2 Синтетические полимеры – основа полимерных материалов

Синтетические полимеры нашли такое широкое применение, что их промышленный синтез занимает одно из важнейших мест в химической промышленности. Синтетические полимеры – основа почти всех современных видов пластических масс и полимерных композиционных материалов.

Пластическими массами называют такие материалы, которые содержат в качестве основного компонента синтетический полимер или в некоторых видах пластмасс природный модифицированный полимер. В одних случаях пластмассы состоят из полимера с добавкой небольшого количества вспомогательных веществ (красителя, смазки, стабилизатора), а в других случаях они кроме полимера и вспомогательных веществ, содержат еще наполнители и пластификаторы. Пластические массы – материалы, основу которых составляют полимеры, находящиеся в период формования изделий в вязко-текучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации – в стеклообразном или кристаллическом состоянии.

Все синтетические полимеры по способу реакции синтеза делятся на полимеризационные и поликонденсационные. Первые – образуются в результате взаимодействия низкомолекулярных веществ (мономеров) без выделения каких-либо побочных продуктов по реакции цепной или ступенчатой полимеризации:

n M→M _n

К ним относятся, например (таблица 2).

Таблица 2 – Полимеризационные полимеры

Полиэтилен (ПЭ)		1938
Полипропилен (ПП)		1954-1957
Поливинилхлорид (ПВХ)		1937
Полистирол (ПС)		1930
Политетрафторэтилен (ПТФЭ)		1950
Полиметилметакрилат (ПММА)		1934

Полимеры второго типа также получают из низкомолекулярных органических веществ, но процесс их образования сопровождается выделением побочных продуктов, в частности воды. В общем виде реакцию поликонденсации можно представить как:

n a–A–a + n b–B–b → a–[A–z –B]_n –b+(2n-1) ab

где А и В – мономеры с соответствующими функциональными группами; z – новая функциональная группа, связывающая остатки мономеров; ав – низкомолекулярное вещество, выделяющееся в результате реакции поликонденсации.

Типичными примерами поликонденсационных полимеров могут служить:

• сложные полиэфиры: полиэтилентерефталат (ПЭТФ)– лавсан, 1955)

n HO–CH₂ – CH₂–OH + n HO–C– –C–OH →

║ ║

O O

→ HO[–CH₂ – CH₂–O– C– –C–]_n OH +(2n-1)H₂O

║ ║

O O

• полиамиды (ПА) (полиамид 66 – нейлон, 1938-40)

n H₂N–(CH₂)₆ –NH₂ + n HO–C–(CH₂)₄ –C–OH →

║ ║

O O

→ H₂N[ –(CH₂)₆ –NH– C–(CH₂)₄ –C–]_n OH +(2n-1)H₂O

║ ║

O O

• фенолоформальдегидные смолы (олигомеры) (новолаки, 1907-15)

OH OH OH

| _HCl | |

+CH₂=O → –CH₂– –CH₂– +(2n-1)H₂O

В зависимости от поведения при повышенных температурах все синтетические полимеры можно разделить термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (термопласты) при нагревании размягчаются и становятся вязко-текучими, а при охлаждении переходят в твердое стеклообразное или кристаллическое состояние без изменения первоначальных свойств.

Термореактивные полимеры (реактопласты) на холоду или при нагревании превращаются (отверждаются) в твердые неплавкие и нерастворимые материалы. Начальные продукты синтеза реактопластов из мономеров называются смолами или олигомерами, т.к. они имеют низкую молекулярную массу и только при отверждении превращаются в пространственные (сшитые) полимеры.

Среди термопластов наибольшее значение имеют ПО (ПЭНП, ПЭВП) и сополимеры этилена, ПП и сополимеры пропилена, ПВХ и сополимеры винилхлорида, ПС и сополимеры стирола, ПММА (органическое стекло), ударопрочные пластики на основе каучуков и сополимеров стирола (АБС и УПС), ПТФЭ, ПА, ПЭТФ (лавсан), ПВА, ПВС, ПФ и сополимеры формальдегида, ПК и др. В последние годы бурно развивается производство и применение нового вида полимерных материалов – термоэластопластов (ТЭП), которые сочетают свойства термопластов и эластомеров (каучуков). Так, материалом XXI века считается этиленпропиленовый каучук (СКЭП) – основа термоэластопластов. Считается, что материалы на его основе заменят многие выше перечисленные полимеры в конструкциях машин, особенно в автомобилестроении.

Из термореактивных полимеров наибольшее значение имеют ФФС, КФС, КМФС, КС, ПУ, ЭС, НПС, ПИ. Эти полимеры являются основой широкого класса полимерных композиционных материалов с различными видами наполнителей. Без данного класса конструкционных материалов не могут существовать авиационно-космическая техника, радиоэлектроника, авто- и судостроение и другие наукоемкие отрасли промышленности.

В настоящее время из почти 4,5 тысяч синтетических полимеров промышленно значимых имеется примерно 50 видов полимеров, в том числе около 36 термопластов и более 12 – реактопластов. В каждом виде до 50 типов модификаций.