Поливинилхлорид – свойства и применение полимера с наиболее массивной молекулой

Содержание

Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки

Поливинилхлорид - свойства и применение полимера с наиболее массивной молекулойВысокомолекулярными соединениями (ВМС) называют соединения с молекулярной массой более 10000.

Практически все высокомолекулярные вещества являются полимерами.

Полимеры — это вещества, молекулы которых состоят из огромного числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.

Полимеры могут быть получены с помощью реакций, которые можно разделить на два основных типа: это реакции полимеризации и реакции поликонденсации.

Реакции полимеризации

Реакции полимеризации — это реакции образования полимера путем объединения огромного числа молекул низкомолекулярного вещества (мономера).

Количество молекул мономера (n), объединяющихся в одну молекулу полимера, называют степенью полимеризации.

В реакцию полимеризации могут вступать соединения с кратными связями в молекулах. Если молекулы мономера одинаковы, то процесс называют гомополимеризацией, а если различны — сополимеризацией.

Внимание!

Примерами реакций гомополимеризации, в частности, является реакция образования полиэтилена из этилена:

Реакции поликонденсации

Реакции поликонденсации — это реакции образования полимеров из мономеров, в ходе которых, помимо полимера, побочно образуется также низкомолекулярное вещество (чаще всего вода).

В реакции поликонденсации вступают соединения, в состав молекул которых входят какие-либо функциональные группы. При этом реакции поликонденсации по тому, один используется мономер или больше, аналогично реакциям полимеризации делятся на реакции гомополиконденсации и сополиконденсации.

К реакциям гомополиконденсации относятся:

  • * образование (в природе) молекул полисахарида (крахмала, целлюлозы) из молекул глюкозы:
  • * реакция образования капрона из ε-аминокапроновой кислоты:

К реакциям сополиконденсации относятся:

  • * реакция образования фенолформальдегидной смолы:
  • * реакция образования лавсана (полиэфирного волокна):

Материалы на основе полимеров

Пластмассы

Пластмассы — материалы на основе полимеров, которые способны под действием нагревания и давления формоваться и сохранять заданную форму после охлаждения.

Помимо высокомолекулярного вещества в состав пластмасс входят также и другие вещества, однако основным компонентом все же является полимер. Благодаря своим свойствам он связывает все компоненты в единую целую массу, в связи с чем его называют связующим.

Пластмассы в зависимости от их отношения к нагреванию делят на термопластичные полимеры (термопласты) и реактопласты.

Термопласты — вид пластмасс, способных многократно плавиться при нагревании и застывать при охлаждении, благодаря чему возможно многоразовое изменение их изначальной формы.

Реактопласты — пластмассы, молекулы которых при нагревании «сшиваются» в единую трехмерную сетчатую структуру, после чего изменить их форму уже нельзя.

Так, например, термопластами являются пластмассы на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ) и т.д.

Реактопластами, в частности, являются пластмассы на основе фенолформальдегидных смол.

Каучуки

Каучуки — высокоэлластичные полимеры, углеродный скелет которых можно представить следующим образом:

Как мы видим, в молекулах каучуков имеются двойные C=C связи, т.е. каучуки являются непредельными соединениями.

Каучуки получают полимеризацией сопряженных диенов, т.е. соединений, у которых две двойные C=C связи, разделены друг от друга одной одинарной С-С связью.

Так например, особо зарекомендовавшими себя мономерами для получения каучуков являются:

  • 1) бутадиен
  • 2) изопрен
  • 3) хлоропрен

В общем виде (с демонстрацией только углеродного скелета) полимеризация таких соединений с образованием каучуков может быть выражена схемой:

Таким образом, исходя из представленной схемы, уравнение полимеризации изопрена будет выглядеть следующим образом:

Весьма интересным является тот факт, что впервые с каучуком познакомились не самые продвинутые в плане прогресса страны, а племена индейцев, у которых  промышленность и научно-технический прогресс отсутствовали как таковые.

Естественно, индейцы не получали каучук искусственным путем, а пользовались тем, что давала им природа: в местности, где они проживали (Южная Америка), произрастало дерево гевея, сок которого содержит до 40-50% изопренового каучука. По этой причине изопреновый каучук называют также натуральным, однако он может быть получен и синтетическим путем.

Все остальные виды каучука (хлоропреновый, бутадиеновый) в природе не встречаются, поэтому всех их можно охарактеризовать как синтетические.

Однако каучук, не смотря на свои преимущества, имеет и ряд недостатков.

Так, например, из-за того что каучук состоит из длинных, химически не связанных между собой молекул, его свойства делают его пригодным для использования только в узком интервале температур.

На жаре каучук становится липким, даже немного текучим и неприятно пахнет, а при низких температурах подвержен затвердеванию и растрескиванию.

Технические характеристики каучука могут быть существенно улучшены его вулканизацией.

Вулканизацией каучука называют процесс его нагревания с серой, в результате которого отдельные, изначально не связанные друг с другом, молекулы каучука «сшиваются» друг с другом цепочками из атомов серы (полисульфидными «мостиками»). Схему превращения каучуков в резину на примере синтетического бутадиенового каучука можно продемонстрировать следующим образом:

Волокна

Волокнами называют материалы на основе полимеров линейного строения, пригодные для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов.

Классификация волокон по их происхождению

Искусственные волокна (вискозу, ацетатное волокно) получают химической обработкой уже существующих природных волокон (хлопка и льна).

Синтетические волокна получаются преимущественно реакциями поликонденсации (лавсан, капрон, нейлон).

Источник: https://scienceforyou.ru/teorija-dlja-podgotoi-k-egje/polimery

Органические полимеры

Полимеры – это высокомолекулярные соединения, состоящие из множества повторяющихся различных или одинаковых по строению атомных групп – звеньев.

Эти звенья соединяются между собой координационными или химическими связями в разветвленные или длинные линейные цепи и в пространственные трехмерные структуры.

Полимеры бывают:

  • синтетическими,
  • искусственными,
  • органическими.

Природные органические полимеры

Органические полимеры в природе образуются в животных и растительных организмах. Самые важные из них – это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, каучук и другие природные соединения.

Человек давно и широко применяет органические полимеры в своей повседневной жизни. Кожа, шерсть, хлопок, шелк, меха – все это  используется для производства одежды. Известь, цемент, глина, органическое стекло (плексиглас) – в строительстве.

Органические полимеры присутствуют и в самом человеке. Например, нуклеиновые кислоты (их называют еще ДНК), а также рибонуклеиновые кислоты (РНК).

Свойства органических полимеров

У всех органических полимеров есть особые механические свойства:

  •  малая хрупкость кристаллических и стеклообразных полимеров  (органическое стекло, пластмассы);
  •  эластичность, то есть высокая обратимая деформация при небольших нагрузках (каучук);
  •  ориентирование макромолекул под действием механического направленного поля (производство пленок и волокон);
  •  при малой концентрации большая вязкость растворов  (полимеры вначале набухают, а потом растворяются);
  •  под действием небольшого количества реагента способны быстро изменить свои физико-механические характеристики (например, дубление кожи, вулканизация каучука).

Источник: http://lkmprom.ru/clauses/entsiklopediya/polimery-/

Полимеры — свойства и применение

Полимеры — это высокомолекулярные вещества с молекулярной массой отнескольких тысяч до нескольких миллионов. Свойства полимеров во многом обусловлены не только молекулярной массой, но и химическим составом звеньев, пространственной конфигурацией молекул, степенью разветвленности молекул, типом связей между молекулами, способом производства полимера.

В зависимости от всех этих параметров свойства полимеров могут различаться очень сильно.Практически все полимеры являются хорошими диэлектриками, обладают низкой теплопроводностью, высокой механической прочностью. Стеклообразные полимеры бьются без острых осколков.

Линейные полимеры обладают способностью к обратимым деформациям; поддаются ориентации макромолекул под влиянием механических нагрузок (на этом свойстве основано производство пленок и волокон). Важным качеством полимеров является резкое изменение характеристик при введении небольших количеств примесей.

Полимеры существуют в различных агрегатных состояниях: в виде тягучей жидкости (смазки, клеи, лаки и краски, герметики), в виде эластичных материалов (резины, силикон, эластомеры, поролон) и в виде твердых пластмасс (полиэтилен, полипропилен, поликарбонат и т.д.).

Полимеры в качестве химических веществ могут:— образовывать новые химические связи между молекулами; — образовывать новые связи между отдельными звеньями молекулы;— присоединять боковые звенья к основной цепочке молекул;— распадаться на отдельные мономеры.

Образование полимеров

Искусственные полимеры получают в результате трех типов реакций: полимеризации, поликонденсации, химических реакций. Полимеризацией называется процесс присоединения повторяющихся цепочек молекул (звеньев) к активному центру роста макромолекулы.

Механизм полимеризации состоит из таких этапов, как:— образование центров полимеризации;— рост молекул путем последовательного присоединения новых звеньев;— перенос центров полимеризации на другие молекулы, которые начинают активно расти;— разветвление молекул;

— прекращение процесса роста молекул.

Для того чтобы вызвать полимеризацию в исходном низкомолекулярном сырье, используют различные способы воздействия: высокое давление, высокие температуры, воздействие светом или облучением, катализатором. В результате полимеризации химический состав сырья и готового продукта остается одним и тем же, но меняется структура вещества.

Поликонденсацией называется процесс изготовления полимеров из многофункциональных соединений методом перегруппировки атомов и отделения побочных продуктов (воды, низкомолекулярных соединений). Способом поликонденсации, например, производят поликарбонаты, полиуретаны, фенолальдегидные смолы.

Применение

Современная экономика просто немыслима без различных полимеров. Да мыи сами состоим из природных полимеров: белков, нуклеинов, полисахаридов.

Производство полимеров в промышленных масштабах началось в начале 20-го века.

Практически одновременно промышленность начала производить искусственные полимеры методом переработки целлюлозы и синтетические полимеры методом переработки низкомолекулярного сырья (фенола, формальдегида, стирола, винилхлорида, акрила). На основе эфиров целлюлозы изготавливали, в частности, целлулоид, пленки, лакокрасочные материалы.

Например, развитие кинематографа напрямую связано с появлением нитроцеллюлозных прозрачных пленок. Из синтетических полимеров перед Второй мировой войной особо важным было получение искусственного каучука, оргстекла, фенолформальдегидных смол.

В настоящее время полимеры используются практически во всех областях производства.

Из них делают игрушки и строительные материалы, имплантаты, ткани, лекарственные средства, смазку для станков, защитные маски и очки, оптические стекла, навесы и окна, мебельные ткани и наполнители, кожезаменители и обработанные натуральные кожи, резины, упаковочные материалы, рекламную продукцию, корпуса приборов, ткани и волокна искусственные и синтетические, пленки различного назначения, конструкционные материалы

материалы для электротехнической и радиотехнической индустрии, украшения, ионообменные и эпоксидные смолы, пластики с экстремальными свойствами (жаростойкие и морозоустойчивые, повышенной твердости, пожаробезорасные  ит.д.). Полимеры служат основой для производства композиционных материалов.

Совет!

В магазине «ПраймКемикалсГрупп» широко представлена продукция из полимеров — это и пластиковая лабораторная посуда, и средства защиты, и различные лабораторные принадлежности. Также у нас можно купить и некоторые вещества, являющиеся полимерами — целлюлозу, крахмал, полиэтиленгликоль и другие, по выгодным ценам и с доставкой.

Источник: https://pcgroup.ru/blog/polimery-svojstva-i-primenenie/

Физические и химические свойства поливинилхлорида

Начало темы: Поливинилхлорид: полная информация о материале

Для начала представим небольшой список с основными физическими свойствами ПВХ, только отдельно для мягкого и твёрдого типов.

  • Плотность, г/см3 — 1.3 (мягкий), 1.4 (твёрдый);
  • Предел прочности на разрыв, МН/м2 — 16 (мягкий), 60 (твёрдый);
  • Относительное удлинение при разрыве — 400% (мягкий), 40% (твёрдый);
  • Коэффициент эластичности, МН/м2 — 20 (мягкий), 3000 (твёрдый);
  • Ударная вязкость (прочность) , КДж/ м2 — 30 (для обоих типов);
  • Термостойкость — +80 С (для обоих типов);
  • Удельное сопротивление, Ом*см — 1010 (мягкий), 1017 (твёрдый);
  • Электрическая прочность , МВ*м — 30 (мягкий), 32 (твёрдый);
  • Коэффициент линейного расширения ,10-6/C — 70 (для обоих типов).

Прочность и другие механические свойства. Теперь о физических свойствах более подробно. Из механических свойств отметим достаточно высокую твёрдость поливинилхлорида и очень хорошую жёсткость.

При этом механические свойства материала увеличиваются одновременно с увеличением молекулярной массы (что хорошо видно в представленных выше свойствах), однако значительно ухудшаются с повышением температуры, поскольку термостойкость поливинилхлорида очень низкая.

Механические свойства твёрдого ПВХ (или так называемого непластифицированного поливинилхлорида, НПВХ или PVC-U) достаточно хороши: например, модуль упругости может достигать 1500-3000 МПа. Мягкий ПВХ (или его ещё называют гибкий ПВХ) в этом отношении уступает весьма значительно: 1.

5-15 МПа. Относительное удлинение при разрыве составляет до 400% для мягкого и до 40% для твёрдого, непластифицированного поливинилхлорида.

Если же говорить о прочности труб из ПВХ, то их можно назвать относительно устойчивыми к различным механическим нагрузкам, так как в результате достаточно продолжительных воздействий (например, давления извне) они могут деформироваться.

Термостойкость.

Что касается термостойкости, то без какого-либо ущерба для себя изделия из ПВХ могут выдерживать температуру до +80 С (причём, кратковременно), и добавление термостабилизаторов здесь жизненно необходимо, чтобы гарантировать более-менее приемлемые свойства конечного продукта.

Заметим, что при +80 С НПВХ начинает размягчаться, а при достижении +140 С материал уже начинает разлагаться (для сравнения полипропилен (блок и рандом-сополимеры) и сшитый полиэтилен (PEXa, PEXb) при таких температурах даже не плавятся).

Тем не менее, коэффициент линейного расширения твердого ПВХ является не слишком большим и материал имеет довольно неплохую устойчивость к возникновению (но не воздействию) пламени, так как плавится поливинилхлорид очень даже хорошо, и это ведёт за собой и другие последствия в плане безопасности, о чём мы поговорим ниже.

Электропроводность.

Внимание!

ПВХ является полимером с хорошими электроизоляционными свойствами, однако по электропроводности он всё же несколько выше так называемых неполярных полимеров, таких как полиэтилен и полипропилен, которые являются лучшими диэлектриками среди полимерных материалов.

Если же говорить о поливинилхлориде, то он подходит в качестве изоляции к проводам и кабелям низкого напряжения, и может использоваться для некоторых кабелей среднего напряжения и низкочастотных изоляционных материалов. Что касается применения изоляции ПВХ для кабельных систем высокого напряжения, то здесь она не подходит категорически.

Химическая и биологическая стойкость и экологичность. Начнём с последнего: биологическая устойчивость ПВХ полностью зависит от типа материала.

Так гибкий ПВХ, а также НПВХ обладают не слишком высокой устойчивостью к различным микроорганизмам, а вот ХПВХ в этом плане значительно лучше.

Что касается типичного поливинилхлорида, который известен также, как RPVC, то есть ригидный поливинилхлорид, то здесь наблюдается очевидная деградация материала в процессе срока эксплуатации.

Различные химические реакции с окружающей средой весьма значительно уменьшают среднюю молекулярную массу полимера, и так как механическая целостность пластмассы зависит от ее высокой средней молекулярной массы, износ неизбежно ослабляет материал.

Ухудшение качества и нарушение целостности ПВХ приводит к появлению мелких трещин на поверхности, а микрочастицы, образующиеся на поверхности действуют подобно губке и впитывают различные органические загрязнители. Кроме того, эти микрочастицы часто заглатываются и различными микроорганизмами.

Существуют доказательства, что три полимера (HDPE, LDPE — полиэтилен низкого и высокого давления, и PP — полипропилен различных типов), практически не впитывают органические соединения, в отличие от PVC — поливинилхлорида и PET — политерефталата.

Опыты показали, что после 12 месяцев взаимодействия этих пяти материалов наблюдалось более чем 30-кратное различие в поглощаемости среды — и наибольшую поглощаемость продемонстрировал как раз ПВХ. Исследователи полагают, что именно различия в размере и форме молекул полимера могут объяснить, почему некоторые накапливают больше загрязнителей, чем другие.

И действительно, всё дело именно в химической структуре полимеров, которая влияет и на биологические свойства и соответственно экологичность материала. И экологичность ПВХ не на самом высоком уровне именно из-за уязвимости материала к биологическим воздействиям, а в некоторых случаях и из-за добавления различных модификаторов.

Что же касается химической стойкости материала к различным веществам, то отметим, что ПВХ, особенно ХПВХ обладает хорошей химической стойкостью, что вкупе с хорошими механическими свойствами, позволяет использовать этот материал для нужд химической промышленности — например, для производства резервуаров для хранения некоторых сред, сточных и промышленных канализационных труб в химической промышленности.

В этом отношении ХПВХ можно сравнить с полиэтиленом и полипропиленом, а вот свойства обычного поливинилхлорида несколько хуже, и некоторые химические раздражители, с которыми полиэтилен и полипропилен справляются на отлично, ПВХ не держит.

Коррозионная стойкость.

Здесь отметим, что, как и любой полимерный материал, поливинилхлорид любого типа обладает почти максимальной устойчивостью к возникновению самых разных коррозионных процессов, включая химическую и электрохимическую, атмосферную и другие разновидности коррозии, в том числе коррозионную кавитацию. Но оговорились мы не зря — дело в том, что поливинилхлорид устойчив ко всем типам коррозии, кроме биологической.

Как мы уже отмечали в предыдущем пункте, когда говорили о проблемах химической и биологической стойкости ПВХ, материал уязвим для проникновения органических веществ. И стоит добавить, что и микроорганизмы вполне способны успешно жить и размножаться в трубах ПВХ, и именно от биокоррозии весьма страдают эти трубы, как и металлические.

Конечно, бактерии не съедают эти трубы так, как металлические, а больше живут в них, но тем не менее, назвать их экологически безопасными, в отличие от, например, полиэтиленовых и полипропиленовых, уже нельзя. И это, разумеется, не слишком хорошо сказывается на долговечности и гигиеничности труб из поливинилхлорида.

Морозоустойчивость. Здесь стоит отметить, что трубы ПВХ часто используются при более низкой температуре (ниже 0 С) или в более холодном климатах, или для транспортировки холодных жидкостей.

Важно!

Тем не менее, стоит отметить, что их морозостойкость не столь высока, как, например, у полипропиленовых или труб из сшитого полиэтилена.

Впрочем, изделия из поливинилхлорида, как правило, вполне нормально переносят температуру до -20 С, но при этом ударопрочность ПВХ уменьшается при более низких температурах весьма значительно, особенно под динамической нагрузкой.

Так, для некоторых разновидностей ударная вязкость при -20 C сокращается в 2 раза по сравнению с показателями при +20 C.

Добавление модификаторов улучшает ударопрочность ПВХ и позволяет работать и при пониженных температурах достаточно эффективно, однако, используя трубы ПВХ при низких температурах, нужно в обязательном порядке при монтаже предусмотреть дополнительную защиту от механических повреждений.

Теплоизоляция, шумоизоляция, устойчивость к ультрафиолетовому излучению.

Говорить о теплопроводности ПВХ не приходится, поскольку этот материал не является термостойким, а значит и не подходит для систем отопления и даже горячего водоснабжения.

Что касается шумоизоляции, то здесь очень хорошие показатели показывает ХПВХ, а вот обычный поливинилхлорид по этому показателю уступает, например, полипропилену или сшитому полиэтилену.

Устойчивость же ПВХ к ультрафиолетовому излучению зависит от наличия светостабилизаторов в составе материала, хотя в целом поливинилхлорид не так чувствителен к свету, как, например, полиэтилен или полипропилен. Но это преимущество нивелируется многими недостатками материала, уже рассмотренных в данной статье.

Износостойкость и долговечность.

Трубы из ПВХ по износостойкости уступают полипропиленовым и полиэтиленовым (сшитый полиэтилен), и их можно использовать в системах холодного водоснабжения, но в системах горячего водоснабжения с достаточно высокой температурой среды они потеряют свои механические свойства буквально в считанные месяцы, поскольку не обладают достаточной термостойкостью.

Если же говорить о ПВХ в плане использования в системах канализации, то здесь они могут эксплуатироваться достаточно длительное время — на протяжении нескольких десятков лет, при этом не теряя своих свойств, точно так же, как и в системах холодного технического водоснабжения.

Тем не менее, как мы уже отмечали, срок эксплуатации изделий из ПВХ всё равно не дотягивает до максимального из-за того, что со временем они начинают постепенно изнашиваться, внутренняя поверхность становится шершавой и уязвимой для различных воздействий, даже временами перестаёт быть гладкой, что не слишком хорошо сказывается на экологичности материала и других его эксплуатационных свойствах.

Совет!

Вы можете в любое время задать свои вопросы нашим специалистам по тел: 8 (495) 268-0-242 или по эл. почте: info@nomitech.ru

Источник: https://nomitech.ru/articles-and-blog/fizicheskie_i_khimicheskie_svoystva_polivinilkhlorida/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Макромолекулы поливинилхлорида имеют разветвленное строение. Установлено, что одно разветвление приходится на 50 – 100 мономерных звеньев. Растворы полимеров одинакового среднего молекулярного веса, полученных различными методами, имеют примерно одинаковую удельную вязкость.  [2]

Макромолекула поливинилхлорида имеет линейное строение н все атомы хлора типично вторичные.

Поэтому, казалось бы, поливииилхлорид должен быть весьма устойчивым к температурным воздействиям.

В действительности же при температуре выше 100 С он теряет хлористый водород, причем установлено, что эта реакция ничем не активируется.  [3]

Макромолекула поливинилхлорида, как подтверждается рентгенографическими исследованиями, построена из большого числа повторяющихся – СН2 – CHCl-звеньев.

Цан [129] и Зей-польд [128] указывают, что для поливинилхлорида характерно винтообразное расположение диполей в макромолекуле, которые связываются между собой водородными мостиками.

Обнаруженная Кратким, Секорой и Трейбером [130] резкая интенсивная экваториальная интерференция, как оказалось [131], связана с ориентацией длинноцепочечных молекул мягчителей полимера.  [4]

Внимание!

Вмакромолекулах поливинилхлорида имеются и разветвления – на 50 – 100 звеньев приходится одно разветвление.

Скорость полимеризации хлористого винила постепенно нарастает и при превращении мономера на 30 – 40 % становится постоянной.

В конце процесса, когда степень превращения хлористого винила составляет 75 – 80 %, скорость заметно падает. Это явление носит название гель-эффекта и наблюдается всегда, когда полимер нерастворим в мономере.

Поливинилхлорид нерастворим в своем мономере. Частицы полимера адсорбируют мономер, и дальнейшая полимеризация идет в набухших частицах полимера. Система приобретает большую вязкость, что и влечет за собой уменьшение скорости реакции.  [5]

В отсутствие регулятора 1макромолекула поливинилхлорида состоит в среднем из 610 звеньев. В присутствии четыреххлористого углерода среднее число звеньев в макромолекуле равно 520, следовательно, 610 звеньев приходится на 6Ю: 520 1 17 макромолекул.  [6]

Возможность образования таких структур вмакромолекулах поливинилхлорида обусловлена природой реакций, протекающих в процессе радикальной полимеризации винилхлорида.  [7]

Стабилизаторы должны препятствовать отщеплению хлористого водорода измакромолекулы поливинилхлорида, взаимодействовать с хлористым водородом, обладать диенофильными свойствами, являться антиоксидантами, поглощать ультрафиолетовые лучи.

Кроме того, стабилизаторы должны хорошо совмещаться с полимером, не оказывать влияния на цвет и прозрачность готовых изделий, быть нетоксичными, не взаимодействовать с пигментами и другими добавками, обладать определенными смазочными свойствами, минимальной растворимостью в воде, быть дешевыми и доступными.

Стабилизатор должен – легко смешиваться с пластификатором. Если стабилизатор-твердое вещество, его нужно хорошо размельчить. В некоторых случаях очень важно, чтобы стабилизатор и продукты его взаимодействия с хлористым водородом не обладали значительной электропроводностью. Часто требуется, чтобы стабилизатор защищал полимер от действия микроорганизмов.  [8]

Следовательно, в пространстве, образованном двумямакромолекулами поливинилхлорида, между двумя последовательными полярными группами укладывается несколько молекул эфира фталевой кислоты.  [9]

Важно!

По-видимому, в исследуемых условиях в концентрированных растворахмакромолекулы поливинилхлорида менее ассоциированы в циклогексаноне, поскольку в последнем поливинилхлорид растворяется лучше, чем в диметилформамиде. Об этом свидетельствует также сравнение характеристических вязкостей полимера в этих растворителях.  [10]

С увеличением до определенного предела содержания хлора вмакромолекуле поливинилхлорида и, следовательно с понижением регулярности строения макромолекулы поливинилхлорида уменьшается интенсивность межмолекулярного взаимодействия и соответственно изменяется комплекс свойств полимера аналогично тому, как это имеет место при получении сополимеров нерегулярного строения.  [11]

С увеличением до определенного предела содержания хлора вмакромолекуле поливинилхлорида и, следовательно, с понижением регулярности строения макромолекул уменьшается интенсивность межмолекулярного взаимодействия и соответственно изменяется комплекс свойств полимера аналогично тому, как это имеет место при получении сополимеров нерегулярного строения.  [12]

С увеличением до определенного предела содержания хлора вмакромолекуле поливинилхлорида и, следовательно с понижением регулярности строения макромолекулы поливинилхлорида уменьшается интенсивность межмолекулярного взаимодействия и соответственно изменяется комплекс свойств полимера аналогично тому, как это имеет место при получении сополимеров нерегулярного строения.  [13]

Большое значение имеет возможность прогноза совместимости и типа связи пластификаторов смакромолекулами поливинилхлорида по результатам определения критической температуры растворения полимера.  [14]

Хлорированный поливинилхлорид получается при хлорировании поливинилхлорида, причем на каждые три структурные звенамакромолекулы поливинилхлорида присоединяется один атом хлора.

Источник: http://www.ngpedia.ru/id132438p1.html

Макромолекулы поливинилхлорида

Макромолекулы поливинилхлорида имеют разветвленное строение. Установлено, что одно разветвление приходится на 50—100 мономерных звеньев.

Растворы полимеров одинакового среднего молекулярного веса, полученных различными методами, имеют примерно одинаковую удельную вязкость.

Полученный поливинилацетат можно полностью окислить азотной кислотой. В продуктах окисления найдено большое количество уксусной и щавелевой кислот и совершенно отсутствует янтарная кислота.

Это еще раз доказывает большую вероятность сочетания звеньев в макромолекулах поливинилхлорида по схеме голова к хвосту .

Решение. В отсутствие регулятора 1 макромолекула поливинилхлорида состоит в среднем из 610 звеньев. В присутствии четыреххлористого углерода среднее число звеньев в макромолекуле равно 520, следовательно, 610 звеньев приходится на 610 520 = 1,17 макромолекул.

В расчете на 1 макромолекулу поливинилхлорида, полученного в отсутствие регулятора, увеличение числа макромолекул под действием ССЦ составит 1,17- 1,0 = 0,17.

Одновременно может происходить и сшивание макромолекул поливинилхлорида.

Влияние пластификатора на свойства поливинилхлорида. Из-за неуравновешенного строения макромолекула поливинилхлорида полярна.

Это обусловливает наличие сильных межмолекулярных связей, прочно скрепляющих между собой макромолекулярные цепи, благодаря чему поливинилхлорид — материал жесткий и негибкий.

Совет!

Длй изготовления гибкого и эластичного материала прибегают к пластифицированию поливинилхлорида, в результате чего получают поливинилхлоридный пластикат, имеющий важное значение в электроизоляционной технике, особенно для изоляции проводов и кабелей.

Сколько мономерных звеньев входит в макромолекулу поливинилхлорида с молекулярной массой 350 ООО

Степень разветвленности макромолекул поливинилхлорида мало изучена, но, по имеющимся данным, полимер состоит из линейных или малоразветвленных макромолекул.

Винипласт — термопластичный м.атериал, состоящий в основном из макромолекул поливинилхлорида с молекулярной массой от 18 до 120 тыс., к которому для предотвращения термической деструкции добавлен стабилизатор.

Винипласт удачно сочетает антикоррозионную способность с хорошими физико-механическими свойствами.

Он не подвергается разрушению в минеральных кислотах (за исключением сильных окислителей), щелочах, в солевых растворах, во многих органических растворителях, кроме ароматических и хлорированных углеводородов.

Ценным свойством винипласта является его пластичность прн нагревании, которая позволяет легко изготавливать материалы, детали и конструкции любой формы штампованием, выдавливанием и гнутьем, так же как из металлов. К тому же его можно резать, строгать, сверлить и полировать.

Изделия из винипласта можно сваривать токами высокой частоты и склеивать специальными клеями. К недостаткам относятся малая термическая устойчивость (выше 50 °С), набухаемость в воде, низкая ударная вязкость, большой коэффициент термического расширения и постепенная деформация под нагрузкой. [c.142]

Внимание!

При помощи инфракрасных спектров было доказано наличие в макромолекуле поливинилхлорида двойных связей, возникших в результате частичного отщепления НС1, и разветвлений (по числу концевых метильных групп в полиэтилене, полученном при восстановлении поливинилхлорида), присутствие остатков эмульгаторов, инициаторов и т..д. Этим же методом было получено подтверждение того, что повторяющаяся структурная единица в этом полимере содержит по крайней мере два мономерных остатка.

Поскольку плотность упаковки макромолекул поливинилхлорида высока и велики межмолекулярные силы, поливинилхлорид является достаточно хрупким материалом, особенно при низких температурах

Растворимость и другие свойства перхлорвинила зависят от молекулярной массы и степени хлорирования Нарушение регулярности структуры макромолекул поливинилхлорида при введении дополнительных атомов хлора приводит к ослаблению сил межмолекулярного взаимодействия, что способствует увеличению растворимости хлорированного полимера Так, хлорированный поливинилхлорид легко растворяется в сложных эфирах и кетонах

В макромолекулах поливинилхлорида имеются и разветвления— на 50—100 звеньев приходится одно разветвление. Скорость полимеризации хлористого винила постепенно нарастает и при превращении мономера на 30—40% становится постоянной.

В конце процесса, когда степень превращения хлористого винила составляет 75—80%, скорость заметно падает. Это явление носит название гель-эффекта и наблюдается всегда, когда полимер нерастворим в мономере.

Поливинилхлорид нерастворим в своем мономере. Частицы полимера адсорбируют мономер, и дальнейшая полимеризация идет в набухших частицах полимера. Система приобретает большую вязкость, что и влечет за собой уменьшение скорости реакции.

Клейне-Альберс [220], исследуя зависимость характера деформации поливинилхлорида от температуры,-показал, что цепи макромолекул поливинилхлорида, расположенные хаотично, при растяжении полимера начинают ориентироваться относительно друг друга только при повышенных температурах.

При темп, от —40 до +20° поливинилхлорид обладает только упругой деформацией и при его растяжении не наблюдается какой-либо ориентации молекул. При нагревании ненагруженного образца поливинилхлорида выше температуры стеклования ( 80°) происходит молекулярная перегруппировка и степень регулярности и компактности структуры полимера увеличивается [221].

Дифференциальным термическим анализом установлено, что при 55° поливинилхлорид имеет точку перехода, при прохождении которой наблюдается выделение тепла. При дальнейшем нагревании происходящие в полимере процессы имеют эндотермический характер вплоть до плавления полимера [222].

Разрыв макромолекул поливинилхлорида наблюдается не только при термодеструкции и старении, но и при механической переработке полимера [336].

Важно!

Повышение температуры пластикации уменьшает степень деструкции [337] аналогичное влияние оказывает добавление пластификаторов и стабилизаторов [290]. [c.

В работах по исследованию свойств растворов поливинилхлорида, опубликованных в последние годы, рассматриваются вопросы, связанные с ассоциацией макромолекул поливинилхлорида [242] и изучением разветвления макромолекул в процессе пластикации

Исследована также зависимость вязкости растворов от величины молекулярного веса и строения макромолекулы поливинилхлорида [233, 234, 351], проведены работы по определению кинетики и теплоты набухания и растворения поливинилхлорида в различных соединениях

При рассмотрении влияния химической структуры макромолекул поливинилхлорида на его стабильность необходимо принимать во внимание весьма низкую стойкость полимера, имеющего строение основной цепи по принципу голова к голове .

Такой полимер с 1,2-структурой способен к отщеплению хлористого водорода и образованию нерастворимого продукта при низких температурах и даже при повторном переосаждении [22].

Образование 1,2-структур в процессе полимеризации винилхлорида требует больших энергетических затрат, чем образование 1,3-структур, поскольку формирование первых требует преодоления сил взаимного отталкивания у сближающихся молекул мономера с полярным заместителем.

Относительное содержание 1,2-структур в полимере будет тем больше, чем выше температура полимеризации винилхлорида [23].

В макромолекулы поливинилхлорида могут быть введены мономеры с функциональными группами, способными играть роль стабилизаторов (замедлять деструкцию под действием тепла, света и других факторов).

Совет!

Сополимеризация винилхлорида с такими мономерами получила название внутренней стабилизации ПВХ.

Механизм внутренней стабилизации аналогичен механизму стабилизации при помощи соединений, добавляемых в композиции при переработке ПВХ .

Поэтому в качестве мономеров, обусловливающих внутреннюю стабилизацию, используются виниловые соединения с теми же функциональными группами, которые входят в состав обычных стабилизаторов ПВХ.

Макромолекулы поливинилхлорида по своей структуре очень мало разветвлены (или даже строго линейны).

Широкому применению поливинилхлорида в качестве пленкообразующего для лакокрасочных материалов, несмотря на era относительно небольшую стоимость, препятствует плохая растворимость в лаковых растворителях.

Это объясняется большой плотностью упаковки цепей полимера под действием межмолекулярных сил Ван-дер-Ваальса, достигающих значительной величины вследствие присутствия полярных групп хлора.

Расстояние между цепями макромолекул поливинилхлорида равно 2,8А, в то время как у полиэтилена оно достигает величины 4,3А. Сильная когезия между макромолекулами полимера препятствует также появлению текучести при нагревании.

В то же время покрытия на основе поливинилхлорида обладают слабой адгезией к металлу . Эти обстоятельства послужили причиной изыскания виниловых полимеров, обладающих растворимостью в лаковых растворителях.

Внимание!

К таким материалам относятся хлорированная поливинилхлоридная смола и сополимеры винилхлорида с другими мономерами. Представляет интерес применение поливинилхлорида в виде органодисперсий (пластизоли и органозоли) и в качестве порошковых красок.

СОСТАВ МАКРОМОЛЕКУЛЫ ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА

Синтез полиэтилена из поливинилхлорида.

При исследовании строения макромолекул поливинилхлорида последний подвергали восстановлению гидридом лития в растворе тетрагидрофурана при 150°. При этом был получен полиэтилен.

Превращение поливинилхлорида в полиэтилен связано с полным замещением в нем лтомов хлора атомами водорода

При восстановлении поливинилхлорида прп помощи литий-алюминийгидрида в указанных условиях не наблюдается расщеп- чения макромолекул полимера или и мeнeния их формы.

Макромолекулы поливинилхлорида, примененного для получения полиэтилена, содержали длинные боковые ответвления (по 1—2 ответвления на 100 звеньев цепи).

Эти ответвления сохраняются и в полученном из такого пoJ[ивинилxлopидa полиэтилене, придавая ему свойства, аналогичные свойства 1 полиэтилена, синтезированного ири высоких давлениях.

Получаемый хлорированный поливинилхлорид (перхлорви-ниловая смола) содержит около 64% хлора, что соответствует введению одного дополнительного атома хлора на три звена макромолекулы поливинилхлорида. Полимер хорошо растворим в ацетоне, вязкость его растворов значительно меньше вязкости растворов исходного поливинилхлорида.

Регулярность структуры. Кристаллизоваться могут только такие полимеры, молекулы которых построены регулярно. Б гомополимерах может возникнуть нерегулярность за счет разного пространственного расположения заместителей.

Важно!

Поэтому к кристаллизации способны только стереорегулярные полимеры. Чем больше нарушений регулярности в полимере, тем меньше содержание его кристаллической части.

В таких промышленных полимерах, как полистирол или полиметилметакрилат, заместители расположены нерегулярно, эти полимеры аморфны и не содержат кристаллической части.

Поливинилхлорид содержит сильно полярные атомы хлора, которые взаимно отталкиваются и поэтому значительная часть макромолекул поливинилхлорида построена относительно регулярно даже при получении полимера методом эмульсионноГ полимеризации.

Поэтому поливинилхлорид частично кристаллизуется. В полиэтилене нет заместителей, поэтому полиэтилен мог Оы быть идеально кристаллическим.

Однако в условиях синтеза в макромолекулах его возникают разветвления, которые нарушают регулярность, и это приводит к снижению степени кpи тaJrличнo ти в тем большей степени, чем больше разветвлений.

Так, полиэтилен, полученный путем разложения диазометапа (так называемый полиметилен), является полностью линейным. Степень кристалличности достигает в нем 95%. Полиэтилен высокой плотности, полученный на катализаторах

В полярных полимерах электронная плотность распределена несимметрично, т. е. положительные и отрицательные заряды смещены относительно друг друга.

Например, в макромолекулах поливинилхлорида [—СН2—СНС1—]и или поливинилового спирта [—СНг—СНОН—],г имеются боковые заместители (С1 или ОН), которые придают полярность всей полимерной цепи.

Макромолекула поливинилхлорида, как подтверждается рентгенографическими исследованиями, построена из большого числа повторяющихся —СН2— H l-звеньев.

Совет!

Цан [129] и Зей-польд [128] указывают, что для поливинилхлорида характерно винтообразное расположение диполей в макромолекуле, которые связываются между собой водородными мостиками.

Обнаруженная Кратким, Секорой и Трейбером [130] резкая интенсивная экваториальная интерференция, как оказалось [131], связана с ориентацией длинноцепочечных молекул мягчителей полимера.

Изучение вязкости, светорассеяния и двойного лучепреломления фракционированных образцов полимера, проведенное Петерлином [273], подтверждает данные спектроскопических исследований о наличии некоторой разветвленности в поливинилхлориде.

Биром и Кремером [274] показано, что разветвленность полимера в значительной степени зависит от условий проведения полимеризации.

Оказалось, что при одинаковом значении молекулярного веса фракции более разветвленного полимера имеют большую вязкость, чем фракции менее разветвленных образцов.

Это объясняется неоднородностью структуры и молекулярных весов разветвленных образцов, а также взаимодействием макромолекул друг с другом. О большом влиянии макромолекул поливинилхлорида на их взаимную ориентацию и связанную с этим вязкость растворов указано в работе Арлмана, Бога и Кау-мау [275].

Жесткий П. с повышенной теплостойкостью получается из поливинилхлорида, диизоцианата, малеинового ангидрида, мономера, катализаторов и наполнителей.

Компоненты смеси тщательно перемешивают и нагревают при 170 °С н давлении около 30 Мн/м (300 кгс/см ) до перехода полимера в гелеобразное состояние.

Одновременно начинается сополимеризация малеинового ангидрида с мономером и прививка сополимера к поливинилхлориду. Сополимеризацию прекращают, пресс-форму охлаждают под давлением и извлекают заготовку из формы, когда полимер еще термопластичен.

Вспенивание осуществляют, прогревая заготовку горячей водой или водяным паром. На этой стадии происходит размягчение полимеров и вспенивание углекислым газом, образующимся при взаимодействии изоцианата с водой и с кислотнымп группами сополпмера.

Параллельно со вспениванием проходит реакция сшивания макромолекул поливинилхлорида. В результате получается легкий и прочный П. с преимущественно закрытой структурой ячеек, известный в СССР под маркой шеноизовинил .

Известно, что поливинилхлорид по структуре представляет насыщенный полимер, построенный по принципу голова к хвосту .

Данные, полученные Криммом, Ляном и Сезерлендом [214] из подробного анализа инфракрасных спектров поглощения поливинилхлорида и его сополимеров, исключают спиральное строение полимерных цепочек.

Фукс и Луи [181] показали, что в конфигурациях поливинилхлорида и высокохлорированного поливинилхлорида нет существенных различий.

На основании же рентгенографических данных установлено, что макромолекулы высокохлорированного полимера имеют плоское строение. Бир и Кремер 215] указывают, что структура поливинилхлорида близка к структуре полиэтилена.

На основании данных о зависимости выхода полимера от количества инициатора авторы считают, что концевые группы макромолекул поливинилхлорида в значительной степени представляют собой ненасыщенные группировки, образовавшиеся в результате реакции передачи цепи от полимера к мономеру.

Важно!

Восстановление поливинилхлорида литийалюминийгидридом в атмосфере азота дает углеводород с т. пл.

118°, промежуточный по свойствам между полиэтиленами низкого и высокого давления [216], что подтверждает данные о наличии некоторой разветв-ле нности макромолекул поливинилхлорида.

Большое значение в качестве пластификаторов приобретают различные полимерные соединения, совмеш,аюш,иеся с поливинилхлоридом [222, 283, 415, 467, 474, 477] и обладаюш,ие крайне малой летучестью

При изучении влияния добавок бутадиенакрилонитрильного каучука Гузетта [484] показал, что с повышением содержания пластификатора повышается сопротивление пластиката растяжению, его устойчивость к жирам и маслам, уменьшается ударная прочность и текучесть на холоду.

Воюцкий, Зайончковский и Резникова [475] нашли, что в этом случае, как и в случае низкомолекулярных пластификаторов [485], макромолекулы поливинилхлорида взаимодействуют с молекулами полимерного пластификатора за счет полярных групп обоих компонентов.

Введение полярных добавок — этилового спирта или ацетона — в раствор смеси поливинилхлорида с поли-бутадиенакрилонитрилом вызывает блокирование полярных групп, приводит к падению вязкости смеси и исчезновению взаимодействия между компонентами.

С увеличением до определенного предела содержания хлора в макромолекуле поливинилхлорида и, следовательно с понижением регулярности строения макромолекулы поливинилхлорида уменьшается интенсивность межмолекулярного взаимодействия и соответственно изменяется комплекс свойств полимера аналогично тому, как это имеет место при пол чении сополимеров нерегулярного строения.

С повышением содержания хлора в продукте хлорирования поливинилхлорида до 63—65% увелп-чивается растворимость полимера в доступных растворителях, в частности в ацетоне, снижается температура размягчения и уменьшается вязкость эквиконцентрированных растворов полимера

Соединения, содержащие несколько функциональных групп, а также соединения с кратными связями полифункциональны. Так, например, винилхлорид СН.

2=СНС1, обладающий двойной связью, способен соединяться с двумя другими молекулами, а потому при его полимеризации образуются линейные макромолекулы поливинилхлорида.

Соединения с ббльшим числом двойных связей или с тройными связями могут соединяться с несколькими другими молекулами и способны поэтому образовывать сетчатые и пространственные полимеры.

То обстоятельство, что скорость распада становится значительной при относительно низких температурах, дало основание высказать мысль о присутствии в молекулах поливинилхлорида лабильных структур, нарушающих правильность чередования группы—СНг— и—СНС1 — и обусловливающих первичный акт разложения [3]. Возможность образования таких структур в макромолекулах поливинилхлорида обусловлена природой реакций, протекающих в процессе радикальной полимеризации винилхлорида.

Совет!

В состав макромолекул наряду с фрагментами инициатора могут быть включены разветвления, а также двойные связи на концах полимерных цепей появление разветвлений является результатом реакций передачи цепи через полимер, а ненасыщенных концевых групп — реакций диспропорционирования и передачи цепи через мономер 4].

Источник: http://chem21.info/info/822939/

Полимерные материалы: технология, виды, производство и применение

Полимерные материалы: технология, виды, производство и применение

Полимерные материалы – это химические высокомолекулярные соединения, которые состоят из многочисленных маломолекулярных мономеров (звеньев) одинакового строения.

Зачастую для изготовления полимеров используют следующие мономерные компоненты: этилен, винилхлорид, винилденхлорид, винилацетат, пропилен, метилметакрилат, тетрафторэтилен, стирол, мочевину, меламин, формальдегид, фенол.

В данной статье мы подробно рассмотрим, что такое полимерные материалы, каковы их химические и физические свойства, классификация и виды.

Виды полимеров

Особенностью молекул данного материала является большая молекулярная масса, которая соответствует следующему значению: М>5*103. Соединения с меньшим уровнем этого параметра (М=500-5000) принято называть олигомерами.

У низкомолекулярных соединений масса меньше 500. Различают следующие виды полимерных материалов: синтетические и природные. К последним принято относить натуральный каучук, слюду, шерсть, асбест, целлюлозу и т. д.

Однако основное место занимают полимеры синтетического характера, которые получают в результате процесса химического синтеза из соединений низкомолекулярного уровня.

В зависимости от метода изготовления высокомолекулярных материалов, различают полимеры, которые созданы или путем поликонденсации, или с помощью реакции присоединения.

Полимеризация

Этот процесс представляет собой объединение низкомолекулярных компонентов в высокомолекулярные с получением длинных цепей. Величина уровня полимеризации – это количество «меров» в молекулах данного состава.

Чаще всего полимерные материалы содержат от тысячи до десяти тысяч их единиц.

Путем полимеризации получают следующие часто применяемые соединения: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полибутадиен и др.

Поликонденсация

Данный процесс представляет собой ступенчатую реакцию, которая заключается в соединении или большого количества однотипных мономеров, или пары различных групп (А и Б) в поликонденсаторы (макромолекулы) с одновременным образованием следующих побочных продуктов: метилового спирта, диоксида углерода, хлороводорода, аммиака, воды и др. При помощи поликонденсации получают силиконы, полисульфоны, поликарбонаты, аминопласты, фенопласты, полиэстеры, полиамиды и другие полимерные материалы.

Полиприсоединение

Под данным процессом понимают образование полимеров в результате реакций множественного присоединения мономерных компонентов, которые содержат предельные реакционные объединения, к мономерам непредельных групп (активные циклы или двойные связи). В отличие от поликонденсации, реакция полиприсоединения протекает без выделений побочных продуктов. Важнейшим процессом данной технологии считают отверждение эпоксидных смол и получение полиуретанов.

Классификация полимеров

По составу все полимерные материалы делятся на неорганические, органические и элементоорганические. Первые из них (силикатное стекло, слюда, асбест, керамика и др.) не содержат атомарный углерод. Их основой являются оксиды алюминия, магния, кремния и т. д.

Органические полимеры составляют наиболее обширный класс, они содержат атомы углерода, водорода, азота, серы, галогена и кислорода.

Элементоорганические полимерные материалы – это соединения, которые в составе основных цепей имеют, кроме перечисленных, и атомы кремния, алюминия, титана и других элементов, способных сочетаться с органическими радикалами. В природе такие комбинации не возникают.

Внимание!

Это исключительно синтетические полимеры. Характерными представителями этой группы являются соединения на кремнийорганической основе, главная цепь которых строится из атомов кислорода и кремния.

Для получения полимеров с необходимыми свойствами в технике зачастую используют не «чистые» вещества, а их сочетания с органическими или неорганическими компонентами. Хорошим примером служат полимерные строительные материалы: металлопласты, пластмассы, стеклопластики, полимербетоны.

Структура полимеров

Своеобразие свойств этих материалов обусловлено их структурой, которая, в свою очередь, делится на следующие виды: линейно-разветвленная, линейная, пространственная с большими молекулярными группами и весьма специфическими геометрическими строениями, а также лестничная. Рассмотрим вкратце каждую из них.

Полимерные материалы с линейно-разветвленной структурой, кроме основной цепи молекул, имеют боковые ответвления. К таким полимерам относятся полипропилен и полиизобутилен.

Материалы с линейной структурой имеют длинные зигзагообразные либо закрученные в спирали цепочки.

Их макромолекулы прежде всего характеризуются повторениями участков в одной структурной группе звена либо химической единицы цепи.

Полимеры с линейной структурой отличаются наличием весьма длинных макромолекул со значительным различием характера связей вдоль цепи и между ними. Имеются ввиду межмолекулярные и химические связи.

Макромолекулы таких материалов весьма гибкие. И это свойство является основой полимерных цепей, которая приводит к качественно новым характеристикам: высокой эластичности, а также отсутствию хрупкости в затвердевшем состоянии.

А теперь узнаем, что такое полимерные материалы с пространственной структурой. Эти вещества образуют при объединении между собой макромолекул прочные химические связи в поперечном направлении.

Важно!

В результате получается сетчатая структура, у которой неоднородная либо пространственная основа сетки. Полимеры этого типа обладают большей теплостойкостью и жесткостью, чем линейные.

Эти материалы являются основой многих конструкционных неметаллических веществ.

Молекулы полимерных материалов с лестничной структурой состоят из пары цепей, которые соединены химической связью. К ним относятся кремнийорганические полимеры, которые характеризуются повышенной жесткостью, термостойкостью, кроме того, они не взаимодействуют с органическими растворителями.

Фазовый состав полимеров

Данные материалы представляют собой системы, которые состоят из аморфных и кристаллических областей.

Первая из них способствует снижению жесткости, делает полимер эластичным, то есть способным к большим деформациям обратимого характера.

Кристаллическая фаза способствует увеличению их прочности, твердости, модуля упругости, а также других параметров, одновременно снижая молекулярную гибкость вещества.

Отношение объема всех таких областей к общему объему называется степенью кристаллизации, где максимальный уровень (до 80%) имеют полипропилены, фторопласты, полиэтилены высокой плотности. Меньшим уровнем степени кристаллизации обладают поливинилхлориды, полиэтилены низкой плотности.

В зависимости от того, как ведут себя полимерные материалы при нагреве, их принято делить на термореактивные и термопластичные.

Термореактивные полимеры

Данные материалы первично имеют линейную структуру.

При нагреве они размягчаются, однако в результате протекания в них химических реакций строение меняется на пространственное, и вещество превращается в твердое. В дальнейшем это качество сохраняется.

На этом принципе построены полимерные композиционные материалы. Последующий их нагрев не размягчает вещество, а приводит только к его разложению.

Готовая термореактивная смесь не растворяется и не плавится, поэтому недопустима ее повторная переработка. К этому виду материалов относятся эпоксидные кремнийорганические, феноло-формальдегидные и другие смолы.

Термопластичные полимеры

Данные материалы при нагреве сначала размягчаются и потом плавятся, а при последующем охлаждении затвердевают. Термопластичные полимеры при такой обработке не претерпевают химических изменений.

Это делает данный процесс полностью обратимым. Вещества этого типа имеют линейно-разветвленную или линейную структуру макромолекул, между которыми действуют малые силы и совершенно нет химических связей.

К ним относятся полиэтилены, полиамиды, полистиролы и др.

Технология полимерных материалов термопластичного типа предусматривает их изготовление методом литья под давлением в водоохлажденных формах, прессования, экструзии, выдувания и другими способами.

Химические свойства

Полимеры могут перебывать в следующих состояниях: твердое, жидкое, аморфное, кристаллическое фазовое, а также высокоэластическое, вязкотекучее и стеклообразное деформационное.

Широкое применение полимерных материалов обусловлено их высокой стойкостью к различным агрессивным средам, таким как концентрированные кислоты и щелочи.

Совет!

Они не подвержены воздействию электрохимической коррозии. Кроме того, с увеличением их молекулярной массы происходит снижение растворимости материала в органических растворителях.

А полимеры, обладающие пространственной структурой, вообще не подвержены воздействию упомянутых жидкостей.

Физические свойства

Большинство полимеров являются диэлектриками, кроме того, они относятся к немагнитным материалам.

Из всех используемых конструкционных веществ только они обладают наименьшей теплопроводностью и наибольшей теплоемкостью, а также тепловой усадкой (примерно в двадцать раз больше, чем у металла).

Причиной потерь герметичности различными уплотнительными узлами при условиях низкой температуры является так называемое стеклование резины, а также резкое различие между коэффициентами расширения металлов и резин в застеклованном состоянии.

Механические свойства

Полимерные материалы отличаются широким диапазоном механических характеристик, которые сильно зависят от их структуры. Кроме этого параметра, большое влияние на механические свойства вещества могут оказать различные внешние факторы.

К ним относятся: температура, частота, длительность или скорость нагружения, вид напряженного состояния, давление, характер окружающей среды, термообработка и др.

Особенностью механических свойств полимерных материалов является их относительно высокая прочность при весьма малой жесткости (по сравнению с металлами).

Полимеры принято делить на твердые, модуль упругости которых соответствует Е=1–10 ГПа (волокна, пленки, пластмассы), и мягкие высокоэластичные вещества, модуль упругости которых составляет Е=1–10 МПа (резины). Закономерности и механизм разрушения тех и других различны.

Для полимерных материалов характерны ярко выраженная анизотропия свойств, а также снижение прочности, развитие ползучести при условии длительного нагружения. Вмести с этим они обладают довольно высоким сопротивлением усталости.

По сравнению с металлами, они отличаются более резкой зависимостью механических свойств от температуры. Одной из главных характеристик полимерных материалов является деформируемость (податливость).

По этому параметру в широком температурном интервале принято оценивать их основные эксплуатационные и технологические свойства.

Полимерные материалы для пола

Теперь рассмотрим один из вариантов практического применения полимеров, раскрывающего всю возможную гамму этих материалов.

Эти вещества нашли широкое применение в строительстве и ремонтно-отделочных работах, в частности в покрытии полов.

Огромная популярность объясняется характеристиками рассматриваемых веществ: они устойчивы к стиранию, малотеплопроводны, имеют незначительное водопоглощение, достаточно прочны и тверды, обладают высокими лакокрасочными качествами. Производство полимерных материалов можно разделить условно на три группы: линолеумы (рулонные), плиточные изделия и смеси для устройства бесшовных полов. Теперь вкратце рассмотрим каждый из них.

Внимание!

Линолеумы изготавливают на основе разных типов наполнителей и полимеров. В их состав также могут входить пластификаторы, технологические добавки и пигменты.

В зависимости от типа полимерного материала, различают полиэфирные (глифталевые), поливинилхлоридные, резиновые, коллоксилиновые и другие покрытия.

Кроме того, по структуре они делятся на безосновные и со звуко-, теплоизолирующей основой, однослойные и многослойные, с гладкой, ворсистой и рифленой поверхностью, а также одно- и многоцветные.

Плиточные материалы, изготовленные на основе полимерных компонентов, обладают весьма малой истираемостью, химической стойкостью и долговечностью.

В зависимости от типа сырья, этот вид полимерной продукции делят на кумаронополивинилхлоридные, кумароновые, поливинилхлоридные, резиновые, фенолитовые, битумные плитки, а также древесностружечные и древесноволокнистые плиты.

Материалы для бесшовных полов являются наиболее удобными и гигиеничными в эксплуатации, они обладают высокой прочностью. Эти смеси принято делить на полимерцемент, полимербетон и поливинилацетат.

Источник: http://.ru/article/143701/polimernyie-materialyi-tehnologiya-vidyi-proizvodstvo-i-primenenie

Свойства полимеров. Производство полимеров

Свойства полимеров. Производство полимеров

Погружение куска полимера в подходящий растворитель приводит на первых порах к его частичному растворению.

Результаты этого процесса во многих подробностях напоминают нам то самое «частичное плавление», при котором полимер можно себе представить как цепочку из отдельных звеньев-мономеров, соединенных гибкими нитями. При частичном растворении отдельные звенья большой молекулы переходят в раствор, однако связующие их «нити» сохраняются. Каждая молекула при этом обретает подвижность, но не может уйти от своих соседей на расстояние, превышающее длину «связи». Пространство между этими молекулами заполняет растворитель.

Как же сказывается такое неполное растворение на поведении реального полимера? Молекулярные цепочки, из которых он состоит, все еще продолжают быть перепутанными.

Таким образом, свойства, которые от этого зависят, до поры до времени не меняются.

Но то, что отдельные звенья как бы переходят в раствор и приобретают подвижность, сказывается на состоянии полимерных тел: полимер «набухает».

Даже впитывая большое количество растворителя, полимер долгое время сохраняет форму куска. Однако объем его все увеличивается и увеличивается.

Он может «вырасти» в несколько раз. Такой опыт легко удается с куском плексигласа, если его ненадолго опустить в бензол или хлороформ.

Плексиглас разбухнет и постепенно перейдет в каучукоподобное состояние.

Явление «частичного растворения» вы можете понаблюдать, если у вас дома есть кружевная салфетка или дождевой плащ из поливинилхлорида или поливинилацетата.

Эти вещества сами по себе образуют пленки жесткие и ломкие.

Важно!

Чтобы изделия из них стали мягкими и эластичными, в них вводится растворитель; в промышленном обиходе его называют пластификатором.

Набухая в растворителе, пленка полимера приобретает эластичность. Легко догадаться, что для использования в качестве пластификаторов подбираются растворители, точка кипения которых достаточно высока.

Иначе они слишком быстро испарятся из полимера, и тот «загрубеет». Рано или поздно это все же происходит. Поливинилхлоридовые или поливинилацетатные плащи и салфетки начинают «деревенеть» и коробиться.

Попробуйте протереть их глицерином: «частичное растворение» в какой-то мере вернет им прежнюю мягкость.

Но вам не удастся до конца исправить разрушения, которые причиняют сложным полимерным молекулам световые лучи и другие внешние воздействия. Такие разрушения носят название «старения» полимера.

Мы говорили о частичном растворении. А если процесс растворения продолжать, погрузив полимер в растворитель на достаточно долгий срок? Что тогда с ним произойдет?

Рано или поздно (сроки зависят от особенностей растворителя и полимера) наступит такой момент, когда цепочки приобретут достаточную подвижность, чтобы разделиться и полностью перейти в раствор, т. е.

превратиться в жидкость. Однако, и превратившись в жидкость, полимер поначалу будет продолжать проявлять некоторые прежние свойства. Жидкость получится вязкая, густая, тягучая.

Совет!

Только при очень большом разбавлении (при котором концентрация полимера падает до одного или даже долей процента!) взаимодействие между длинными цепочечными молекулами настолько ослабеет, что они изолируются друг от друга.

Чтобы «сковать» молекулярную цепочку, химик применяет высокие температуры и давления. Однако температура подчас не только помогает молекулам соединяться в длинные цепочки, но и рвет их. Подобно тому как с помощью игл сшиваются куски ткани, так и химики при помощи катализаторов «сшивают» молекулы и превращают одни вещества в другие.

Таким образом, изучая сложную картину изменений свойств полимерных веществ (и прежде всего механических свойств, наиболее важных для практики), физико-химик приходит к заключению, что во всех случаях чудесные особенности полимеров связаны с двойственностью поведения полимерных молекул. Они одновременно подвижны и неподвижны, гибки и скованны.

Подвижны их отдельные звенья, в то время как перемещение всей цепочки в целом ограничено, благодаря тому что длинные цепи полимера либо перепутаны, либо, наоборот, строго ориентированы и скреплены теми же связями, какие существуют в кристалле. И в том и в другом случаях решающим обстоятельством является большая длина цепочки высокомолекулярных веществ.

Именно в этой особенности — большой длине молекулярной цепочки — коренятся главные преимущества полимерных веществ как технических материалов.

Короткие молекулярные цепочки не могут перепутаться настолько, чтобы было предотвращено свободное течение каучукоподобной жидкости. Их совокупность не может быть пронизана сеткой кристаллических связей.

И если уж они кристаллизуются, то сложенное из них твердое тело не обладает свойствами эластичности.

Большая длина молекулярных цепочек поддается управлению. Химики научились вовремя останавливать процесс дальнейшего наращивания звеньев, т. е. дальнейшего удлинения цепочек, если нужно задержаться на той стадии, когда достаточная прочность материала сочетается еще с его высокой эластичностью.

Мы можем, с другой стороны, легко перейти эту грань, если это понадобится. Надо только продолжить процесс наращивания полимерных цепочек.

В конце концов они перепутаются так основательно и столь многократно, что под действием все вновь и вновь возникающих молекулярных взаимодействий потеряют подвижность даже отдельные звенья.

Внимание!

Полимер приобретет жесткость вполне твердого тела — быть может, даже более твердого, чем иная кристаллическая постройка. В ней кристаллы могут «скользить», смещаться вдоль плоскости их соприкосновения. В полимерном материале такое смещение невозможно.

Как уже было сказано, затвердевать в процессе «старения» могут и некоторые каучукоподобные материалы.

Противоядием против «старения» — следствия чрезмерного удлинения полимерных цепей — могут служить такие вещества, вводимые в состав каучуков, которые препятствуют развитию процесса полимеризации, т. е. дальнейшему удлинению полимерных цепочек.

Разработка мер против «старения» полимеров — важная задача науки. Необходимо предохранить полимеры от всех изменений, происходящих под влиянием света, тепла, радиации, механических воздействий и т. д.

Многое, конечно, зависит и от гибкости самих полимерных цепочек.

Так, для изготовления каучука непригодны молекулы целлюлозы. При всей их длине они для этого слишком жестки.

Только если молекула достаточно гибка, Она сможет скрутиться в компактный клубок.

В свою очередь чем компактнее такое расположение молекулы, тем
больше то относительное удлинение, на которое способен образующийся из этих молекул каучук.

Однако жесткие молекулы обладают другими достоинствами, которыми нельзя пренебрегать.

Именно благодаря этой жесткости они легко распрямляются и хорошо ориентируются друг относительно друга.

Важно!

А когда они вытягиваются в параллельный пучок, то соприкасаются друг с другом, причем практически по всей длине.

Тем самым значительно расширяется «зона взаимных контактов».

Межмолекулярные взаимодействия, возникающие при таком параллельном расположении прямолинейных цепочек, становятся настолько сильными, что сместить молекулы друг относительно друга становится практически совершенно невозможным.

Если нить, сложенная из таких плотно прилегающих друг к другу цепочек, и разрывается, то это происходит не в результате разъединения двух соседних молекул, а за счет их полного разрушения (химик предпочел бы сказать: «за счет разрыва валентных связей»).

Эту — вероятно, одну из важнейших качественных особенностей полимеров — тайну их исключительной прочности можно истолковать на доступном языке элементарной механики.

Возьмем для примера цепь углеродных атомов (в частности, метиленовых звеньев СН2), последовательно связанных валентностью углерода.

Для того чтобы разорвать каждую такую валентную связь углеродных атомов, нужно затратить около 80 ккал (все эти расчеты относятся к одной грамм-молекуле).

Метиленовые звенья двух разных молекул, находящихся рядом, тоже притягиваются друг к другу, но их взаимодействие очень слабо. Чтобы переместить их друг относительно друга, достаточно самое большее, полкилокалории. Что из этого следует практически?

Малые молекулы сравнительно легко оторвать друг от друга, поэтому сложенное из них тело обладает малой механической прочностью и легко расплавляется под действием даже небольших температур. Однако химически это вещество достаточнСтруктура полимеров

Их сбережет пластмасса Пластмасса, пластмасса, пластмасса… Это слово встречается чаще, чем «чугун», «сталь», «дерево». Подсчитано, что только на стройках нашей страны в ближайшее время пластмассы смогут заменять каждый год около 12 млн. м3 пиломатериалов, свыше 9 млрд. шт. кирпича, 140 тыс. Т стали и 15 тыс. Т цветных металлов. Общая сумма экономии составит от этого 3,5 млрд. руб. А на эти деньги можно будет каждый год строить 1000 больших домов, в которые смогут въехать сотни тысяч новоселов.

В больших молекулах все обстоит как раз наоборот.

Для разрыва молекулы на две части достаточно все тех же 80 ккал, но вот для перемещения молекул друг относительно друга нужно уже столько раз по полкилокалории, сколько одно и то же метиленовое зерно повторяется в большой молекуле.

А таких повторений могут быть сотни и даже тысячи. В этом случае гораздо легче разорвать молекулу, чем оторвать две молекулы друг от друга. Иначе говоря, новая совокупность молекул обеспечивает материалу и новое качество — повышенную прочность.

Прежде всего молекулы простых, исходных веществ, на основе которых мы хотели бы получить те или иные полимеры, должны содержать группы, способные присоединять молекулы того или другого мономера. Такими способностями наделены группы, содержащие двойную или тройную связь между атомами углерода или углерода и азота.

Совет!

Однако присутствие двойной или тройной связи в молекуле мономера — не единственное условие, указывающее на возможность ее участия в процессах полимеризации.

Эту способность могут приобрести вещества, содержащие другие группировки, например кольца, способные к размыканию.

Разомкнув подобное кольцо и полимеризовав мономеры, содержащие эти группировки, получают уже упоминавшиеся полиамидные смолы, из которых изготовляются капрон, нейлон и др.

Далеко не все химические реакции происходят в результате непосредственного взаимодействия молекул реагирующих веществ.

В определенных условиях молекулы могут отщеплять атомы или группы атомов с образованием ионов — электрически заряженных частиц пли свободных радикалов — нестойких заряженных частиц.

Многие реакции полимеризации происходят по так называемому цепному механизму, при котором непрерывно образуются способные к реакции радикалы.

Для того чтобы мог начаться рост цепи полимера, необходимо привести хотя бы небольшую часть молекул мономера в возбужденное состояние, или, как выражаются химики, «активизировать» их.

С этой целью применяют активаторы или инициаторы реакции (чаще всего различные перекиси).

Внимание!

Иногда активация молекулы достигается другим путем, например действием света или радиоактивных излучений, повышением температуры.

Наряду с полимеризацией для получения полимеров широко применяют и метод поликонденсации.

У мономеров, которые участвуют в этом процессе, отсутствуют двойные связи, но есть химически активные группы.

Поэтому в процессе химической реакции одновременно с образованием полимера выделяются и низкомолекулярные вещества, спирт или вода.

Присутствие в молекуле полимера фтора или кремния делает получаемый материал весьма устойчивым к химическим воздействиям.

Например, полимер тетрафторэтилена — фторопласт один из самых замечательных синтетических материалов.

Без заметного снижения механической прочности он выдерживает нагревание до 300°; на него не действуют ни горячая азотная кислота, ни кипящая щелочь, ни «царская водка». Он даже более стоек, чем платина.

Кремнийорганические полимеры, благодаря сочетанию «скелета» из чередующихся атомов кремния и кислорода (что их сближает с кварцем и песком) и органических групп на основе атомов углерода в боковых цепях, обладают замечательными свойствами.

Важно!

Они совмещают теплостойкость, характерную для песка и кварца, с мягкостью, эластичностью и растворимостью органических смол.

На основе кремнийорганических полимеров получают не только твердые, жесткие или гибкие смолы для жаростойких пластмасс и лаковых покрытий, электроизоляции и каучуков для резин, но и водоотталкивающие покрытия, жидкие и вязкие масла, которые не замерзают при очень низких температурах.

Кремнийорганическая изоляция увеличивает продолжительность работы различных электромашин, аппаратов и других электротехнических устройств. Она позволяет повысить плотность тока в обмотках электрических машин и аппаратов, благодаря ее применению удается сократить вес оборудования на 35-40%.

При этом значительно уменьшаются размеры электрооборудования; если же они сохраняются, то повышается мощность электрических машин и аппаратов. В кабельной промышленности пластмассы заменят за семилетку около миллиона тонн свинца.

Огромное значение кремнийорганических материалов для новой техники хорошо видно на одном характерном примере. Мы уже упоминали органические заменители хрупкого силикатного стекла — плексиглас и полпвинилбутираль.

Оба эти полимера оказались непригодными для ветровых стекол самолетов, летающих со сверхзвуковыми скоростями. Как известно, при этих скоростях на поверхности самолета возникают области высоких температур.

Между тем уже при температуре +83° прослойка из поливинилбутираля становится мягкой, теряет сопротивление к сдвигам, пузырится. При температуре —53° эта прослойка становится такой же хрупкой, как и стекло.

А прозрачный кремнийорганический каучук обеспечивает и прочность и прозрачность ветровых стекол в промежутке температур от —53° до +177°.

Включение в полимерные молекулы металлов позволяет создавать удивительные пластмассы, обладающие электрическими свойствами.

Их можно использовать также и в качестве полупроводников.

Металлоорганические полимеры позволят заменить германий и селен, широко применяемые для изготовления полупроводниковых приборов.

Разработано много способов объединения в одну полимерную конструкцию разнохарактерных цепей. Это обусловливает подчас причудливое сочетание свойств полимерных материалов.

Совет!

Разными способами (начиная от механического перетирания и кончая воздействием радиоактивных излучений) на конце или на любом другом участке полимерной цепи создают свободные радикалы, на которые наращивают новые цепи. Так получают не только разветвленные конструкции полимера одного состава, но и своеобразные «гибриды» из разных полимерных цепей, «складывающих» свои полезные свойства.

Например, сополимеры (таково более строгое химическое название этих «привитых», или «гибридных», полимерных форм) стирола с поливинилхлоридом приводят к получению материала, близкого к полистиролу по своим ценным свойствам электроизолятора и одновременно обладающего значительно большей огнестойкостью и бензомаслостойкостью, чем этот важный для техники полимер.

В другом случае на молекулы кремнийорганического каучука, который теплостоек, но неустойчив в среде бензина и масел, при воздействии гамма-лучей удалось «привить» боковые ветви бензо-маслостойкого полиакрилнитрила.

В этой же связи можно вернуться к вопросу об облагораживании натуральных целлюлозных волокон. Такое облагораживание связано в первую очередь с прививкой на поверхность целлюлозных волокон синтетических полимеров, в особенности того же акрилнитрила.

Подобные прививки изменяют упругие свойства волокон, уменьшают их смачивание, поверхностное трение, а следовательно, и износ, улучшают окрашиваемость.

Изделия из таких обработанных волокон устойчивы, не мнутся, стойко сохраняют свою форму; их не нужно гладить после стирки.

Уже открылись реальные возможности создания полимерных красителей, физиологических активных веществ, новых ионообменных смол и т. д.

Ныне — с расширением круга веществ, вовлекаемых в технический обиход, и в результате овладения широчайшими возможностями, которые таят в себе полимеры,— реально созданы предпосылки для создания любых материалов с любыми свойствами, которые могут понадобиться новейшей технике.

Источник: http://poisk-ru.ru/s2298t4.html

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.