Разработка школьного элективного курса "Полимеры вокруг нас"

В зависимости от величины относительной молекулярной массы выделяют 3 группы веществ:

1. Низкомолекулярные соединения (НМС).

2. Смолы.

3. Высокомолекулярные соединения (ВМС).

Если относительная молекулярная масса соединения ниже примерно 500, то такие соединения рассматривают как НМС. От 500 до примерно 5000 – как смолы или олигомеры., а выше 5000 – как ВМС или полимеры.

Полимерами называют вещества, молекулы которых состоят из весьма большого числа повторяющихся (точно или приближенно) звеньев.

Молекулы ВМС называют макромолекулами.

Естественно, границы между выше названными соединениями достаточно условны; физическим критерием отнесения соединения к ВМС является невозможность обнаружить изменение свойств в результате присоединения или потери еще одного или нескольких звеньев.

Существуют различия в свойствах НМС и ВМС. Макромолекулы ВМС являются нелетучими, в отличие от молекул НМС. Практически все полимеры имеют цепное строение, то есть длина макромолекулы много больше диаметра.

Уникальные свойства полимеров:

- анизотропия свойств кристаллических, жидко – кристаллических и аморфных полимеров (приводит к тому, что на практике полимеры способны образовывать волокна и пленки).

- очень высокая эластичность и вязкоупругость.

- растворы полимеров, в отличие от обычных при малых концентрациях вещества (1 – 2 %), теряют текучесть.

Все ВМС по происхождению делятся на:

1. Природные

2. Синтетические

3. Искусственные

К природным полимерам относятся: целлюлоза, белки, крахмал, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, графит, силикаты.

К синтетическим полимерам относятся: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, капрон, лавсан, каучуки, стекловолокно.

Синтетические полимеры получают при помощи реакций полимеризации и поликонденсации таких веществ, которых нет в природе.

К искусственным полимерам относятся: ацетилцеллюлоза, нитроцеллюлоза, резина.

Искусственные полимеры получают из природных полимеров, используя химические методы, которые не затрагивают (не меняют) главную цепь.

Тема 1. Строение полимеров

Низкомолекулярное вещество, из которого по реакциям полимеризации или поликонденсации получают полимеры, называют мономером. Например, мономером политетрафторэтилена (- CF₂ - CF₂ -)_n является тетрафторэтилен (CF₂ = CF₂).

Повторяющийся участок структуры молекулы полимера носит название структурного звена. Обычно в качестве такого звена выбирают фрагмент, соответствующий одной молекуле мономера. Например, в структуре политетрафторэтилена (- CF₂ - CF₂ -)_n в качестве структурного звена рассматривают группу - CF₂ - CF₂ -, а не - CF₂ -.

Среднее число структурных звеньев в молекуле полимера называется степенью полимеризации (поликонденсации). Это число может варьироваться в очень широких пределах – от тысяч до десятков миллионов. При этом следует всегда помнить, что речь идет именно о средней величине. В веществе – полимере имеются молекулы с разной молекулярной массой. К ним неприменим закон постоянства состава, поскольку неизбежные колебания состава молекул на одно, десять, сто (некоторое не очень большое число) звеньев практически не влияют на свойства. Например,

 n CH₂ = CH ^{УФ - свет} ( - СН₂ – СН - )_n

 СН₃ СН₃

Число n в формуле полимера – является степенью полимеризации.

Понятие молекулярная масса для полимеров имеет некоторые особенности. При полимеризации в макромолекулы соединяется различное число молекул мономера в зависимости от того, когда произойдет обрыв растущей полимерной цепи. Вследствие этого образуются макромолекулы разной длины и, следовательно, разной массы, поэтому обычно указываемая для этого вещества молекулярная масса – это только среднее ее значение.

Для полимеров существует средневесовая (1) молекулярная масса и среднечисловая молекулярная масса (2).

М_w = Σ qw_(i)M_i = Σ q_(i) M_i²/ Σ qn_(i) M_i (1)

M_n = Σ qn_(i) M_i = Σ n_iM_i / Σ n_i (2)

ВМС классифицируют:

I. в зависимости от строения макромолекулы:

- молекулярные, состоящие из хотя и больших, но отдельных линейных или разветвленных молекул (полиэтилен).

- пространственные, ( - СН₂ – СН₂ - )_n представляющие собой одну гигантскую молекулу (резина).

II. по геометрии скелета макромолекулы:

А. цепные полимеры (линейные полимеры);

Б. разветвленные полимеры (содержат боковые ответвления от нескольких атомов до больших цепей)

- древообразование;

- звездообразование;

- гребнеобразные;

В. сшитые полимеры;

Г. лестничные;

Д. спирополимеры;

III. По характеру расположения звеньев:

А. гомоцепные полимеры (один тип мономеров);

Б. сополимеры (несколько типов мономеров)

- статистические сополимеры;

АААВВАВВВАА

- чередующиеся сополимеры;

АВАВАВ

- блок сополимеры (полимеры, линейные молекулы которых состоят из чередующихся блоков одного или нескольких сополимеров);

АААВВВ

- привитые сополимеры (состоят из последовательностей мономерных звеньев одного типа и боковых ответвлений другого типа);

АААААААААА

ВВВ ВВВ

IV. В зависимости от того из каких атомов построена цепь:

А. гомоцепные полимеры (полиэтилен); ( - СН₂ – СН₂ - )_n

В. гепироцепные полимеры (цепь состоит из атомов О, S, C и т.д.)

V. По характеру размещения элементарных звеньев в макромолекулярной цепи различают:

А. регулярные;

В. нерегулярные.

Регулярность строения выражается в правильно повторяющемся расположении атомов или их групп в цепи. Например, молекулы мономера типа СН₂ = СН – R могут присоединяться друг к другу с образованием макромолекулярной цепи двумя путями. Присоединение может идти по типу ά, ά – («голова к голове») и β, β - («хвост к хвосту»):

n^βCH₂ = ^άCH .... – ^βCH₂ – ^άCH – ^άCH – ^βCH₂ - ....

 R R R

Или по типу ά, β – («голова к хвосту»)

n^βCH₂ = ^άCH .... – ^βCH₂ – ^άCH – ^βCH₂ – ^άCH - ....

 R R R

Заместители R в макромолекулярной цепи могут занимать различное положение. Пространственное расположение (направленность) их также может быть различным. С этим связано понятие стереорегулярности полимеров, которое определяется чередованием заместителей R в пространстве с определенной периодичностью.

Среди стереорегулярных полимеров различают:

1. Регулярные полимеры:

а. полимеры синдиотактической структуры – боковые группы расположены последовательно по обе стороны от главной цепи:

б. полимеры изотактической структуры – все боковые группы – заместители расположены по одну сторону от главной макромолекулярной цепи:

2. К стереонерегулярным полимерам относятся полимеры атактической структуры – расположение боковых групп – заместителей беспорядочно:

VI. Материалы изготовленные из полимеров подразделяют на:

А. эластомеры ( каучуки, резина);

Б. пластомеры (пластики);

В. волокна (целлюлоза).

VII. в зависимости от способа переработки ВМС в изделии:

А. термопласты (перерабатываются расплавленными);

Б. реактопласты (для переработки требуют химической модификации) (1, 19, 20).

Тема 2. Синтез полимеров

Существуют 2 основных способа получения полимеров – реакция полимеризации и реакция поликонденсации.

Реакция полимеризации – это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера, не сопровождающийся выделением побочных низкомолекулярных веществ (Н₂О, HCl).

В реакцию полимеризации вступают ненасыщенные мономеры, у которых двойная связь находится между углеродными атомами или между углеродом и любым другим атомом:

n H₂C = CH₂ (этилен) → (H₂C = CH₂) n

Как видно из примера, реакция полимеризации не приводит к изменению элементного состава мономера. Как и любая другая химическая реакция, полимеризация начинается с разрыва одних химических связей и возникновения других. Такой разрыв может происходить или по гетеролитическому, или гомолитическому механизму. В первом случае образуются ионы, во вротом – свободные радикалы.

Полимеризация, протекающая через образование ионов называется ионной, а идущая с участием свободных радикалов – радикальной.

Таким образом, радикальная и ионная полимеризация различаются природой активного центра, начинающего и ведущего макромолекулярную цепь.

Полимеризация мономеров протекает по цепному механизму.

I. Радикальная полимеризация

Активным центром цепной полимеризации является свободный радикал. Реакция радикальной полимеризации складывается из трех основных стадий: инициирования, роста цепи и ее обрыва.

А. Инициирование (образование активного центра). На этой стадии происходит образование свободных радикалов (R′·), которые легко взаимодействуют с различными непредельными соединениями (мономерами).

R′· + СН₂ = СН₂R → R′ - CH₂ – CHR

В зависимости от способа образования свободных радикалов, начинающих реакционную цепь, различают несколько видов полимеризации: термическую, фотохимическую, радиационную и инициированную.

Одним из наиболее распространенных и часто применяемых на практике методов полимеризации является инициированная полимеризация. Она активируется соединениями, которые легко распадаются на свободные радикалы в условиях полимеризации. Такие соединения называют инициаторами полимеризации. Они содержат в своих молекулах неустойчивые химические связи (О – О, N – N, S – S, O – N и др.), которые разрываются при гораздо меньшей энергии, чем это требуется для образования свободного радикала из молекулы мономера (при ее активации). Инициаторами могут быть органические пероксиды и гидропероксиды, некоторые азо – и диазосоединения и другие вещества.

С₆Н₅ – СО – О – О – СО – С₆Н₅ → 2 С₆Н₅ – СОО· → 2 С₆Н₅·

Скорость распада инициатора на свободные радикалы можно увеличить не только повышением температуры, но и добавкой в реакционную среду специальных веществ – промоторов и активаторов.

Б. Рост цепи. Реакция роста цепи состоит в многократном присоединении молекул мономера к усложняющемуся каждый раз радикалу с сохранением свободного электрона в концевом звене растущей макромолекулы. Другими словами, растущая макромолекулярная цепь должна оставаться в период ее роста свободным макрорадикалом.

R′ + СН₂ – СНR + СН₂ = СНR → R′ - СН₂ – СНR – СН₂ – СНR               

R′ - (- CH₂ – CHR -)_n+1 – CH₂ – CHR и т.д.

В результате таких последовательных реакций присоединения двойная связь мономера превращается в простую, что сопровождается выделением энергии.

В. Обрыв цепи. Конец роста цепи связан с исчезновением свободного электрона у конечного звена макромолекулы. Чаще всего это происходит в результате соединения между собой двух радикалов (реакция рекомбинации), что приводит к возникновению углеводородной цепи, не способной к дальнейшему росту.

R′ - (- CH₂ – CHR -)_n – CH₂ – CHR + R′ - СН – СН₂ – R′ →

R′ - (- CH₂ – CHR -)_n – CH₂ – CHR – СН₂ – R′

II. Ионная полимеризация

Ионная полимеризация протекает с образованием либо иона карбония, либо карбаниона, с последующей передачей по росту цепи положительного или отрицательного заряда. В зависимости от этого различают катионную (карбониевую) и анионную (карбанионную) полимеризацию.

Ионная полимеризация, как и радикальная, - цепной процесс.

Ионная полимеризация проходит в присутствии катализаторов, способствующих образованию ионов. Поэтому ионная полимеризация называется также каталитической полимеризацией. Процесс ионной полимеризации протекает также в три стадии.

II. 1. Катионная (карбониевая) полимеризация. Для проведения такой полимеризации используют катализаторы, обладающие электроно–акцепторными свойствами: кислоты, катализаторы Фриделя – Крафтса (AlCl_3, BF₃ и др.).

Полимеризацию проводят в присутствии специальных добавок – сокатализаторов (вода, кислоты, другие вещества, являющиеся донорами электронов).

А. Инициирование. На этой стадии происходит взаимодействие катализатора (AlCl₃) и сокатализатора (НВ) с образованием комплексного соединения, которое проявляет свойства сильной кислоты

AlCl₃ + НВ →( AlCl₃В)^- + Н⁺

Эта кислота, отдавая протон молекуле мономера, превращает его в карбониевый ион, уравновешенный комплексным противоионом (ионная пара):

 ( AlCl₃В)^-Н⁺ + СН₂ = СНR → СН₃ – СНR_AlCl3В-

Сокатализаторами могут быть те вещества, которые взаимодействуют с катализаторами. Роль сокатализатора во многом зависит от характера реакционной среды. Большое значение имеет характер заместителя в молекуле иономера. Электронодонорные заместители (R) создают избыток электронной плотности на противоположном конце молекулы мономера и этим способствуют присоединению протона или карбатиона.

Б. Рост цепи. В процессе роста цепи полярные молекулы мономера присоединяются к растущему иону, «внедряясь» между макрокарбкатионом (со стороны его заряженной части) и противоионом (AlCl₃В^-):

СН₂ = СНR + СН₃ – СНR → СН₃ – СНR – СН₃ – СНR _AlCl3В- →

СН₃ – СНR - (- CH₂ – CHR -)_n – CH₂ – CHR _AlCl3В-

В. Обрыв цепи. Рост цепи прекращается при отщеплении (регенерации) от растущего иона комплексной кислоты или катализатора:

СН₃ – СНR - (- CH₂ – CHR -)_n – CH₂ – CHR _AlCl3В-

→ СН₃ – СНR - (- CH₂ – CHR -)_n – CH₂ – CHRB

→ СН₃ – СНR - (- CH₂ – CHR -)_n – CH = CHR

В результате катализатор снова выделяется в свободном виде.

II. 2. Анионная (карбанионная) полимеризация. Катализаторами этой полимеризации служат электроннодонорные вещества – основания, щелочные металлы, гидриды металлов, амид калия, а также металлорганические соединения.

Механизм анионной полимеризации в присутствии катализатора KNH₂ в среде жидкого аммиака.

А. Инициирование.

KNH₂ ↔ К⁺ + NH₂^- → H₂N – CH₂ – CHR_k+

Электроноакцепторные заместители (R) в молекуле мономера способствуют присоединению аниона. Оттягивая электронную плотность, они создают дефицит электронов на конце молекулы, к которому присоединяется отрицательно заряженная группа (NH₂^-).

Б. Рост цепи.

H₂N – CH₂ – CHR → H₂N – CH₂ – CHR – CH₂ – CHR_K+ →

H₂N – (- CH₂ – CHR - )_n+1 – CH₂ – CHR_K+

Как и при каталитической полимеризации, мономер занимает место между макрокарбанионом и противоионом.

В. Обрыв цепи. Прекращение роста макромолекулярной цепи может произойти в результате ее взаимодействия с растворителем:

H₂N – (- CH₂ – CHR - )_n+1 – CH₂ – CHR_K+ + HNH₂ →

H₂N – (- CH₂ – CHR - )_n+1 – CH₂ – CH₂R + KNH₂

Особое значение получила анионная полимеризация в присутствии металлорганических катализаторов. Из этих катализаторов наиболее высокой полимеризационной активностью обладают катализаторы Циглера – Натта – комплексы триэтилалюминия с солями титана: Al(C₂H₅)₃ + TiCl₄ (или TiCl₃). Эти катализаторы позволили полностью изменить технологию получения многих полимеров.

Например, для синтеза полиэтилена без таких катализаторов требуются довольно жесткие условия (давление 150-200 МПа, 300⁰С). Используя же катализаторы Циглера – Натта, полиэтилен получают при давлении, не превышающем 1МПа, и температуре, которая не выше 60⁰С. Полиэтилен, синтезированный без этих катализаторов, называют полиэтиленом высокого давления – ПЭВД, в противоположность полиэтилену низкого давления – ПЭНД (с катализатором Циглера –Натта).

Свойства полиэтилена, полученного при низком давлении, отличаются от свойств полиэтилена, полученного при высоком давлении. ПЭНД прочнее и жестче, его плотность выше, а ПЭВД – более эластичный и гибкий, при растяжении образует прозрачную пленку.

Реакция поликонденсации - это химический процесс соединения исходных молекул мономера в макромолекулы полимера, идущий с образованием побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды).

В реакцию поликонденсации вступают мономеры, содержащие в молекулах функциональные группы ( - ОН, - СООН, галогены и др.).

Мономеры, участвующие в реакциях поликонденсации, должны быть не менее чем бифункциональными:

HOOC – (CH₂)₄ – COOH + HNH – (CH₂)₆ – NH₂ ↔

HOOC – (CH₂)₄ – CO – NH – (CH₂)₆ – NH₂ + H₂O

С помощью реакций поликонденсации получают полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, полиакрил и т. д.

Вопросы и упражнения

1. Какие вы знаете основные методы получения полимеров?

2. Какая реакция называется полимеризацией? Приведите примеры такой реакции.

3. Какие мономеры могут вступать в реакцию полимеризации?

4. Какие разновидности полимеризации вы знаете?

5. Какая частица является активным центром радикальной полимеризации?

6. Из каких трех стадий состоит процесс цепной полимеризации?

7. Чем отличается радикальная полимеризация от ионной?

8. Какие вещества катализируют катионную полимеризацию?

9. Какие катализаторы используют при анионной полимеризации?

10.Что представляет собой катализатор Циглера – Натта?

11.Какая реакция называется поликонденсацией? Чем она отличается от реакции полимеризации?

12.Какие мономеры могут вступать в реакцию поликонденсации?

Тема 3. Физические свойства полимеров

ВМС находятся только в двух агрегатных состояниях – твердом и жидком. По фазовому состоянии. Они могут быть аморфными или кристаллическими. Аморфное строение имеют полимеры, макромолекулы которых расположены неупорядоченно, хаотично. Такое расположение характерно для макромолекул нерегулярного строения. Например, аморфными являются атактический полипропилен, многие каучуки. Аморфные полимеры – мягкие, эластичные материалы. Они могут существовать в следующих физических состояниях – вязкотекучем, высокоэластическом и стеклообразном.

Вязкотекучие полимеры, имеющие аморфное строение (например, низкомолекулярный полиизобутилен, фенолформальдегидные полимеры – резолы), необратимо изменяют свою форму под воздействием даже незначительных механических нагрузок.

Высокоэластические полимеры, имеющие в ненапряженном состоянии аморфное строение (например, каучуки и резины), подвергаются обратимой деформации под воздействием небольших нагрузок. При нагревании многие твердые полимеры (полистирол, поливинилхлорид и др.) становятся высокоэластическими.

Стеклообразные полимеры – твердые аморфные полимеры, не успевшие при охлаждении закристаллизоваться, но потерявшие текучесть. Они имеют аморфное или кристаллическое строение и мало изменяют свою форму даже при больших механических нагрузках. После устранения действия последних они способны восстанавливать свою первичную форму.

Полимеры, которые переходят из высокоэластичного состояния в стеклообразное при температурах ниже комнатной, относятся к эластичным, а при более высоких температурах – к пластикам.

Кристаллическое строение имеют полимеры только стереорегулярной структуры. Они характеризуются упорядоченным расположением макромолекул. Кристаллические полимеры обычно являются пластиками. В отличие от обычных кристаллических твердых веществ кристаллические полимеры не состоят из одних кристаллов. Даже само понятие «кристалл» для полимера несколько отличается от обычного. У кристаллических полимеров имеются области (зоны), в которых отдельные участки макромолекул имеют плотную упаковку, напоминающую пластины ромбовидной формы – своеобразные кристаллы. Эти области соседствую с основной аморфной массой полимера. Таким образом, аморфная и кристаллическая части состоят из одинаковых макромолекул, но в аморфной части они расположены беспорядочно, а в кристаллической – плотно упакованы за счет упорядоченного расположения.

Следует однако заметить, что в полимере между крайними формами строения – аморфной и кристаллической – существует много различных форм упорядоченности (фибриллы, монокристаллы, сферолиты и т. д.) и неупорядоченности (аморфные пачки, глобулы и пр.).

Итак, основным условием кристаллизации полимеров является стереорегулярное строение их макромолекул. Любое нарушение регулярности препятствует процессу кристаллизации. Поэтому, например, полиэтилен линейного строения имеет более высокую кристалличность, чем полиэтилен с разветвленными цепями. Сшивки («мостики») между полимерными цепями мешают кристаллизации в такой же степени, как и разветвленность цепей. Макромолекулы полимера должны быть достаточно гибкими, подвижными, что облегчает их упаковку в плотные структуры. Если же полимерная цепь жесткая, то кристаллизация не происходит.

Степень кристалличности одного и того же полимера может изменяться. Например, при растягивании полимера его макромолекулы принимают параллельное расположение относительно друг друга. При этом кристалличность его возрастает. Кристаллические полимеры обладают более высокими механическими показателями, чем аморфные.

Тема 4. Школьная лекция «Волокна» (1 ч.) 9 класс

Общий метод обучения: объяснительно – иллюстративный

Форма обучения: фронтальная

План лекции:

1. классификация волокон

2. природные волокна

3. искусственные волокна: получение вискозного и ацетатного волокон

4. синтетические волокна: производство капрона

1. Волокна – протяженные, гибкие, прочные тела с малыми поперечными размерами, пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.

Волокна делят на натуральные (природные) и химические. Натуральные волокна могут быть растительного или животного происхождения. Химические волокна в свою очередь подразделяют на искусственные и синтетические. Классификацию волокон можно представить в виде схемы (приложение 1).

2. Природные волокна:

Волокно растительного происхождения – хлопок, лен.

Хлопковое волокно получают из субтропического растения – хлопчатника. Состав хлопкового волокна:

- целлюлоза – 96%

- пентозан – 1 – 2 %

- жиры и воска – 1%

- азотосодержащие и белковые вещества – 0,3%

- зола – 0,2 – 0,4%

Хлопковое волокно легкое, достаточно прочное, мягкое, гигроскопичное. Состоит из нескольких скрученных элементарных волоконец. Между волоконцами есть полые пространства, поэтому хлопок хорошо впитывает и испаряет влагу. Хорошая гигроскопичность хлопка связана также с его строением: гидроксогруппы целлюлозы образуют с молекулами воды водородные связи.

Волокна животного происхождения – шерсть и шелк.

Шелк вырабатывают многочисленные гусеницы и пауки. Важнейшее значение имеет тутовый шелкопряд. Основа нити – белок – фибрион шелка (78%). Элементарные фибрионовые нити склеены белковым веществом- серизином (20%). Куколку из кокона убивают струей горячего воздуха. При погружении коконов в воду серизин размягчается, так что вращающиеся в водяной бане щетки могут захватывать концы шелковых нитей из коконов. Соединяют 4 – 10 нитей, наматывают их на катушки и высушивают. Из 3 – 4 тысяч метров волокна получают 900 метров шелковой нити.

Шерсть – волокна волосяного покрова овец, коз, верблюдов и других животных.

3. Искусственные волокна:

Наибольшее значение среди искусственных волокон занимают ацетатное и вискозное волокна, получаемые из древесной целлюлозы.

Без предварительной обработки древесной целлюлозы из нее нельзя получить прочное волокно: ее необходимо перевести в растворимое состояние. Целлюлозу переводят в диацетат целлюлозы, действуя на нее уксусной кислотой. Раствор диацетата целлюлоза продавливают через фильеру с большим числом мельчайших отверстий. Нагретый воздух испаряет ацетон, а пучок тонких волоконец, выходящий из фильеры, скручивают в одну непрерывную нить. Так получают ацетатное волокно.

Получение вискозного волокна:

Из целлюлозы получают щелочную целлюлозу, которую затем обрабатывают сероуглеродом – ксантогенируют. Водный раствор ксантогената целлюлозы потом выдавливают через отверстия фильеры в осадительную ванну с серной кислотой, которая омыляет ксантогенат целлюлозы. Образуется регенерированная целлюлоза с ориентированными макромолекулами. Ориентация полимерных цепей вдоль оси волокна происходит во время его формования.

4. Синтетически волокна:

из синтетических волокон наибольший интерес представляют полиамидное волокно – полиамид – 6 (капрон) и полиэфирное – полиэтиленгликольтерефталат (лавсан).

Капрон получают из капролактала, который под воздействием воды размыкает цикл, образуя ε – капроновую кислоту. Из этой кислоты в результате поликонденсации образуется полимер линейной структуры:

n H₂N – (CH₂)₅ – COOH → (- NH – (CH₂)₅ – CO -)n + (n-1)H₂O

Домашнее задание: Заполнить таблицу

Тема 5. Пластмассы

Пластмассами называют материалы, изготовленные на основе полимеров, способные приобретать при нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения.

Пластмасса – это смесь нескольких веществ; полимер – это лишь одно из них, но самое важное. Он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер называют связующим.

Превращать в готовое изделие проще пластмассы, которые обратимо твердеют и размягчаются. Это так называемые термопласты, или термопластические полимеры. Их можно рационально обрабатывать и перерабатывать методом литья под давлением, вакуумной формовки, профильным прессованием. К таким пластмассам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды.

Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея, приобретает сетчатое строение, то это вещество уже нельзя возвратить в вязкотекучее состояние нагреванием или растворением.

Такие пластмассы называют реактопластами или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.

Экскурсия на «Фабрику игрушек»

План экскурсии:

1. Знакомство с технологией производства пластмассовых игрушек.

2. Знакомство с технологией производства кукол из полихлорвинилового пластиката марки «Пластизоль Д – 17 И».

3. Посещение участка сборки кукол из отдельных деталей.

4. Посещение участка по производству мягких игрушек.

Конференция на тему «Получение и применение наиболее важных синтетических и природных полимеров»

Из года в год растет производство синтетических полимеров, это связано с широким разнообразием их полезных свойств, а также со сравнительно невысокими ценами на исходное сырье. В сравнении с другими материалами полимеры обладают рядом преимуществ. Так, они легче металлов, имеют достаточную прочность (некоторые – прочнее стали), устойчивы к агрессивным средам, не подвергаются коррозии. Несмотря на их некоторые недостатки (невысокую теплостойкость и низкую морозостойкость, склонность к деструктивным процессам), полимеры сегодня используют практически во всех областях промышленности.

К наиболее распространенным синтетическим полимерам относят полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, политетрафторэтилен, эпоксидные и фенолформальдегидные полимеры и д.р. На их основе получают пластмассы, эластомеры, волокна, клеи, лаки, мастики и герметики.

Полиэтилен ( - СН₂ – СН₂ - )_n – продукт полимеризации этилена. В зависимости от способа получения различают, как правило, полиэтилен высокого и низкого давления. Полиэтилен низкого давления имеет, в основном, линейную структуру, а полиэтилен высокого давления – разветвленное строение. Полиэтилен высокого давления – мягкий и эластичный материал, а полиэтилен низкого давления характеризуется высокой степенью кристалличности, большой плотностью и более высокой молекулярной массой. Все полиэтилены обладают высокой морозоустойчивостью (низкой температурой хрупкости) и могут эксплуатироваться при температурах до – 70^оС. Полиэтилены стойки ко многим агрессивным средам (кислоты, щелочи и т.д.) и органическим жидкостям; на холоде они не растворяются в органических растворителях, хотя набухают в некоторых из них.

Полиэтилены представляют собой воскоподобные материалы (иногда прозрачные), выпускаемые промышленностью в виде блоков, листов и гранул; перерабатываются они в изделия главным образом методами литья под давлением, экструзия (выдавливание различного полимера через сопло шприц – машины) и выдувания. Из полиэтилена производят бесшовные корозийностойкие трубки, изоляционные оболочки электропроводов и пленки, широко применяемые в качестве упаковочного материала, для изготовления покрытий, перегородок, шаров, в сельском хозяйстве и т.д. При помощи литья под давлением или выдувания получают различную тару (бутылки, склянки, ведра, корзины, бочки и т.д.). Благодаря своим прекрасным диэлектрическим свойствам полиэтилен широко применяется для изоляции электрических кабелей, в телевидении, радиолокации и для многопроводной телефонной связи.

Полиэтилен хорошо сваривается. Пропуская струю сжатого воздуха со взвешенными в ней частицами полимера через воздушноацетиленовое пламя и направляя эту струю на металлические изделия, можно покрыть их сплошным защитным слоем (метод газопламенного напыления). Тот же результат достигается при погружении разогретого до 250 – 300^оС изделия во взвесь полимера. Полиэтилен перерабатывается и обычными методами механической обработки.

Существенным недостатком полиэтилена является его быстрое старение, которое, однако, резко замедляется при введении в полимер различных противостарителей, таких как фенолы, амины и газовая сажа.

Полипропилен ( - СН₂ – СН(СН₃) - )_nполучают ионной полимеризацией пропилена.

Полипропилен – твердое, жирное на ощупь вещество, является наиболее легким из всех известных жестких полимеров; он отличается высокой прочностью на разрыв, жесткостью и твердостью. По прочности на разрыв и удар и по теплостойкости он превосходит полиэтилен, поливинилхлорид и полистирол.

У стереорегулярного полипропилена такие же диэлектрические свойства, как и у полиэтилена, но лучшая химическая стойкость, при повышенных температурах. При помощи тех же методов, которые используются при переработке полиэтилена, из полипропилена изготавливаются трубы для горячих жидкостей, прозрачные пленки с низкой проницаемостью для жидкостей, газов и паров, бутылки флаконы и различные сосуды для химической промышленности. Используют в строительстве. Может применяться для армирования цемента. Весьма перспективно полипропиленовое волокно, которое прядется сухим методом без применения растворителей и пластификаторов.

Полиизобутилен ( - СН₂ – С(СН₃)₂ -)_nполучают ионной полимеризацией изобутилена в присутствии катализаторов AlCl₃, BF₃, AlBr₃.

Низкомолекулярный полиизобутилен – вязкая жидкость, высокомолекулярный – эластичный продукт, напоминающий каучук. Эти материалы отличаются от натурального каучука тем, что они сохраняют эластичные свойства при очень низких температурах (до – 55^оС). Благодаря своей насыщенности полиизобутилены не способны вулканизироваться обычными методами и при комнатной температуре стойки к действию щелочей, галогенов и почти всех кислот. Они легко кристаллизуются при растяжении, хотя в нерастянутом состоянии аморфны. Полиизобутилен обладает прекрасными диэлектрическими свойствами, поэтому его применяют в электроизоляционной промышленности.

Полиизобутилен окисляется кислородом при длительном воздействии солнечного света (под влиянием ультрафиолетовых лучей). Этот недостаток в значительной степени устраняется путем добавления к полимеру активных наполнителей (сажа, тальк, графит) или других полимеров (полиэтилен, каучук, фенольноальдегидная смола).

Полиизобутилены хорошо растворяются в ароматических углеводородах, сероуглероде и хлорированных углеводородах, но не растворимы во многих полярных растворителях, таких как спирты и сложные эфиры. Растворы полиизобутилена используются в качестве клея.

Ввиду высокой коррозийностойкости полиизобутилен нашел широкое применение, как футеровочный (обкладочный) и прокладочный материал. Листы из него используются для защиты металлических труб и для обкладки реакторов, железнодорожных цистерн и кислотохранилищ. Они содержат наряду с полимером до 70% наполнителей (сажа, графит, асбест, тальк), которые вводятся в массу на горячих вальцах. Листы могут быть соединены при помощи сварки. Методом экструзии из полиизобутилена производят трубки, оболочки и ленты.

Длительная нагрузка при комнатной температуре вызывает у полиизобутилена необратимую деформацию («холодная текучесть»); для устранения этого нежелательного явления полиизобутилен смешивают с природными и синтетическими смолами. Широкое применение получили смеси полиизобутилена и полиэтилена.

Полистирол ( - СН₂ – СН(С₆Н₅) - )_n получают радикальной полимеризацией стирола.