Тема 19. Полімерні матеріали.

Характерною особливістю багатьох ненасичених сполук є їх здатність вступати в реакцію полімеризації і утворювати полімери.

Полімеризацією ненасичених сполук називають хімічну реакцію утворення полімеру (високомолекулярної сполуки) за рахунок з’єднання між собою великої кількості молекул ненасичених сполук (мономерів) ковалентними зв’язками, які виникають внаслідок розриву кратних зв’язків ( - зв’язків) у молекулах мономерів.

Полімеризація, наприклад, однозаміщених похідних етилену може бути зображена загальною схемою:

де n – ступінь полімеризації, який може мати значення до кількох сотень тисяч одиниць. При значенні n = 2,3,4… 10 сполуки називають олігомерами (від грец. “олігос” – небагато). Полімери знаходяться в генетичному (спорідненому) зв’язку з вихідними мономерами. Замісники – атоми водню, хлору (Cl) або – CH₃, -CN, - С₆Н₅, Н₂С = СН – та інш.

У хімії полімерів широко використовують також сумісну полімеризацію кількох різних мономерів, яку називають співполімеризацією.

Полімери, добуті методом полімеризації, називають переважно за назвою мономерів, до якої додають префікс полі.

Каучук має велике народногосподарське значення. З нього виготовляють гуму, а гумова промисловість виготовляє понад 70 тис. назв різноманітних виробів. Розрізняють два види каучуків: натуральний і синтетичний.

Натуральний (природний) каучук має будову:

Липкий натуральний каучук при нагріванні з сіркою перетворюється на нелипкий еластичний продукт, який отримав назву вулканізованого каучуку, а процес взаємодії каучуку з сіркою назвали вулканізацією. В процесі вулканізації сірка приєднується за місцем подвійних зв’язків каучуку і утворює поперечні (місткові) зв’язки між полімерними ланцюгами. Відбувається “зшивання” лінійних макромолекул каучуку в більші, сітчасті (тримірні) полімерні молекули.

Поперечні зв’язки, які утворює при цьому сірка, надають такому каучуку еластичності, міцності і усувають липкість. Вулканізований каучук (гума) може розтягуватися до 900%.

Синтетичні каучуки (СК).

Перше в світі велике промислове виробництво СК було організовано в СРСР у 1930 р. на основі методу, розробленого С.В. Лебедєвим. Як вихідний дієн був використаний дивініл (бутадієн-1,3). Будова такого полімеру має вигляд:

Реакції поліконденсації також дають можливість отримати високомолекулярні сполуки. Під час таких реакцій відбувається сполучення молекул мономерів з одночасним відщепленням легких молекул (Н₂О, NH₃, CH₃OH та інш.).

Прикладом реакції поліконденсації є реакція між терефталевою кислотою і етиленгліколем:

n HOOC – C₆H₄ – COOH + n HO – CH₂ – CH₂ – OH 

Терефталева кислота Етиленгліколь

 2nH₂O+HOO –C₆H₄–CO – (–O– CH₂ –CH₂–O–CO –C₆H₄CO –)_n-1OCH₂ –CH₂OH

Кінцева група Кінцева група

Під час цієї реакції утворюється поліетилентерефталат з якого виробляють волокно “лавсан” а також різноманітний посуд.

Реакція поліконденсації лежить в основі утворення фенол-формальдегідних смол.

Фенолформальдегідні смоли використовують для виготовлення пресовочних порошків, шаруватих пластиків, лаків, клеїв, пінопластів.

Особливості горіння полімерів

Особливістю процесів горіння полімерів є те, що великі за розміром молекули полімерів не можуть переходити в газовий стан. Горіння їх, як і горіння більшості твердих речовин, відбувається в газоподібному стані. Тому для того, щоб полімер зайнявся, потрібно його підігріти до температури, коли починається його термічна деструкція. Продукти розкладання полімерів переходять в газоподібний стан, змішуються з повітрям та горять. Температура займання більшості пластмас вища ніж 200С.

У продуктах горіння пластмас можуть міститись токсичні речовини. Вони можуть складатися з оксидів азоту (NO, NO₂), хлороводню (НCl), чадного газу (СО) та синильної кислоти (HCN). Горіння більшості полімерів лімітується процесами масотеплопередачі і визначається умовами дифузії горючих продуктів розкладу і кисню повітря та їх змішування. Тому горіння полімерів має дифузійний характер.

Приклад 57.

Яку кількість бутадієнового каучуку можна добути з 5 кг етанолу за методом Лебедєва?

Розв'язання.

1. За методом Лебедєва з етанолу отримують бутадієн:

2CH₃CH₂OH  CH₂=CH–CH=CH₂ + 2H₂O +H₂,

а з бутадієну - каучук:

n CH₂=CH–CH=CH₂  (–CH₂–CH=CH–CH₂–)_n.

З рівняння бачимо, що з 2 молів спирту утворюється 1 моль бутадієну, а маса каучуку дорівнює масі бутадієну.

2. n(C₂H₅OH) = m(C₂H₅OH)/M(C₂H₅OH) =5000/46 = 108,7 моль;

n(C₄H₆) = n(C₂H₅OH)/2= 108,7/2 = 54,35 моль.

3. m(каучуку)=m(C₄H₆)= n(C₄H₆)M(C₄H₆) = 54,35  54 = =2934,8г.

Запитання для самоконтролю.

1. Що таке: а) полімери, б) мономери, в) олігомери?

2. У чому різниця між реакціями полімеризації та поліконденсації?

3. Що таке елементарна ланка полімера?

4. Які вам відомі стадії реакцій полімеризації?

5. Що таке: а) гума, б) каучук, в) ебоніт?

6. Який процес називається вулканізацією?

7. У чому особливості реакцій горіння полімерів?

8. Що таке термодеструкція полімерів?

РОЗДІЛ 6. Тема 20. ХІМІЯ ТА ОХОРОНА НАВКОЛИШНЬОГО