9

Неметаллические материалы

Неметаллические материалы (пластмасса, резина, стекло, керамика и др.) находят все возрастающее применение в различных областях техники. В качестве конструкционных материалов они становятся важным дополнением к металлам и металлическим сплавам; в ряде случаев с успехом заменяют их, а иногда неметаллические материалы сами являются незаменимыми. Например, двигатели внутреннего сгорания из керамики не требуют водяного охлаждения, а обтекатели ракет делают только из неметаллических материалов: графита, керамики.

К преимуществам неметаллических материалов следует отнести сочетание требуемого уровня механических, физических и химических свойств с низкой стоимостью и высокой технологичностью при изготовлении изделий, в том числе сложной конфигурации. Трудоемкость продукции при изготовлении изделий из неметаллических материалов в 5-6 раз ниже, а стоимость их в 4-5 раз ниже по сравнению с традиционными аналогами.

Полимеры: состав, строение, свойства

Большинство важнейших неметаллических материалов (пластмассы, резины, химические волокна, лакокрасочные материалы, органические смолы, клеи) имеют своей основой полимеры. Полимеры (высокомолекулярные соединения) – вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся элементарных звеньев, соединенных между собой химическими связями.

Немного истории. Термин «Полимер» введен шведским химиком Й.Я. Берцелиусом (1779-1848) в 1833г. Основы структурной теории химического строения органических соединений заложил великий русский химик-органик А.М.Бутлеров (1828-1886). Его учебник «Введение к полному изучению органической химии» вышел из печати тремя выпусками в 1864—1866 годах. Эта работа не шла ни в какое сравнение ни с одним из известных тогда учебников. Этот труд был откровением Бутлерова — химика, экспериментатора и философа, перестроившего весь накопленный наукой материал по новому принципу, по принципу химического строения. Книга вызвала настоящую революцию в химической науке. Уже в 1867 году началась работа по ее переводу и изданию на немецком языке. Вскоре после этого вышли издания почти на всех основных европейских языках. По словам немецкого исследователя Виктора Мейера, она стала «путеводной звездой в громадном большинстве исследований в области органической химии». Помимо теоретических изысканий А.М.Бутлеров открыл полимеризацию изобутилена, синтезировал ряд органических соединений. Первый в мире синтетический пластик бакелит (резол) – термореактивный полимер, — продукт поликонденсации фенола с формальдегидом в присутствии щелочного катализатора получил американский химик Л.Бакеланд в 1910г.

Большой вклад в теорию и практику полимеров внесли русские ученые.

Русский химик-технолог Г.С.Петров (1886-1957) в 1913г. получил первую отечественную пластмассу – карболит. На основании его исследований стало возможным производство первых синтетических фенопластов. С.В.Лебедев (1874-1934) в 1932 г. впервые в мире осуществил промышленный способ синтеза бутадиенового каучука из этилового спирта. Лауреат Нобелевской премии Н.Н.Семенов (1896-1986) создал общую количественную теорию цепных реакций, что явилось толчком для создания огромного количества новых синтетических материалов. Большой вклад в развитие теории полимеров внесли отечественные ученые Каргин В.А. (1907-1969), Александров А.П. (1903-1994), Медведев С.С. (1891-1970). К. А. Андрианов (1904-1978) – один из основателей химии кремнийорганических полимеров и материалов на их основе.

Молекула полимера называется макромолекула. Низкомолекулярные вещества, из которых получают полимеры, называют мономерами.

Число мономерных звеньев в макромолекуле называется степенью полимеризации n. Особенностью молекул полимеров является присущая им большая молекулярная масса М. Молекулярная масса полимера зависит от n и может изменяться от нескольких сотен до многих миллионов. От молекулярной массы зависят свойства полимера. В зависимости от n изменяются молекулярный вес и свойства полимера. Например, из газа этилен (Н₂С=С Н₂) получают полимер полиэтилен (-Н₂С-СН₂-)_n. Если в макромолекуле содержится 5 мономерных звеньев (n=5), то образующееся вещество является жидкостью. При n =5000-6000 образуется жесткий твердый полиэтилен. Полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы (М=500-5000) называют олигомерами. К олигомерам относят многие синтетические смолы (феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, антибиотики).

Для справки. Этилен, бесцветный газ. В больших количествах (до 20%) содержится в газах нефтепереработки; входит в состав коксового газа. Один из основных продуктов нефтехимической промышленности , необходим для синтеза полиэтилена, винил хлорида, этилового спирта и др.

Классификация полимеров.

1. По происхождению полимеры делят на:

- природные или, биополимеры (например, белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, целлюлоза, асбест, шерсть и т.д.) и

– искусственные или синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений (например, полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы).

2. По способу получения различают полимеры, которые получают методом полимеризации и методом поликонденсации.

Полимеризация – метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие мономеров и (или) олигомеров не сопровождается выделением побочных низкомолекулярных соединений. Полимеризация – это непрерывный цепной процесс последовательного присоединения молекул мономера. При этом химический состав звеньев полимера совпадает с химическим составом исходного мономера. В промышленности полимеризацией получают полистирол, полиакрилаты, большинство каучуков.

Если в реакции полимеризации принимает участие один вид мономера, то процесс называют гомополимеризацией. При участи двух и более видах мономеров процесс называют сополимеризацией.

Поликонденсация – метод синтеза полимеров, при котором взаимодействие одинаковых или разнородных мономеров и (или) олигомеров сопровождается выделением побочных продуктов: низкомолекулярных соединений, например, воды, спирта, аммиака. Поэтому химический состав полимера не совпадает с составом исходного мономера. В промышленности поликонденсацией получают полиамиды, синтетические смолы, кремний органические полимеры.

В отличие от полимеризации, поликонденсация является не цепным, а ступенчатым процессом. Сначала образуются функциональные группы, состоящие из небольшого количества мономеров. При этом сами мономеры исчезают на ранней стадии процесса. Затем образовавшиеся функциональные группы начинают взаимодействовать между собой, образовывая макромолекулы, которые по мере продолжения процесса все более укрупняются.