ХІМІЯ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК Лекція 8
Добування та використання окремих груп полімерів План 1. Загальна характеристика виробництва полімерів. 2. Найважливіші групи полімерних речовин. 1. 2. 3. 4. 5. Пластмаси Волокна Еластомери Лакофарбові матеріали Клеї 3. Сировинна база виробництва полімерів. 2
1. Загальна характеристика виробництва полімерів • Світове виробництво полімерів і пластмас у ХХ столітті зросло від 20 тис. т/рік (1900 р. ) до 124 млн т/рік (2000 р. ), тобто збільшилася в 6200 разів. • Уже чверть століття обсяг виробництва полімерів перевищує загальний випуск кольорових металів. Середнє світове споживання пластмас до кінця минулого тисячоліття досягло 15 кг/рік на особу, а в окремих країнах (Фінляндія, Німеччина) перевищило 100 кг/рік. • Виробництво полімерів і полімерних матеріалів, особливо конструкційного призначення, стало одним з основних факторів, що визначають науковотехнічний прогрес в машинобудуванні, оборонної та медичній техніці, електроніці та інших провідних галузях народного господарства. 3
• Причини прискорених темпів розвитку виробницта полімерних матеріалів обумовлені перевагами їх застосування порівняно з металами: – 1 т пластмас економить 5 т металів, що надзвичайно важливо в транспортному машинобудуванні (аерокосмічна техніка, автомобіле- і суднобудування); – в 2 -5 разів нижчі питомі витрати енергії (наприклад, на виробництво 1 кг полікарбонатів витрачається 73 к. Вт-год, а на 1 кг титану - 1540 к. Вт-год); – у 2, 5 -4 рази нижче трудомісткість одиниці продукції; – більший порівняно з металами коефіцієнт використання матеріалу (до 0, 9 -0, 95 проти 0, 6 -0, 7). 4
2. Найважливіші групи полімерних речовин Полімери Клеї Пластмаси Еластомери Лаки і фарби Волокна 5
Пластмаси Пластмасами називають матеріали на основі полімерів, здатні набувати при нагріванні заданої форми і зберігати її після охолодження. ПЕ (25 %) ПВХ (20 %) ПС (15 %) Пластмаси Термопласти (термопластичні) структура не змінюється при нагріванні, з них можна формувати різні вироби і в разі потреби повторно переробляти Реактопласти (термореактивні) відбувається просторове структурування, тому повторно переробити такий матеріал на новий виріб неможливо 6
Складові пластмас • зв’язуючий компонент (власне полімер) – значною мірою визначає властивості матеріалу; • стабілізатори (антиоксиданти, світлостабілізатори) - сприяють зберіганню властивостей пластмас у процесі їх переробки і використання; • пластифікатори - підвищують еластичність, запобігаючи крихкості; • барвники - надають матеріалу потрібного забарвлення; • наповнювачі (деревне та кварцове борошно, тканина, скловолокно, азбест, папір, мелена слюда тощо), що знижують вартість матеріалу і поліпшують його механічні властивості. 7
Історія виробництва пластмас • використання природних пластичних матеріалів (бітуму, каучуку, шелаку), • використання хімічно модифікованих природних матеріалів (гума, нітроцелюлоза, галаліт), • використання синтетичних речовин (бакеліт, епоксидна смола, полівінілхлорид, поліетилен та інші). Ще за 700 років до нашої ери у Вавилоні природний бітум застосовували як цементуючий і водостійкий матеріал при будівництві каналу під річкою Євфрат. 1843 р. , американський винахідник Ч. Гудьір винайшов "вулканізацію" природного каучуку і запатентував першу тверду пластмасу Vulcanite (у Росії матеріал називається ебоніт). 1856 р. , англієць А. Паркес отримав на основі целюлози нову речовину під назвою паркезін. У 1866 - 1972 р. р. виробництво подібного матеріалу під назвою целулоїд було організовано в США Д. Хайтом. Першими синтетичними пластиками, що знайшли промислове застосування, були фенопласти. У 1902 р. шляхом конденсації фенолу з формальдегідом був отриманий перший синтетичний полімер лаккаін. Протягом 1920 -1960 років освоєні випуски полістиролу, поліпропілену, поліетилену. В подальшому розробка нових пластмас велась шляхом модифікації вже існуючих. 8
Поліетилен (─СН 2─)n • Поліетилен – тверда, напівпрозора речовина, термопластична, дещо жирна на дотик (нагадує парафін); горить ледь блакитним слабкосвітним полум’ям. За кімнатної температури не розчиняється в органічних розчинниках, на нього не діють розчини КМn. О 4, лугів, концентрвані сульфатна та хлоридна кислоти. Однак концентрована нітратна кислота руйнує поліетилен. • Існує три види цього полімеру – поліетилен низького (макромолекули практично лінійні), середнього та високого (макромолекули розгалужені) тиску. 9
Майже половина всього поліетилену високого тиску затрачається на виробництво поліетиленової плівки, що використовується в сільському господарстві та як пакувальний матеріал. Завдяки нетоксичності з поліетилену виробляють водопровідні труби, вироби домашнього вжитку, що є дуже зручними в експлуатації. Високі діелектричні показники поліетилену дозволяють використовувати його для ізоляції проводів та кабелів. Завдяки високій хімічній стійкості з поліетилену виготовляють різні ємкості для зберігання і перевезення хімічно агресивних рідин. 10
Поліпропілен (-СН 2─С(СН 3)Н─)n • Поліпропілен має багато спільного з поліетиленом. Це також твердий, жирний на дотик, молочно-білого кольору термопластичний матеріал з густиною 0, 91 г/см 3. Його також можна вважати насиченим вуглеводнем (молекулярна маса становить 80000200000). • Добувають в основному кристалічний поліпропілен стереорегулярної будови. Полімеризацію поліпропілену проводять у присутності каталізатора Циглера-Натта, що сприяє утворенню полімеру регулярної будови, за принципом “голова-хвіст” з правильним чергуванням метильних груп в ланцюзі і регулярною просторовою напрямленістю. 11
• Поліпропілен характеризується високою стійкістю проти дії кислот, лугів, розчинів солей та інших агресивних середовищ. • Вироби з поліпропілену можна використовувати при вищих температурах (до 120 -140°С), ніж вироби з поліетилену. • З поліпропілену виготовляють високоміцну ізоляцію, труби, деталі машин, хімічну апаратуру, дуже міцні канати, сітки, технічні тканини. Крім того, його застосовують для виготовлення фурнітури для взуття та одягу, іграшок, гребінців, футлярів тощо. 12
Полівінілхлорид (─СН 2─СНСl─)n • Полівінілхлорид (ПВХ) добувають суспензійною та емульсійною радикальною полімеризацією. • ПВХ є стійким проти дії кислот і лугів, має виражені діелектричні властивості, високу механічну міцність, він практично не горить, проте порівняно легко розкладається при нагріванні, виділяючи хлороводень. • Недоліком ПВХ є низька термостійкість. Тому цей полімер може експлуатуватись лише в присутності стабілізатора. 13
• На основі ПВХ добувають три типи матеріалів: – твердий (вініпласт), – м’який (пластикат), – пластизоль – суспензію порошку полімеру в пластифікаторі. • Вініпласт – твердий термопластичний матеріал, антикорозійний, використовується для виготовлення вентиляційних повітропроводів, деталей хімічної апаратури, труб, акумуляторних банок тощо. • З пластикату виготовляють лінолеуми, штучну шкіру, клейонку непромокні плащі, ізоляцію проводів тощо. • Пластизолі використовують при нанесенні покриття, зокрема на днище автомобілей, а також при виготовленні іграшок, плівок, рукавиць, калош і т. д. 14
Полістирен (─СН 2─(С 6 Н 5)СН─)n • Полістирол добувають радикальною полімеризацією блочним, емульсійним та суспензійним способами. • Полістирол – твердий прозорий скловидний матеріал із густиною 1, 05 г/см 3, молекулярна маса його становить 50000 -300000. Термопластичний, має аморфну будову. • Полістирол досить стійкий щодо дії лугів та кислот, крім нітратної; розчиняється в багатьох органічних розчинниках – ароматичних вуглеводнях, естерах. • Полістирол розм’якшується при 85°С і при нагріванні досить легко деполімеризується. Полістирол може легко займатись і горить на повітрі з виділенням великої кількості кіптяви. 15
• ПС - термопластичний матеріал, що легко піддається формуванню; з нього виготовляють широкий асортимент виробів, що не потребують великих механічних навантажень: декоративнооздоблювальні матеріали, різного роду панелі, облицювальні плитки тощо. • Полістирол – нетоксичний матеріал, його використовують для виготовлення посуду, галантерейних виробів, іграшок, освітлювальної апаратури, деталей електро- і радіоапаратури, кабельної ізоляції. • Різновидом полімеру є пінополістирол. Його виробляють добавляючи в процесі виготовлення матеріалу речовни-зпінювачі. При цьому полістстирол набуває структури застиглої піни із закритими порами. Такий полістирол дуже легкий. Його використовують як тепло- і звукоізоляційний матеріал. 16
Поліметилметакрилат (─СН 2─(СН 3)С(СООСН 3)─)n (органічне скло, плексиглас) • Поліметилметакрилат (ПММА) - тверда, безбарвна, прозора, світлостійка речовина, не розбивається при ударі. • Полімер стійкий проти дії кислот, лугів і не розчиняється в бензині і маслах. Густина його становить 1, 18 -1, 30 г/см 3, молекулярна маса від 150000 до 200000. При 180 -200°С полімер переходить у пластичний стан, а при 270°С і вище – руйнується. • Добувають ПММА блочною радикальною полімеризацією у формах із силікатного скла. 17
• Через свою прозорість полімер дістав назву органічного скла. Його можна фарбувати у будь-які кольори. На відміну від звичайного силікатного скла, ПММА легко обробляється механічними способами і склеюється. • З нього виготовляють різноманітні світлотехнічні вироби, зокрема ліхтарі стопсигналів та покажчики поворотів автомобілів. Крім того, органічне скло використовують для скління вікон тролейбусів, літаків, з нього виробляють лінзи для фотоапаратів, мікроскопів, біноклів, збільшувального скла, лазерної техніки тощо. • З ПММА виготовляють вази, ґудзики, лінійки, ручки та багато інших виробів. 18
Політетрафлуороетен (─СF 2─)n • Політетрафторетилен (фторопласт-4, тефлон) – випускається у відносно невеликих кількостях методом емульсійної полімеризації. • За звичайних умов політетрафторетилен (ПТФЕ) - це пухкий волокнистий порошок. На холоді він спресовується в таблетки, які нагадують парафін, при нагріванні до 300 -380°С вони перетворюються на масу білого або сіруватого кольору. Молекулярна маса ПТФЕ становить 140000 -500000, густина 2, 1 -2, 2 г/см 3. • За звичайних умов фторопласт-4 це суміш твердої кристалічної фази (в залежності від умов добування полімеру вона становить від 45 до 90%) з високоеластичною аморфною фазою. • За хімічною стійкістю фторопласт перевищує такі метали, як платина і золото. На нього не діють розчини навіть гарячих концентрованих кислот (нітратної та плавикової), гарячого лугу, царської води, хлорсульфонової кислоти тощо. В органічних розчинниках він також нерозчинний. Не існує жодного розчинника, в якому б фторопласт-4 хоча б набухав. Водою він не змочується. PTFE 19
• Завдяки цінним властивостям – високій хімічній стійкості, діелектричним властивостям, стійкості проти високих та низьких температур – фторопласт-4 знаходить широке застосування в авіації, радіотехніці, харчовій, фармацевтичній, холодильній промисловості. • Його використовують при виготовлені “сухих” підшипників, ємності для агресивних середовищ, як конструкційний та облицювальний матеріал в хімічному машинобудуванні, ізоляційний матеріал в високочастотній техніці. Інертність тефлону до масел, кислот і жирів дає змогу виготовляти з нього різний посуд для зберігання харчових продуктів та лікарських препаратів. Він не впливає на фізіологічні процеси, тому його можна застосовувати у відновній хірургії для виготовлення штучних хрящів і кісток. 20
Фенолформальдегідні смоли n • Фенолформальдегідні (ф/ф) смоли утворюються в результаті реакції поліконденсації фенолу з формальдегідом. • При невеликому надлишку фенолу (7 моль фенолу на 6 моль формальдегіду) в кислому середовищі (р. Н = 1, 5 -2, 5) утворюється лінійний полімер, що називається новолачною смолою. • Новолачні смоли за звичайних умов - речовини від світло-жовтого до темно-коричневого кольору. Густина їх становить 1, 2 -1, 22 г/см 3. Вони добре розчиняються в спирті, ацетоні, естерах. Новолаки відносяться до термопластичних речовин. Вони залишаються розчинними і плавкими навіть після тривалого зберігання, а також коли нагріти їх до 150 -180°С. • Якщо реакції між фенолами і формальдегідом відбуваються при надлишку останнього і в присутності лужного каталізатора (20 -25% водний розчин амоніаку або Nа. ОН), то утворюються резольні смоли (резоли). Їх також можна добути, обробляючи новолаки формальдегідом або уротропіном. Резольні смоли, на відміну від новолачних, термореактивні. • Макромолекули резолу при нагріванні до 150 -170°С зазнають подальшої поліконденсації. При цьому утворюється неплавка і нерозчинна смола з тривимірною просторовою структурою – резит. 21
• З волокнистих наповнювачів на основі фенолформальдегідних смол виробляють такі матеріали: • гетинакс (наповнювач - папір) • текстоліт (наповнювач - бавовняна тканина), • склотекстоліт (наповнювач – скляна тканина або скляне волокно), • деревошаруваті пластики (наповнювач - тонкі шари деревного шпону). • Значну частину фенолформальдегідних смол використовують з порошкоподібними наповнювачами, особливо з деревним борошном, слюдою, графітом. З прес-порошків виробляють панелі та різні деталі для радіоапаратури, корпуси телефонних апаратів, електричні вмикачі, штепсельні розетки, вилки, патрони тощо. 22
Завдання для самостійного опрацювання • Добування та властивості – амінопластів, – полікарбонатів, – поліамідів. 23
ДЯКУЮ ЗА УВАГУ! 24
Скачать презентацию ХІМІЯ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ СПОЛУК Лекція 8 Добування та
8_Zag_vlastyvosti_grupy.ppt