Теоретические основы синтеза высокомолекулярных соединений. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

__________________________

ФГБОУ ВО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

_____________________________________________

Н.Ю. САННИКОВА, Л.А. ВЛАСОВА, С.С. НИКУЛИН, И.Н. ПУГАЧЕВА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИНТЕЗА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Утверждено

редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

ВОРОНЕЖ

2020

1

УДК 541.6(075)

ББК Л71я7

Т33

Научный редактор профессор О. В. КАРМАНОВА

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра химии и химической технологии материалов Воронежского государственного технического университета;

д.х.н. Г. В. ШАТАЛОВ (Воронежский государственный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Теоретические основы синтеза высокомолекулярных

Т33 соединений [Текст] : учеб. пособие / Н. Ю. Санникова, Л. А. Власова, С. С. Никулин, И. Н. Пугачева; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж : ВГУИТ, 2020. – 55 с.

ISBN 978-5-00032-465-3

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями ООП подготовки выпускников по направлению 18.03.01 – «Химическая технология». Оно предназначено для формирования общепрофессиональных и профессиональных компетенций цикла.

Пособие содержит теоретические сведения по синтезу высокомолекулярных соединений, описание лабораторных работ и вопросы для самоконтроля.

Оригинал-макет издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лабораторная работа № 4. Коагуляция концентрированных латексов в присутствии коагулирующих агентов различной 28

природы……………………………………………………………

Лабораторная работа №5. Определение поверхностного 31 натяжения латекса методом отрыва кольца……………………..

Лабораторная работа №6. Поликонденсация диэтиленгли-

37

коля с адипиновой кислотой…………………………………….

Лабораторная работа № 7. Получение полиэфира фталевого

45

ангидрида и этиленгликоля………………………………………

Лабораторная работа №8. Термическая деполимеризация

49

полиметилметакрилата……………………………………………

Библиографический список …………………………………... 55

3

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

-составить план проведения эксперимента и согласовать его с преподавателем;

-включить все узлы установки в сеть(под наблюдением

-по окончании работы выключить установку, сделать все нужные анализы, привести в порядок рабочее место, сдать его преподавателю;

-написать отчет с построением необходимых графиков, обработкой данных на ЭВМ.

-защитить лабораторную работу.

При выполнении работы в лаборатории запрещается:

-проводить эксперимент без халата и защитных очков;

-оставлять работающую установку без присмотра или поручать наблюдение за ней посторонним лицам;

4

-устранять возникшие неисправности на включенной установке, делать самостоятельно какие-либо переключения;

-принимать пищу и пить воду из лабораторной посуды;

-выливать остатки химических реактивов в раковину;

-оставлять склянки с реактивами без соответствующих этикеток;

-держать на рабочем месте посторонние предметы(сумки, портфели).

Правила работы с кислотами и щелочами

1.При работе с минеральными кислотами(соляной, азотной, серной и др.), а также сильными органическими кислотами (трифторуксусной и др.) следует помнить, что попадание кислот на кожу и слизистые оболочки вызывает химические ожоги. При работе с кислотами и щелочами необходимо пользоваться защитными очками, резиновыми перчатками, фартуком.

2.При разбавлении или смешивании концентрированных кислот с другими веществами, которые сопровождаются выделением теплоты, следует использовать только термостойкую химическую посуду из стекла или фарфора. При смешивании двух жидкостей – жидкость с большей плотностью приливают к жидкости с меньшей плотностью(например, серную кислоту приливают к воде).

3.Растворять гидроксиды натрия и калия следует(в защитных очках) медленным прибавлением их к воде небольшими порциями при постоянном перемешивании. Твердую щелочь нельзя брать руками, следует использовать для этого щипцы или шпатели.

4.Категорически запрещается кислоты и щелочи затягивать ртом в сифон или пипетку.

5.Нельзя выливать в раковину остатки кислот, щелочей. Их сливают в специальные склянки для неорганических сливов или проводят нейтрализацию по окончании работы.

5

Работа с токсичными и легковоспламеняющимися веществами

Особую осторожность следует соблюдать при работе с токсичными веществами, например, с диметилсульфатом, хлорангидридами низших кислот, с фенолами, галогенонитросоединениями, непредельными карбонильными соединениями, непредельными кислотами, алифатическими галогенокислотами, гидразинами и др. Работать с подобными соединениями следует только в перчатках и в хорошо действующем вытяжном шкафу, так как многие из этих веществ вызывают раздражение и ожоги кожи и слизистых оболочек.

Особого внимания и осторожности требует работа с легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ).

1.Нельзя работать с ЛВЖ вблизи огня и включенных электроприборов. Нагревать ЛВЖ следует в колбах, снабженных водяным холодильником, используя предварительно нагретые водяные бани. Требуемую температуру в бане поддерживают -до бавлением горячей воды.

2.Нельзя проводить перегонку досуха, так как многие вещества (диэтиловый эфир, диоксан) образуют взрывоопасные пероксиды.

Первая помощь при термическом поражении

1. Устранить источник тепла(огонь, горячую жидкость,

пар).

2.Убрать ткань с пораженного места, при поражении первой или второй степени нужно лить на место поражения - про хладную воду на протяжении5–10 мин. Если же наблюдается обугливание ткани или открытая рана (третья и четвертая степень), накладывается чистая влажная ткань.

3.Дать выпить 500 мл воды с половиной чайной ложки со-

ли и четвертью чайной ложки соды.

4.Дать 0,05 г димедрола и 1–2 г аспирина.

5.Снять все вещи, которые можно снять с пораженной части тела, в том числе украшения, часы, ремни, если одежда прилипла к ране, ее нужно аккуратно обрезать вокруг.

6.Вызвать скорую помощь.

6

Первая помощь при термическом поражении глаз

1.Срочно промыть пораженный глаз холодной проточной

водой.

2.Попытаться вытащить пинцетом или ватным жгутиком попавшие в глаз твердые частички, если глаз поражен горящим фосфором, фосфор будет продолжать гореть даже под водой. Поэтому необходимо вытащить частички вещества из глаза.

3.Если пострадавший страдает от боли, нужно дать ему обезболивающий препарат.

4.Кожу вокруг пораженного глаза смазать однопроцентной зеленкой или синтомициновой мазью.

5.В глаз закапать сульфацил натрия или левомицетин, наложить стерильную повязку.

7.Вызвать скорую помощь.

Первая помощь при химическом поражении

1.Снять с пострадавшего участка тела одежду и любые аксессуары,

2.Пораженное место подержать под холодной проточной водой от 20 мин. В том же случае если с момента воздействия

реагента прошло какое-то время, длительность промывания должна составить 40 мин. Не следует обтирать пораженную поверхность тряпочкой или бумажными полотенцами, это лишь усугубит воздействие реагента.

3.При воздействии кислот следует посыпать пораженное место содой, полить мыльной водой или сделать раствор соды: на 500 мл воды 1 чайная ложка. При поражении щелочью следует обмыть пораженное место некрепким раствором уксуса или лимонной кислоты. Если ожог произошел от контакта с известью, следует сделать раствор сахара из расчета на одну часть сахара пять частей воды. При ожоге карболовой кислотой обрабатывать нужно известковым молоком или глицерином.

4.Прикрыть поврежденный участок тела тряпочкой, смоченной в холодной воде. Это поможет уменьшить боль.

7

Лабораторная работа № 1.

СИНТЕЗ ПОЛИСТИРОЛЬНОГО ЛАТЕКСА МЕТОДОМ ЭМУЛЬСИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Цель работы: провести синтез полистирольного латекса методом эмульсионной полимеризации в присутствии радикального инициатора с контролем кинетики процесса.

Приборы, посуда, материалы и реактивы

Лабораторная установка для получения латекса. Весы аналитические марки ViBRA AF-R220CE. Секундомер.

Делительная воронка на 50 см3 .

Мерные пипетки вместимостью 1 и 5 см3. Цилиндры вместимостью 50, 100 см3.

Бюксы стеклянные вместимостью 10 см3 – 5 шт. Стирол.

Раствор эмульгатора.

Персульфат калия или аммония (инициатор). Раствор КОН или NaOH с концентрацией 2 моль/дм3.

Краткие теоретические сведения

Высокомолекулярные вещества – это соединения, состоящие из молекул больших размеров, большой молекулярной массы. Подавляющую часть их составляют полимеры, макромолекулы которых состоят из большого числа одинаковых повторяющихся группировок.

Латексы – водные коллоидные дисперсии высокомолекулярных соединений. Латексы принято классифицировать на натуральные, синтетические, модифицированные и искусственные.

Натуральные латексы представляют собой консервированный и концентрированный млечный сок бразильской гевеи. Это каучук исключительно природного происхождения, он экологически чистый и безопасный для здоровья. При этом, натуральный латекс имеет определенные недостатки: в частности, сырье по-

8

степенно разрушается под воздействием прямых солнечных -лу чей, а также портится при контакте с жирными веществами. Чтобы повысить износоустойчивость материала и сделать его более практичным, в производстве используют специальные добавки — присадки. Наиболее распространенным среди них считается мономер изопрен.

Искусственные латексы получают механическим диспергированием растворов полимеров с последующей отгонкой растворителя. Эта технология производства латексов используется для полимеров, прямой синтез которых в водной эмульсии невозможен или крайне затруднителен. К ним относят стереорегулярные каучуки, некоторые продукты поликонденсации, полимеры и сополимеры изобутилена.

К синтетическим латексам можно отнести латексы полимеров и сополимеров бутадиена, изопрена, хлоропрена, этилена, акрилонитрила, акриловой и метакриловой кислот и ряда других мономеров в самых различных соотношениях.

Полимеризация - реакция образования макромолекул путем последовательного присоединения молекул мономера к растущему активному центру.

При синтезе латексов эмульсионным методом используют радикальные инициаторы, где растущим активным центром является свободный радикал – частица, имеющая неспаренный электрон на внешнем уровне одного из атомов.

Процесс полимеризации включает три стадии:

–инициирование (образования активных центров);

–рост цепи;

–обрыв цепи.

За счет распада радикального инициатора происходит образование активных центров и взаимодействие их с молекулой мономера:

R-COOH ® R-CO·

R-CO· + CH2=CHR ® R-CO-CH2-·CHR

Наиболее активные инициаторы пероксидного типа(например, персульфаты калия или аммония) обеспечивают достаточно высокую скорость образования свободных радикалов и необходимую скорость полимеризации лишь при повышенных тем-

9

пературах. Их применяют обычно при получении товарных -ла тексов в процессах «горячей» (~50 0С) полимеризации.

Синтез эмульсионных каучуков осуществляют в условиях низкотемпературной («холодной») полимеризации при температуре 5-10 0С. Это позволяет существенно улучшить качество полимера за счет снижения разветвленности макромолекул. В данной технологии применяют высокоэффективные окислительновосстановительные инициирующие системы каучуков. Так, например, при синтезе каучуков общего назначения(бутадиенстирольных, нитрильных) используется обратимая окислительновосстановительная железо-трилон-ронгалитовая инициирующая система.

Рост цепи происходит путем присоединения мономера к растущему активному центру по-разным механизмам, например, «голова к хвосту» (а) или «хвост к хвосту» (б):

(а) ~CH2– ·CH-R + CH2=CHR ® ~CH2–CHR-CH2-·CHR; (б) ~CH2– ·CH-R + RCH=CH2 ® ~CH2–CHR–CHR-·CH2.

Стадия обрыва цепи может происходить за счет: а) реакции рекомбинации

~CH2– ·CH-R + R·CH-CH2 ~®~CH2–CHR- CHR-CH2~ ;

б) реакции диспропорционирования

~CH2– ·CH-R + R·CH-CH2 ~®~CH2–CH2R + RCH=CH~.

Соотношение реакций (а) и (б) зависит от температуры: при низких температурах преобладает рекомбинация, при высоких - возрастает роль реакций диспропорционирования.

Если при реакции обрыва цепи стабилизация данного -ак тивного центра сопровождается образованием нового свободного радикала, то такой процесс называется переносом цепи. Реакцию переноса цепи используют для регулирования молекулярной массы полимеров: чем больше в систему вводится активного переносчика цепи (регулятора), тем ниже молекулярная масса полимера. В качестве регуляторов молекулярной массы при синтезе

латексов чаще всего применяют органические дисульфиды и меркаптаны. Именно благодаря использованию регуляторов по-

10