
- •Раздел №1. Введение. Основные понятия.
- •Примеры изменения свойств и применения веществ в зависимости от числа атомов с в цепи
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Раздел №2. Номенклатура и классификация полимеров
- •2.1. Номенклатура полимеров
- •2.1.1. Номенклатура, основанная на названии мономеров
- •2.1.2. Номенклатура, основанная на химической структуре полимерной цепи (систематическая номенклатура iupac)
- •Названия основных полимеров
- •2.1.3. Случайная номенклатура (в т.Ч. Торговые марки полимеров)
- •Торговые марки полипропилена
- •Основные зарубежные аналоги отечественного полипропилена
- •2.2. Классификация полимеров
- •2.2.1. По происхождению
- •2.2.2. По областям применения
- •2.2.3. По топологии (геометрии скелета макромолекул)
- •Типы геометрии скелета макромолекул
- •2.2.4. По наличию в макромолекуле одного или нескольких типов мономерных звеньев
- •Виды сополимеров
- •2.2.5. Химическая классификация
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения*
- •Раздел №3. Основные характеристики макромолекул
- •3.1. Молекулярная масса (мм), молекулярно-массовое распределение (ммр)
- •3.1.1. Способы усреднения молекулярных масс
- •3.1.2. Молекулярно- массовое распределение (ммр)
- •3.2. Конфигурация макромолекулы
- •Локальная изомерия (изомерия положения).
- •Оптическая изомерия (стереоизомерия)
- •3.3. Конформация макромолекул
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел №4. Элементы, способные к образованию полимеров
- •4.1. Кислород, сера, селен
- •4.2. Азот, бор, алюминий
- •4.3. Углерод
- •4.4. Кремний
- •4.5. Фосфор
- •4.6. Виды полимеров
- •4.7. Реакции синтеза макромолекул
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Раздел №5. Термодинамические условия проведения полимеризации.
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Раздел №6. Термодинамические условия проведения реакций синтеза макромолекул (продолжение предыдущей лекции)
- •6.1. Термодинамика поликонденсации
- •Химия образования макромолекул
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел №7. Радикальная полимеризация
- •7.1. Мономеры, способные вступать в реакции радикальной полимеризации
- •7.2. Инициирование (образование свободных радикалов)
- •7.3. Скорость инициирования. Факторы, влияющие на скорость инициирования
- •7.4. Влияние температуры на ход процесса. Эффект клетки.
- •7.5. Окислительно-восстановительные реакции инициирования
- •7.6. Инициирование под действием различных излучений
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел №8. Радикальная полимеризация
- •8.1. Рост цепи
- •8.2. Обрыв цепи
- •8.3. Передача цепи
- •8.4. Кинетика реакций радикальной полимеризации
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел №9. Ионная полимеризация. Катионная полимеризация.
- •9.1. Общие черты у радикальной и ионной полимеризации
- •9.2. Особенности ионной полимеризации по сравнению с радикальной полимеризацией
- •Примеры полимеризации различных ненасыщенных мономеров
- •9.3. Катионная полимеризация
- •9.3.1. Инициаторы (катализаторы) катионной полимеризации
- •Значения эффективного отношения константы роста к константе обрыва для различных кислот
- •Кислоты Льюиса
- •Ониевые соли
- •9.3.2. Реакция обрыва цепи в катионной полимеризации
- •9.3.3. Кинетика катионной полимеризации
- •9.3.4. Влияние природы среды
- •Влияние различных сред на скорость протекания полимеризации α-метилстирола под действием SnCl4•h2o
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел № 10. Анионная полимеризация
- •10.1. Мономеры, вступающие в процесс анионной полимеризации
- •10.2. Инициаторы анионной полимеризации
- •Слабые основания
- •Основания средней силы
- •Сильные основания
- •10.3. Реакции роста цепи
- •10.4. Реакции обрыва и передачи цепи
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Вопрос 1319 Раздел №11. Координационно-ионная полимеризация. Стереорегулирование.
- •Микроструктура полимеров изопрена, полученных в различных условиях.
- •Катализаторы Циглера-Натта
- •Строение бутадиена при использовании различных катализаторов
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Вопрос 1319
- •Раздел №12. Сополимеризация
- •12.1. Радикальная сополимеризация
- •Элементарные реакции роста цепи
- •Константы радикальной сополимеризации некоторых мономеров.
- •12.2. "Схема q - е" Алфрея – Прайса
- •12.3. Ионная сополимеризация
- •Влияние механизма реакции на состав продукта сополимеризации эквимолярной смеси стирола с метилметакрилатом
- •12.4. Способы проведения полимеризации
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел № 13. Поликонденсация
- •Основные особенности процессов полимеризации и поликонденсации
- •13.1. Классификация процессов пк
- •13.2. Полимеры, получаемые пк
- •Поликарбонаты
- •Полисульфоны
- •Полисилоксаны
- •13.3. Механизм и кинетические закономерности пк
- •13.4. Реакции ограничения роста цепи (степени полимеризации) в процессах пк
- •13.5. Методы проведения пк
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел № 14. Химические превращения и модификации полимеров
- •Методы химического превращения полимеров
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Раздел № 15. Старение и стабилизация полимеров
- •Раздел № 16. Модели и физические свойства макромолекул Гибкость макромолекулы
- •Модели макромолекул
- •Величины длины звена и числа мономерных звеньев в сегменте
- •Результаты математического эксперимента для цепей полиэтилена различной длины
- •Физико-механические свойства полимеров
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел № 17. Агрегатные, фазовые и физические состояния полимеров Высокоэластическое состояние
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел № 18. Агрегатные, фазовые, физические состояния полимеров (продолжение)
- •Особенности полимерных стекол
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Раздел № 19. Кристаллическое состояние полимеров
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Раздел № 20. Вязко-текучее состояние полимеров
- •20.1. Свойства растворов полимеров
- •20.2. Методы исследования растворов полимеров
- •Вопросы для самостоятельной проработки:
- •Содержание:
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Московская государственная академия
тонкой химической технологии
имени М.В.Ломоносова
Кафедра «Химия и технология
высокомолекулярных соединений им. С.С. Медведева»
В.П.Зубов, Н.И.Прокопов
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ
«ОСНОВЫ ХИМИИ И ФИЗИКИ ПОЛИМЕРОВ»
Москва 2011
УДК 541.64
Зубов В.П., Прокопов Н.И.
Конспект лекций по курсу «Основы химии и физики полимеров» - М.: МИТХТ имени М.В. Ломоносова, 2011. – 134 с.
Данное учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы бакалавров, обучающихся по профилю «Технология и переработка полимеров» направления 240100 Химическая технология.
Пособие включает конспективное изложение лекционного материала, содержащего основные понятия, номенклатуру полимеров, характеристики макромолекул, термодинамику полимеризации и поликонденсации, основные методы синтеза макромолекул, химические превращения, модификацию, старение и стабилизацию полимеров и их физические свойства.
© МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2011
Раздел №1. Введение. Основные понятия.
В последние десятилетия высокомолекулярные соединения (полимеры) прочно вошли в нашу жизнь. Полимеры - особый вид материалов, обладающих в зависимости от строения молекул самыми разнообразными свойствами и применяемыми в самых различных сферах жизни и деятельности человечества: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и технике, во всех видах транспорта. Современная медицина, как и наш повседневный быт, немыслимы без использования широкого круга полимерных материалов.
В настоящее время полимеры занимают 4 место по объему среди производимых и добываемых материалов. Распределение производимых и добываемых материалов по объему представлено на рис. 1.1, а объем производства и ассортимент основных производимых полимеров – на рис. 1.2.
Рис. 1.1. Место полимеров среди производимых и добываемых материалов
Рис. 1.2. Объем и ассортимент мирового производства полимеров
Какие же свойства отличают полимеры от обычных низкомолекулярных соединений (НМС) и позволяют выделить их в особый вид материалов?
Прежде всего, большая длина и гибкость макромолекул придают полимерам свойство высокоэластичности, т.е. способности к большим (порядка нескольких сотен процентов) обратимым деформациям.
Во-вторых, твёрдые полимерные тела - пластики сочетают высокие модули упругости, сопоставимые по величине с модулями упругости обычных твёрдых тел (неорганическое стекло, металлы, керамика), с высокими разрывными удлинениями (на порядок большими, чем у обычных твёрдых тел). Поэтому полимерные тела менее склонны к хрупкому разрушению.
В-третьих, благодаря высокой анизотропии формы макромолекул полимеров они легко ориентируются в механическом поле и образуют волокна с высокой прочностью в направлении ориентации.
Полимеры отличаются от низкомолекулярных соединений и тем, что при растворении проходят сначала через стадию набухания; вязкость разбавленных (до 1 %) растворов полимеров намного превышает вязкость растворов низкомолекулярных соединений той же концентрации. Концентрированные растворы и расплавы полимеров, как и все жидкости, обладают упруго-эластическими свойствами. Высокие молекулярные массы полимеров существенно расширяют спектр их времен релаксации по сравнению с низкомолекулярными жидкостями. Сочетание больших молекулярных масс с высокими межмолекулярными взаимодействиями обуславливают ряд аномальных вязко-упругих свойств полимерных жидкостей, не характерных для низкомолекулярных соединений.
Химические реакции полимеров протекают в большинстве случаев отлично от соответствующих реакций низкомолекулярных аналогов.
Перечисленные отличительные свойства полимеров позволили им войти в число наиболее широко используемых материалов.
Среди полимерных материалов, выпускаемых промышленностью, ведущие позиции занимают:
а) пластические массы и органические стекла;
б) синтетические каучуки;
в) синтетические и искусственные волокна;
г) плёнки и многочисленные декоративно-защитные покрытия (краски, лаки, эмали).
К высокомолекулярным соединениям относятся также и биологические полимеры (биополимеры), которые обладают рядом уникальных свойств, не характерных для низкомолекулярных соединений. Назовём некоторые из важнейших свойств биополимеров и их функции:
- нуклеиновые кислоты способны кодировать, хранить и передавать генетическую информацию на молекулярном уровне, являясь материальным субстратом наследственности;
- другой класс биополимеров - мышечные белки, способны превращать химическую энергию в механическую работу; эта их сократительная функция лежит в основе мышечной деятельности белков;
- ферменты, глобулярные белки, обладают каталитической функцией, они с большой скоростью и избирательностью осуществляют в живой природе все химические реакции обмена, распада одних и синтеза других веществ.
Все перечисленные выше особенности свойств полимеров связаны с их цепным строением. Именно цепное строение молекул полимеров является их важнейшим свойством, что позволяет дать им следующее определение:
Полимеры – особый класс химических соединений, специфика свойств которых определяется большой длиной, цепным строением и гибкостью составляющих их макромолекул.
n M → [ -M- ]n
В свою очередь под макромолекулой понимают совокупность атомов или атомных групп, различных или одинаковых по составу и строению, соединённых химическими связями в линейную или разветвлённую структуру, достаточно высокой молекулярной массы.
Вещества, у которых размеры молекул очень велики и в тысячи раз превышают размеры обычных, называются высокомолекулярными (ВМС).
Мономеры - низкомолекулярные соединения, способные вступать в реакции полимеризации и поликонденсации.
Составное звено – любые атомы или группы атомов, входящие в состав цепи полимера.
Составное повторяющееся звено (СПЗ) – наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера.
Пример: молекула полистирола
- в скобках выделено составное повторяющееся звено, а эллипсом – составные звенья.
Во многих случаях составное повторяющееся звено совпадает с мономерным звеном:
Но могут быть и случаи, когда они не совпадают:
Составное
повторяющееся звено у полиэтилена –
Мономерное
звено –
Степень полимеризации гомополимера - это количество составных (повторяющихся) звеньев, которые входят в макромолекулу.
Среднечисловая молекулярная масса Mn – произведение среднечисловой степени полимеризации Pn и молекулярной массы составного повторяющегося звена M0:
Достаточно высокая молекулярная масса полимеров - понятие относительное. Так, некоторые физико-химические свойства в ряду гомологов изменяются по кривой имеющей вид, представленный на рис. 1.3. Область I - резкое изменение свойств, например температуры плавления (Тпл), приходится на низкомолекулярное соединение (до нескольких сотен у.е.). В области III исследуемое свойство (Тпл) практически не зависит от молекулярной массы - это область высокомолекулярных соединений (молекулярные массы составляют десятки тысяч и выше, для многих полимеров молекулярные массы составляют несколько сотен тысяч у.е.). Наконец, промежуточной области II соответствуют олигомерные соединения с молекулярной массой от нескольких сотен до нескольких тысяч.
Рис. 1.3. Зависимость температуры плавления (Тпл) от молекулярной массы алканов
Таблица 1.1.