальной полимеризации влияет температура. Обычно скорость полимеризации возрастает в 2-3 раза при повышении температуры на 10°С. Повышение температуры облегчает распад инициатора на радикалы, вместе с тем возрастает подвижность всех частиц системы - молекул и радикалов, - следовательно, увеличивается вероятность столкновения частиц. Это приводит к тому, что возрастают скорости реакций роста и обрыва цепи. Таким образом, с повышением температуры всегда общая скорость полимеризации увеличивается, а молекулярная масса полимера уменьшается, возрастает доля низкомолекулярных фракций. Повышение температуры способствует одновременно образованию разветвленных макромолекул, нарушению химической регулярности построения полимерной цепи, так как увеличивается вероятность вхождения мономеров в цепь по принципу «голова-голова» или «хвост-хвост».

На скорость полимеризации и молекулярную массу полимера существенное влияние оказывают различные примеси и кислород воздуха, причем кислород в зависимости от природы мономера и условий полимеризации может ускорять или замед­лять полимеризацию. Кислород замедляет фотополимеризацию винилацетата, но ускоряет фотополимеризацию стирола, ингибирует инициированную пероксидом бензоила полимеризацию винилхлорида, которая с хорошим выходом полимера и высоким значением молекулярной массы протекает в атмосфере азота или аргона. Поэтому для получения полимеров используют мономеры высокой степени чистоты (~ 99%) и проводят технологический процесс в атмосфере инертного газа.

Методом радикальной полимеризации по сей день получают большинство современных синтетических полимеров. Несмотря на явные преимущества этого метода перед ионной полимеризацией (мягкие условия синтеза, широкий круг мономеров и т. д.), его существенный недостаток состоит в том, что он не позволяет получать узкодисперсные гомо- и сополимеры с заданной молекулярной массой и структурой.

Интенсивные исследования во всем мире последнего десятилетия показали, что эти задачи могут быть решены с помощью нетрадиционных радикальных процессов, объединенных общим названием «псевдоживой радикальной полимеризации». В этих процессах возникшие из целевого мономера макромолекулы взаимодействуют со специально вводимыми стабильными добавками - агентами обратимой передачи цепи. Образующиеся при этом макромолекулы способны «оживать» и регене­рировать радикалы роста, которые снова могут участвовать в реакции роста цепи вплоть до следующего акта ее ограничения путем обрыва или передачи. В таких процессах реакция квадратичного обрыва макрорадикалов, свойственная классической радикальной полимеризации, перестает играть заметную роль. Многократно же повторяющиеся стадии ограничения (обрыва) и «оживления» цепей обеспечивают последовательный рост макромолекул по ходу полимеризации и уменьшение ширины ММР. Наиболее распространенными агентами обратимой передачи цепи (ОПЦ) являются серосодержащие соединения общей формулы

где Z - стабилизирующая группа, Y - уходящая группа.

Они позволяют осуществлять контролируемый синтез полимеров и сополимеров на практике уже сейчас. Вместе с тем научное теоретическое толкование меха­низма ОПЦ при полимеризации - требует осмысления.

Ионная полимеризация

Полимеры можно получать не только реакциями цепной радикальной полимеризации, но и цепными реакциями, в которых растущая цепь является не свободным макрорадикалом, а макроиопом. Такой способ получения полимеров называется ионной полимеризацией , а вещества, диссоциирующие на ионы и возбуждающие полимеризацию мономеров по ионному механизму, называются катализаторами.

В зависимости от знака заряда растущего макрорадикала различают катионную и анионную полимеризацию. При катионной полимеризации на атоме углерода конца растущей цепи (карбокатиоие) находится положительный заряд К(М) n М + . Заряд возникает на стадии инициирования и исчезает при обрыве или передаче цепи. При анионной полимеризации заряд растущего макроиона (карбаниона) отрицателен А(М)nМ ¯ .

При ионной полимеризации можно выделить те же элементарные стадии, кинетически связанные между собой, что и при радикальной: инициирование, рост, обрыв и передачу цепи. Полимеризация под влиянием ионных катализаторов обычно происходит с большими, чем при радикальной, скоростями и приводит к получению полимера большей молекулярной массы. Реакционная система в случае ионной по­лимеризации часто является гетерогенной (неорганический или металлоорганический твердый катализатор и жидкий органический мономер). Кинетика ионной полимеризации, в отличие от радикальной, не может быть описана единым уравнением.

К ионной относят также полимеризацию, происходящую путем координации мономера на поверхности твердого катализатора (координационно-ионная полимеризация). Поверхность катализатора в этом случае играет особую роль матрицы, которая задает определенный порядок вхождения мономера в растущую цепь с упорядоченным пространственным расположением мономерных звеньев. Коордипационно-ионной полимеризацией получают все стереорегулярные полимеры.

Катионная полимеризация

Катализаторами катионной полимеризации являются сильные электроноакцепторные соединения. Типичными катализаторами являются протонные кислоты (H 2 SО 4 , НС1О 4 , Н 3 РО 4 и др.) и апротонные кислоты (BF 3 , ZnCl 2 , А1С1 3 , TiCl 4 и др.). Последние проявляют активность в присутствии небольших количеств воды или других веществ - доноров протонов, называемых сокатализаторами.

В катионную полимеризацию легко вступают мономеры винилового и дивинилового рядов, содержащие злектронодонорные заместители у двойной С=С-связи, например, пропилен, α-метилстирол, эфиры акриловой и метакриловой кислот и др. В катионной полимеризации активны также некоторые гетероциклические мономеры: оксиды олефинов, лактоны, ряд карбопилсодержащих соединений, например, формальдегид.

Катионная полимеризация начинается с того, что катализатор, взаимодействуя с сокатализатором, образует комплексное соединение, которое является сильной кислотой. В реакционной среде происходит его диссоциация, например:

Возникающий протон присоединяется к молекуле мономера, в результате чего образуется ионная пара, состоящая из иона карбония и комплексного противоиона:

Эти две реакции составляют стадию инициирования катионной полимеризации. Природа реакционного центра - ионная пара, или сольватированные ионы, разделенные в пространстве - оказывает большое влияние на кинетику катионной полимеризации.

Рост цепи состоит в последовательном присоединении молекул мономера к иону карбония, при этом на конце цепи всегда сохраняется положительный заряд:

Карбониевый ион поляризует молекулу мономера, поэтому в цепь она входит определенным образом и образующиеся макромолекулы всегда имеют регулярную структуру типа «голова-хвост».

Обрыв цепи путем рекомбинации или диспропорционирования в этом случае невозможен из-за отталкивания одноименно заряженных ионов. Он происходит путем перестройки ионной пары, при которой образуется нейтральная молекула полимера с двойной С=С-связыо на конце и генерируется исходный каталитический комплекс:

При катионной полимеризации, как и при радикальной, наблюдается передача цепи на мономер и растворитель:

Так как катионная полимеризация связана с образованием и диссоциацией ионной пары, то на скорость процесса оказывает влияние диэлектрическая проницаемость среды. Повышение диэлектрической проницаемости существенно ускоряет процесс, но мало сказывается на молекулярной массе полимера. В сравнении с радикальной, катионная полимеризация характеризуется низкой энергией активации (60 кДж/моль), поэтому она протекает с высокой скоростью, которая снижается с повышением температуры.

Анионная полимеризация

Катализаторами анионной полимеризации служат вещества, которые являются донорами электронов: щелочные металлы, щелочи, гидриды и амиды щелочных металлов, металлоорганические соединения. В реакциях анионной полимеризации наиболее активны виниловые мономеры с электроноакцепторными заместителями, например, стирол СН 2 =СН-С 6 Н 5 , акрилонитрил СН 2 =СН-С=N. При анионной полимеризации в качестве активного центра выступает карбанион - соединение с трехвалентным углеродом, несущим отрицательный заряд, а сама растущая цепь представляет собой макроанион.

Механизм анионной полимеризации в присутствии амидов щелочных металлов и металлоорганических соединений описывается одинаковыми схемами. Так, полимеризация стирола в среде жидкого аммиака, катализируемая амидом натрия, протекает следующим образом:

то есть молекула мономера внедряется между ионами ионной пары.

Обрыв цепи путем рекомбинации растущих макроанионов, как и при катионной полимеризации, невозможен из-за наличия у них одинакового заряда. Он чаще всего происходит в результате реакций передачи цепи на растворитель или мономер:

Если катализаторами анионной полимеризации являются щелочные металлы (Li, Na), то на стадии инициирования образуются ион-радикалы мономера, которые соединяясь, превращаются в двухцентровое металлоорганическое соединение - бианион. Рост цепи осуществляется внедрением мономера между ионами ионной пары по обоим центрам возникшего бианиона, то есть цепь растет одновременно в двух направлениях. Таким путем осуществляется полимеризация бутадиена под действием металлического натрия:

Этот вид полимеризации, связанный с возникновением ион-радикалов, интересен тем, что дает возможность получать «живые» полимерные цепи, то есть растущий макробианион длительное время способен возбуждать полимеризацию при добавлении новых порций мономера. Обрыв цепи даже способами передачи на растворитель или мономер исключен полностью. Полимеризация прекращается только после исчерпания всего мономера. Полимеры, получаемые этим способом, характеризуются высоким значением молекулярной массы и малой полидисперсностыо.

Анионная полимеризация эффективна при пониженных температурах в тщательно освобожденных от воздуха (деаэрированных) и осушенных растворителях основного характера.

Координационно-ионная (стереоспецифическая) полимеризация

Координационно-ионная полимеризация осуществляется под действием комплексных катализаторов, обладающих высокой избирательностью. Такие катализаторы представляют собой комплексы, образующиеся при взаимодействии алкилов метал­лов I-III групп периодической системы Д.И. Менделеева с галогенидами переход­ных металлов IV-VIII групп. Типичным катализатором является комплекс триэтилалюминия и треххлористого титана

На стадии инициирования атом титана катализаторного комплекса определенным образом координирует мономер. При такой координации происходит разрыхление связей мономера и перераспределение связей в катализаторном комплексе. Возникает π-комплекс между мономером и катализатором. Так, инициирование стереоспецифической полимеризации пропилена можно представить следующим образом:

Далее генерируется катализаторный комплекс исходной структуры, в поле притяжения которого находится первое мономерное звено. Внедрение каждого следующего мономерного звена происходит через стадию образования перегруппированного π-комплекса, и растущая цепь полимера как бы отодвигается от катализатора:

Это не происходит ни при радикальной, ни при катионной, ни при анионной полимеризации.

При координационно-ионной полимеризации для образующихся макромолекул характерно не просто химически регулярное соединение мономерных звеньев по типу Г-Х (что вообще присуще ионной полимеризации), но и строгое чередование в пространстве заместителей при атомах углерода основной цепи, то есть стереорегулярность. Стереоспецифичность макромолекул полимеров, синтезированных при координационно-ионной полимеризации, обеспечивается природой комплексного катализатора. Соединения алюминия и титана аналогичной структуры, но взятые в отдельности, не являются стереоспецифическими катализаторами.

Ступенчатая полимеризация

Реакция ступенчатой полимеризации может быть выражена тем же уравнением, что и реакция цепной полимеризации:

п М → Мп,

то есть нет различия в составе мономера и макромолекул полимера.

Однако в отличие от цепной полимеризации, ступенчатая полимеризация протекает через образование промежуточных вполне устойчивых соединений - ди-, три-, тетра-, пента-, гексамеров и т. д., а поэтому молекулярная масса полимера нарастает со временем. В реакции ступенчатой полимеризации могут участвовать не только однородные, но и разнородные молекулы мономера. Примером может служить поли­меризация е-капролактама в присутствии ε-аминокапроновой кислоты, которая образуется в результате каталитического действия воды на ε-капролактам:

По типу ступенчатой полимеризации неодинаковых молекул мономера происходит взаимодействие диизоцианатов с диоксисоединениями с образованием полиуретанов, диизоцианатов с диаминами с образованием полимочевин и т. д. Эти реакции основаны на перемещении подвижного атома водорода от одной молекулы к другой, содержащей двойную связь, с последующим присоединением всего остатка первой молекулы. Например, образование полиуретанов из гликолей и диизоцианатов происходит следующим образом:

Ступенчатая полимеризация обнаруживает сходство с поликонденсацией в характере протекания реакций через последовательное образование димеров, тримеров, тетрамеров и т. д. Выход и молекулярная масса полимера зависят от продолжительности реакции. Полимер высокой молекулярной массы образуется лишь при очень высокой (~98%) степени завершенности реакции (или конверсии мономеров). Вместе с тем поликонденсация отличается от ступенчатой полимеризации выделением в ходе реакции низкомолекулярных продуктов.

ЛЕКЦИЯ 4. Сополимеризация. Технические способы проведения гомо- и сополимеризации. Поликонденсация. Влияние различных факторов на скорость поликонденсации и молекулярную массу. Совместная поликонденсация. Технические способы проведения поликонденсации.

В настоящее время есть 4 основных метода синтеза ВМС:

1) полимеризация

2) поликонденсация

3) ступенчатая полимеризация

4) реакции превращения

Полимеризация – цепная реакция получения ВМС, в ход которой молекулы мономера последовательно присоединяются к активному центру, находящемуся на конце растущей цепи. Реакция полимеризации характерна для соединений с двойными связями, число и характер которых в молекуле мономера могут быть различными. Полимеризация олефинов и их производных в результате раскрытия двойных связей является простейшим примером. Полимеризоваться также могут мономеры, содержащие в молекуле две или более двойных связей (полиены), тройные связи (производные ацетилена).

При протекании реакции полимеризации всегда наблюдается снижение количества двойных связей в реагирующих веществах, уменьшение общего числа молекул в системе и увеличение их средней молекулярной массы.

В результате полимеризации непредельных углеводородов образуются карбоцепные полимеры.

Полимеризация не сопровождается выделением побочных продуктов и протекает без изменения элементарного состава реагирующих веществ. Процесс полимеризации состоит из трех основных стадий:

1) образование активного центра, связанное с инициированием молекул мономера, т. е. переходом их в активное состояние: А à А * .

2) рост цепи, характеризующийся ростом макромолекул и переходом активного центра на какую-либо другую частицу.

3) обрыв цепи, связанный с гибелью активного центра в результате реакции с другим активным центром или каким-либо другим веществом.

Активными центрами в реакциях полимеризации могут быть либо свободный радикал, либо ион. В зависимости от этого различают радикальную и ионную полимеризацию.

При радикальной полимеризации активными центрами являются свободные радикалы – электронейтральные частицы, имеющие один или два неспаренных электрона, благодаря чему свободные радикалы легко вступают в реакции с различными мономерами. Образование свободных радикалов может быть связано с превращением мономера в первичный радикал под влиянием внешних факторов (тепловая энергия, свет, ионизирующие излучения), а также за счет введения в систему свободных радикалов извне или веществ, легко распадающихся на свободные радикалы (инициаторов).

При ионной полимеризации активными центрами являются положительно и отрицательно заряженные частицы – ионы, образующиеся в присутствии катализаторов, в качестве которых выступают соединения металлов (алюминий, титан), легко отдающие или принимающие электроны. В зависимости от заряда образующего иона различают катионную и анионную полимеризацию. При катионной полимеризации растущая цепь имеет положительный заряд, при анионной – отрицательный. В отличие от инициаторов радикальной полимеризации, катализаторы, активирующие процесс ионной полимеризации, в ходе протекающих реакций не расходуются и не входят в состав полимера.

Поликонденсация – это реакция образования ВМС из нескольких молекул мономеров одинакового или различного строения, протекающая по механизму замещения функциональных групп. Реакции поликонденсации протекают с выделением низкомолекулярных продуктов (воды, спирта, аммиака и др.), вследствие чего элементарный состав образующего полимера отличается от элементарного состава мономеров. Непременным условием протекания реакции является содержание в мономерах не менее двух функциональных групп (-ОН, -СООН, -NH 2 и др.). Функциональность исходных веществ оказывает влияние на строение и свойства получаемых продуктов.

При поликонденсации бифункциональных соединений образуются линейные или циклические ВМС. Если в качестве мономера используются три- или тетрафункциональные мономеры, реакция их поликонденсации приводит к образованию пространственно-сшитых ВМС.

Способы проведения реакций синтеза.

1. Синтез в блоке или массе

2. При синтезе в

3. Синтез на поверхности раздела фаз (межфазный).

4. Синтез в расплаве

5. Синтез в твердой фазе.

6. Синтез в газовой фазе

Существует ряд методов синтеза за счет использования химических реагентов для реакций, вызывающих появление новых веществ. Путем химических превращений в материал можно внести различные атомы (фтор, хлор, аминные группы и др.), которые позволяют регулировать длину макромолекул, а также подвергать их сшиванию. Очень часто эти методы используются, когда получить другим способом ВМС нельзя из-за его нестабильности в какой-либо среде.

1) Реакции внутримолекулярных перегруппировок заключаются в перегруппировках атомов в цепи полимера.

2) Реакция сшивания (структурирования) – реакция образования поперечных химических связей между макромолекулой и получение систем сетчатого строения.

3) Реакция деструкции – реакция, протекающая с разрывом химической связи в главной цепи макромолекулы. Реакция приводит к снижению молекулярной массы полимера. Характеризуется понятием степень деструкции – отношение количества разорванных валентных связей в основной цепи к их общему числу.

а)Полимеризация

Процесс полимеризации был объяснён в 1920 году немецким химиком Германом Штаудипгером, описавшим, как молекулы соединяются в цепочки -- из сотен тысяч атомов. Работа Штаудингера дала толчок развитию промышленности пластмасс, и в начале 1930-х развернулось производство многих важных полимеров.

Полимеризация - цепная реакция, при которой мономеры, содержащие кратные связи или неустойчивые циклы, путем последовательного присоединения к активному центру образуют макромолекулы. Молекулярная масса полученного полимера равна сумме молекулярных масс мономеров, вступивших в реакцию. Процесс полимеризации, имея цепной механизм, включает три основные стадии (реакции) и: образование активного центра - инициирование или возбуждение молекул мономера; рост цепи; обрыв или передача цепи. Эти стадии цепной полимеризации можно представить следующей схемой:

М М * - образование активного центра;

М * + М 1 М - М 1 * - рост цепи;

М - М 1 * + М 2 М - М 1 - М 2 * М * n-1 + М М * n М * n М n - обрыв или передача цепи;

М * n + М М n + M * Цепными реакциями называются такие, в которых активные частицы вызывают цепь последовательных реакций.

Если в полимеризации участвуют молекулы одного мономера, то её называют гомополимеризацией. Если же в полимеризации участвуют молекулы двух и более мономеров, то процесс называют сополимеризацией. Образование полимера из мономеров возможно под действием физических факторов, таких как температура, давление или механическое перемешивание. В других случаях полимеризация протекает с участием катализатора -- вещества, которое инициирует реакцию, но само при этом остаётся без изменений. Некоторые полимеры включают разные мономеры.

б) Поликонденсация

Поликонденсацией называется ступенчатый процесс получения полимеров из полифункциональных мономеров, в котором рост макромолекул происходит путем взаимодействия мономеров друг с другом или с образовавшимися полимергомологами, а также молекул полимергомологов между собой. Процесс поликонденсации сопровождается исчезновением у реагирующих частиц функциональных групп с выделением (или без выделения) низкомолекулярных побочных продуктов, образуемых от реагирования функциональных групп. Молекулярная масса образуемого полимера либо равноа сумме молекулярных масс, либо меньше (на суммарную массу побочных продуктов) мономеров, вступивших в реакцию.

Отличительной особенностью полимеров, получаемых по реакции поликонденсации, является то, что на концах макромолекул всегда присутствуют свободные функциональные группы. Поликонденсация имеет минимум две функциональные группы, способные в выбранных условиях реагировать между собой, например

nН 2 N(CH 2) 6 COOH

Н 2 N(CH 2) 6 CO - (n-2) - NH(CH 2) 6 COOH + (n - 1)H 2 O

Или когда в реакции участвуют два или более веществ, каждое из которых должно иметь не менее двух одинаковых функциональных групп

хН 2 N(CH 2) m NH 2 + хHOCO(CH 2) n COOH

Н 2 N(CH 2) m NH - (x-1) - CO(CH 2) n COOH+ (2x - 1)H 2 O

Полученные в результате поликонденсации промежуточные и конечные молекулы устойчивы и могут быть выделены из сферы реакции на любой стадии процесса. Это - одна из главных отличительных особенностей ступенчатых процессов от цепных реакций. Различают реакции гомополиконденсации и гетерополиконденсации. При гомополиконденсации полимер образуется из мономера одного типа, который содержит две (или более) разные функциональные группы; примером является получение полиэфиров из гидроксикислот. Гетерополиконденсацией называют процессы получения полимеров из мономеов двух разных типов, каждый из которых содержит две (или более) одинаковые функциональные группы, способные реагировать с реакционноспособными группами другого мономера. Реакция, в которой помимо мономеров, необходимых для протекания гомо- или гетерополиконденсации, участвуют и другие мономеры, называются сополиконденсацией (совместной поликонденсацией). Такой поликонденсацией часто пользуются на практике, например, при получении смешанных полиамидов из двух и более диаминов и дикарбоновой кислоты.

в) Полиприсоединение

Реакции полиприсоединения, как и реакции поликонденсации, протекают по ступенчатому механизму, и многие общие закономерности их синтеза очень схожи. Как и при поликонденсации, при реакциях полиприсоединения, когда применяются в процессах мономеры с функциональностью, равной двум, образуются полимеры линейной структуры, а из мономеров с функциональностью более двух образуются полимеры разветвленной или сетчатой структуры.

Эта реакция протекает путем постепенного, ступенчатого присоединения молекул одного мономера к другому с возрастанием массы образуемого вещества. синтетический природный полимер

М 1 + М 1 М 2 +М 1 М 3 + М 1 …. М n + М 1 М n+1

Промежуточные продукты такого процесса являются устойчивыми соединениями и могут быть выделены в индивидуальном виде. Реакционная способность промежуточных продуктов реакции и мономера практически одинакова. Присоединение молекул мономера друг к другу и к промежуточным продуктам реакции происходит миграцией атомов или их групп, причем исходные мономеры исчезают очень быстро уже на начальных стадиях процесса. Поэтому основное течение процесса происходит между олигомерными продуктами, активность которых практически равна активности исходных мономеров. Скорость реакции определяется температурой процесса, концентрацией и природой катализатора, при этом молекулярная масса тем больше, чем выше температура и продолжительность процесса. В реакции полиприсоединения могут участвовать однородные и разнородные молекулы, а также циклические соединения. При участии в реакции двух мономеров молекулярная масса образуемого полимера зависит от соотношения исходных компонентов. При эквимольном соотношении компонентов получаются полимеры с максимальной молекулярной массой.

Главным отличием реакции полиприсоединения от поликонденсации является то, что она не сопровождается выделением низкомолекулярных побочных продуктов реакции. Прекращение роста макромолекул происходит при израсходовании функциональных групп, а также в результате их дезактивации (окисление, гидролиз и др.) Реакции полиприсоединения можно осуществлять теми же способами, что и реакции поликонденсации, а именно, в среде растворителей в гомогенной и гетерогенной фазах, в массе, в эмульсии и суспензии, а также и межфазно.

Федеральное агентство по образованию РФ

Брянская государственная инженерно-технологическая Академия

Контрольная работа № 2

По дисциплине : «Концепции современного естествознания»

На тему : «Полимеры, их получение, свойства и применение»

Выполнила: Базанова Елена Ильинична

Шифр: 05-2.254

Факультет: экономический

Группа ФК 103

Адрес: г. Клинцы

ул. Мира д.113 кв.122

Проверил: Евтюхов К.Н.

г. Брянск 2006г

Виды полимеров, их общие свойства и способы получения.

Природные ВМС или биополимеры. Свойства, применение, получение.

Химические ВМС. Свойства, применение, получение.

Список используемой литературы.

Виды полимеров, их общие свойства и способы получения.

Полимеры или высокомолекулярные соединения (ВМС) – это сложные вещества с большими молекулярными массами, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся структурных единиц (звеньев) одного или нескольких типов. Молекулярные массы полимеров могут быть от нескольких тысяч до миллионов.

По происхождению полимеры делят на:

Природные, биополимеры (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты, каучук, гуттаперча).

Химические:

Искусственные – полученные из природных путем химических превращений (целлулоид, ацетатное, медноамиачное, вискозное волокна).

Синтетические – полученные из мономеров (синтетические каучуки, волокна /капрон, лавсан/, пластмассы).

По составу:

Органические.

Элементоорганические – делятся на три группы: основная цепь неорганическая, а ответвления органические; основная цепь содержит углерод и другие элементы, а ответвления органические; основная цепь органическая, а ответвления неорганические.

Неорганические – имеют главные неорганические цепи и не содержат органических боковых ответвлений (элементы верхних рядов III – VI групп).

По структуре макромолекулы:

Линейные (высокоэластичные).

Разветвленные.

Сетчатые (низкоэластичные).

По химическому составу:

Гомополимеры (содержат одинаковые мономерные звенья).

Гетерополимеры или сополимеры (содержат разные мономерные звенья)

По составу главной цепи:

Гомоцепные (в главную цепь входят атомы одного элемента).

Гетероцепные (в главную цепь входят разные атомы)

По пространственному строению:

Стереорегулярные – макромолекулы построены из звеньев одинаковой или разной пространственной конфигурации, чередующихся в цепи с определенной периодичностью.

Нестереорегулярные (атактические) – с произвольным чередованием звеньев разной пространственной конфигурацией.

По физическим свойствам:

Кристаллические (имеют длинные стереорегулярные макромолекулы)

Аморфные

По способу получения:

Полимеризационные.

Поликонденсационные.

По свойствам и применению:

Пластмассы.

Эластомеры.

Общие свойства полимеров (характерные для большинства ВМС).

ВМС не имеют определенной температуры плавления, плавятся в широком диапазоне температур, некоторые разлагаются ниже температуры плавления.

Не подвергаются перегонке, т. к. разлагаются при нагревании.

Не растворяются в воде или растворяются с трудом.

Обладают высокой прочностью.

Инертны в химических средах, устойчивы к воздействию окружающей среды.

Получение полимеров.

К образованию ВМС приводят три процесса:

Реакция полимеризации – процесс, в результате которого молекулы низкомолекулярного соединения (мономеры) соединяются друг с другом при помощи ковалентных связей, образуя полимер. Эта реакция характерна для соединений с кратными связями.

Реакция поликонденсации – процесс образования полимера из низкомолекулярных соединений, содержащих 2 или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счет этих групп, таких веществ, как вода, аммиак, галогеноводород и т. п. (Капрон, нейлон, фенолформальдегидные смолы).

Реакция сополимеризации – процесс образования полимеров из двух или нескольких разных мономеров. (Получение бутадиенстирольного каучука).

Теперь рассмотрим полимеры, совмещая два признака: по происхождению – природные и химические, и по свойствам и применению – белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, пластмассы, эластомеры, волокна.

Природные полимеры. Свойства, применение, получение.

Природные полимеры – это ВМС растительного или животного происхождения. Сюда относят:

1. Полисахариды.

   Эластомеры (натуральный каучук).

   Нуклеиновые кислоты.

Теперь более подробно рассмотрим каждый пункт.

Белки.

Белки – это природные органические, азотосодержащие ВМС (биополимеры), структурную основу которых составляют полипептидные цепи, построенные из остатков аминокислот. Они бывают 2 видов:

Протеины (простые белки) – состоят только из аминокислот, и протеиды (сложные белки) – в составе не только аминокислоты, но другие группы атомов.

Строение белковых структур.

Различают 4 уровня структурной организации белковых молекул.

Свойства белков.

Свойства белков разнообразны. Одни растворяются в воде, образуя коллоидные растворы, другие в растворах солей, третьи нерастворимы. Белки вступают в реакции окисления-восстановления, этерификации, алкилирования, нитрирования; они амфотерны. Белки также способны к обратимому изменению своей структуры.

Функции и применение.

Пластическая функция – белки служат строительным материалом клетки.

Транспортная функция – переносят различные вещества.

Защитная функция – обезвреживают чужеродные вещества.

Энергетическая функция – снабжают организмы энергией.

Каталитическая функция – ускоряют протекание химических реакций в организме.

Сократительная функция – выполняют все виды движений организма.

Регуляторная функция – регулируют обменные процессы в организмах.

Сигнальная (рецепторная) – выполняют связь с окружающей средой.

Белки – необходимая составная часть пищи человека, недостаток которого может привести к серьезным заболеваниям. Так же белки применяют практически во всех сферах деятельности человека: медицина, пищевая промышленность, химическая промышленность и многое другое.

Полисахариды.

Полисахариды – высокомолекулярные несахароподобные углеводы, содержащие от 10 до 100 тысяч остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями. Крахмал и целлюлоза – важнейшие природные представители. Общая эмпирическая формула (С Н О)n. Мономер – глюкоза.

Крахмал, его свойства, применение и получение.

Аморфный порошок белого цвета, без вкуса и запаха, плохо растворяется в воде, в горячей воде набухает, образуя коллоидный раствор. Крахмал состоит из 2 фракций: амилозы (20-30%) и амилопектина (70-80%).

Крахмал образуется в результате фотосинтеза и откладывается «про запас» в клубнях, корневищах, зернах. Его получают путем их переработки.

Крахмал подвергается гидролизу, в результате которого выделяется глюкоза. В технике его кипятят несколько часов с разбавленной серной кислотой, затем к нему прибавляют мел, отфильтровывают и упаривают. Получается густая сладкая масса – крахмальная патока, которую используют для кондитерских и технических целей. Для получения чистой глюкозы раствор кипятят дольше, сгущают и кристаллизуют глюкозу.

При нагревании сухого крахмала получается смесь, называемая декстрином, которая применяется в легкой промышленности и для приготовления клея. Также крахмал – сырье для производства этилового, н-бутилового спиртов, ацетона, лимонной кислоты, глицерина. Он используется и в медицине. Биологическая роль крахмала велика. Он главное питательное запасное вещество растений.

Целлюлоза, или клетчатка, ее свойства, применение, получение.

Целлюлоза, или клетчатка – волокнистое вещество, главная составная часть растительной клетки, синтезируется в растениях. Чистая целлюлоза – белое волокнистое вещество без вкуса и запаха, нерастворимое в воде, диэтиловом эфире и этиловом спирте. Не расщепляется под действием разбавленных кислот, устойчив к действию щелочей и слабых окислителей. При обработке на холоду концентрированной серной кислотой растворяется, образуя вязкий раствор. Подвергается гидролизу под действием ферментов, конечным продуктом которого является глюкоза. Образует сложные эфиры, горит.

Получение: Наиболее распространенный промышленный способ выделения целлюлозы из древесины заключается в обработке измельченной древесины при повышенной температуре и давлению раствором гидросульфата кальция. Древесина разрушается, лигнин переходит в раствор, а целлюлоза остается неизменной. Ее отделяют от раствора, промывают, сушат и отправляют на дальнейшую переработку.

Применение: Являясь составной частью древесины, целлюлоза используется в строительном и столярном деле и как топливо. Из древесины получают бумагу и картон, этиловый спирт. В виде волокнистых материалов (хлопка, льна, джута) целлюлоза используется для приготовления тканей, нитей. Эфиры целлюлозы идут на изготовление нитролаков, кинопленок, бездымного пороха, пластмасс, искусственных волокон, медицинских коллодий.

Эластомеры.

Эластомеры – природные или синтетические ВМС с высокоэластичными свойствами. Важнейшими представителями природных эластомеров являются каучук и гуттаперча. Макромолекулы эластомеров – скрученные в клубки цепи, которые могут вытягиваться под действием внешней силы, а после ее снятия снова скручиваются.

Натуральный каучук и гуттаперча.

Натуральный каучук представляет собой высокомолекулярный непредельный углеводород, молекулы которого содержат большое количество двойных связей; состав его может быть выражен формулой (С Н)n – где n от 1000 до 3000). Он является полимером изопрена.

Природный каучук содержится в млечном соке каучуконосных растений, главным образом тропических (браз. дерево гевея). Его получают из их сока.

Другой природный продукт – гуттаперча. Она также является полимером изопрена, но с иной конфигурацией молекул.

Важнейшими физическими свойствами каучуков являются:

Эластичность – способность восстанавливать форму.

Непроницаемость для воды и газов.

Сырой каучук липок, непрочен, при небольшом понижении температуры становится хрупким. Чтобы придать изготовленным из каучука изделиям необходимую прочность и эластичность, каучук подвергают вулканизации – вводят серу и нагревают. Вулканизированный каучук – это резина.

К сожалению, у нас нет возможности производить природный каучук.

Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты – природные ВМС (биополимеры), макромолекулы которых состоят из мононуклеотидов. Главным образом нуклеиновые кислоты – полинуклеотиды. Они были обнаружены в 1868 г. швейцарским химиком Ф. Мишером в клеточном ядре.

Схема образования полинуклеотида:

Нуклеиновые кислоты бывают 2 типов:

Дезоксирибонуклеиновые кислоты – хранят и передают генетическую информацию.

Рибонуклеиновые кислоты – копируют генетическую информацию, переносят ее к месту синтеза белка, участвуют в самом синтезе белка.

Волокна.

Волокна – ВМС природного синтетического происхождения, перерабатываемые в нити. Характеризуются высокой упорядочностью молекул (линейные полимеры).

Природные волокна бывают 2 типов:

животного происхождения – белковые. Их получают из животных (шерсть, шелк).

растительного происхождения – целлюлозные. Их вырабатывают из растительности (хлопок, лен, джут).

Применяют в легкой промышленности для одежды и других принадлежностей. Также для изготовления веревок, канатов и др.

Химические ВМС, свойства, применение, получение.

Химические полимеры – это ВМС, которые получают или путем переработки природных ВМС (искусственные), или путем синтеза из низкомолекулярных веществ (синтетические).

Химические ВМС делят на:

пластмассы.

эластомеры.

Пластмассы.

Пластическим массами называют материалы на основе природных и синтетических ВМС (часто в состав пластмасс входят и другие компоненты), способные под воздействием высокой температуры и давления принимать любую заданную форму и сохранять ее после охлаждения (пластичность). Если полимер переходит из высокоэластичного состояние в стеклообразное при температуре ниже комнатной, его относят к эластомерам, при более высоких – к пластикам.

Пластмассы делятся на два типа: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные – пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются.

Свойства:

Их структура – линейная.

У них отсутствуют прочные связи между отдельными цепями.

Легко плавятся, используются для переплавки.

Термореактивные – пластмассы, которые при нагревании утрачивают способность переходить в вязкотекучее состояние из-за образования сетчатой структуры.

Свойства:

Сетчатая структура.

Существуют прочные связи между отдельными цепями.

С трудом плавятся, не подвергаются переплавке.

Подробнее рассмотрим виды пластмасс.

Полимеризационные смолы.

Полимеризационные смолы – это полимеры, получаемые реакцией полимеризации преимущественно этиленовых углеводородов или их производных.

Представители полимеризационных смол.

Полиэтилен – полимер, образующийся при полимеризации этилена. При сжатии его до 150-250 мПа и при температуре 150-250 градусов получается полиэтилен высокого давления. При катализаторах (С Н) Аl и TiCL (триэтилалюминий и хлорид титана IV) – полиэтилен низкого давления. При 10мПа и оксидах хрома – полиэтилен среднего давления.

Полиэтилен – бесцветный, полупрозрачный в тонких и белый в толстых слоях, воскообразный, но твердый материал с температурой плавления 110-125. Обладает высокой химической стойкостью и водонепроницаемостью, малой газопроницаемостью. Свойства полиэтилена зависят от способа получения. Полиэтилен высокого давления обладает меньшей плотностью, че5м полиэтилен низкого давления. Для пищевых продуктов используют только полиэтилен высокого давления.

Полиэтилен применяют в качестве электроизоляционного материала, изготовления пленок в качестве упаковочного материала, изготовления легкой небьющейся посуды, шлангов и трубопроводов для химической промышленности.

2. Полипропилен – полимер пропилена:

Получают полимеризацией в присутствии катализатора. В зависимости от условий полимеризации полипропилен отличается по своим свойствам. Это каучукоподобная масса, более менее твердая и упругая, водонепроницаемая. Используют полипропилен для электроизоляции, изготовления защитных пленок, труб шлангов, шестерен, деталей приборов, высокопрочного и химически стойкого волокна (канатов, рыболовных сетей). Пищу в упаковке из полипропилена можно стерилизовать и даже варить.

3. Полистирол – образуется при полимеризации стирола:

Он может быть получен в виде прозрачн6ой стеклянной массы. Применяется как органическое стекло, для изготовления промышленных товаров (пуговиц), электроизолирующий материал.

4. Поливинилхлорид (полихлорвинил) – получается при полимеризации винилхлорида:

Это эластичная масса, устойчивая к действию кислот, щелочей, воды. Широко используется для футеровки труб и сосудов в химической промышленности, электроизолятор, для изготовления искусственной кожи, линолеума, не промокающих плащей. Его хлорированием получают перхлорвиниловую смолу, из которой получают химически стойкое волокно хлорин.

5. Политетрафторэтилен – полимер тетрафторэтилена:

Он выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном. Стоек к щелочам и концентрированным кислотам, превосходит в этом золото и платину. Негорюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

6. Полиакрилаты и полиакрилонитрил. Важнейшими представителями являются метилакрилат и полиметилметакрилат – твердые, прозрачные, стойкие к нагреванию и свету, пропускают ультрафиолет. Из них изготавливаю листы органического стекла. Из полиакрилонитрила получают нитрон синтетическое волокно, идущее на производство трикотажа и тканей.

Конденсационные смолы.

Конденсационные смолы – к ним относятся полимеры, получаемые реакций поликонденсации.

Представители поликонденсационных смол.

1. Фенолоформальдегидные смолы – ВМС, образующиеся в результате взаимодействия фенола (С Н ОН) с формальдегидом (СН =О) в присутствии катализаторов. Эти смолы обладают замечательными свойствами: при нагревании они вначале размягчаются, а при дальнейшем нагревании (с катализатором) затвердевают. Из них готовят пластмассы – фенопласты: смолы смешивают с различными наполнителями (древ. мукой, асбестом и др.), красителями, пластификаторами и из полученной массы изготавливают методом горячего прессования различные изделия. Также их применяют в строительном и литейном делах.

2. Полиэфирные смолы. Пример – продукт конденсирования двухосновной кислоты с таким же спиртом – полиэтилентерефталат – полимер, в молекулах которого многократно повторяется группировка сложного эфира. Эту смолу выпускают под названием ЛАВСАН. Из нее готовят волокно, напоминающее шерсть, но прочнее ее и ткань не мнется. Лавсан обладает высокой термо -, влаго-, и светостойкостью. Устойчив к действию щелочей, кислот и окислителей.

3. Полиамидные смолы – синтетические аналоги белков (амидные связи). Из них получают волокна – КАПРОН, ЭНАНТ, АНИД. Они по некоторым свойствам превосходят натуральный шелк. Подробнее в разделе волокна.

Эластомеры.

Про эластомеры мы говорили выше. Рассматривали их на примере натурального каучука и гуттаперчи. Теперь рассмотрим синтетические эластомеры. Т. к. в нашей стране нет возможности получать природный каучук, наши химики первые вывели и осуществили способ получения синтетического каучука (1928-1930). По Лебедеву исходным материалом служил бутадиен, который получали из этилового спирта. Теперь разработано получение его из бурана, попутного нефтяного газа. Сейчас химическая промышленность производит много различных видов синтетических каучуков, превосходящих по некоторым свойствам натуральный. Кроме полибутадиенового каучука (СКБ), широко применяются сополимерные каучуки – продукты совместной полимеризации бутадиена с другими непредельными соединениями, например со стиролом (СКС) или с акрилонитрилом (СКН).

Также производят синтетический полиизопреновый каучук (СКИ) – близкий по свойствам к натуральному.

Синтетический каучук, как и натуральный, вулканизирую, получая из него резину, эбонит.

В технике из каучуков изготавливают шины для транспорта, применяют как электроизолирующий материал, производства промышленных товаров и медицинских приборов, в легкой, строительной и др. областях.

Волокна.

Волокна мы также рассматривали, но природные. А теперь будем рассматривать химические. Существуют 2 вида химических волокон:

1. искусственные – продукты переработки природных полимеров (вискозное, ацетатное, медноаммиачное).

2. синтетические – полимеры, образуемые из низкомолекулярных веществ (полиэфиры, полиамиды).

Искусственные волокна.

Производство искусственного волокна из целлюлозы осуществляется 3 способами: вискозным, ацетатным и медноаммиачным.

1. Вискозное. Целлюлозу обрабатывают едким натром, а затем сероуглеродом. Образующуюся оранжевую массу (ксантогенат) растворяют в слабом растворе едкого натра, получая вискозу. Ее продавливают через специальные колпачки – фильеры в осадительную ванну с раствором серной кислоты. Образуются блестящие нити, несколько измененной по составу целлюлозы – вискозное волокно.

2. Ацетатное. Раствор ацетата целлюлозы в ацетоне продавливается через фильеры навстречу теплому воздуху. Струйки раствора превращаются в тончайшие нити – ацетатное волокно.

3. Медноаммиачное. Его способ менее распространен. Из аммиачного раствора оксида меди, в котором растворена целлюлоза, под действием кислот вновь выделяют целлюлозу. Нити и составляют волокно.

Синтетические волокна.

Синтетические волокна получают из полиэфирных и полиамидных смол. Полиэфирные смолы мы рассматривали в пластмассах (лавсан). Теперь рассмотрим полиамидные смолы и волокна, которые из них получаются.

Капрон – поликонденсат аминокапроновой кислоты, содержащий цепь из 6 атомов углерода.

Энант – поликонденсат аминоэтановой кислоты (7 атомов углерода).

Анид (найлон) – поликонденсат двухосновной адипиновой кислоты и гексаметилдиоамна. Структурное звено:

Список использованной литературы.

Общая химия: Учебное пособие для вузов. – 23-е издание, исправленное / Под редакцией В. А. Рабиновича. – Л.: Химия, 704 стр.

Химия. Пособие – репетитор для поступающих в вузы // 7-е издание. – Ростов на Дону: издательство «Феникс», 2003г. – 768 стр.

Органическая химия. / Под ред. Н. Е. Кузьменко. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2002 г. – 640 стр.

Общая химия. Учебник для техникумов. И.Г. Хомченко. – М.: ООО «Издательство Новая Волна». –2003 г. - 464 стр.