Теоретические основы получения полимеров. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

К а ф е д р а «Технология органического и нефтехимического синтеза»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Учебное пособие

Самара Самарский государственный технический университет

2020

1

Печатается по решению методического совета ХТФ СамГТУ(протокол № 6 от 15.06.2020 г.).

УДК 678(075.8) ББК 35.71я73 Т 33

Теоретические основы получения полимеров: учебное пособие / Сост.

С.В. Портнова, С.В. Сушкова. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2020. – 96 с.

Изложены теоретические основы процессов полимеризации и поликонденсации. Представлены основные сведения о полимерах, основные характеристики. Рассмотрены механизмы, кинетика и термодинамика реакций полимеризации и поликонденсации. Приведены технические способы получения высокомолекулярных соединений.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению18.03.01 «Химическая технология».

Р е ц е н з е н т ы : канд. техн. наук С.Я. Карасева,

канд. хим. наук О.В. Лаврентьева

УДК 678(075.8) ББК 35.71я73 Т 33

©С.В. Портнова, С.В. Сушкова, составление, 2020

©Самарский государственный технический университет, 2020

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время производство полимеров и продуктов на их основе является крупнейшей и быстрорастущей отраслью промышленности. Мировое производство синтетических материалов по объёму производства превысило такие отрасли, как чёрная и цветная металлургия. В России полимерная промышленность производит широкий спектр полимеров общего назначения, таких как полипропилен, полиэтилен, полистирол и поливинилхлорид и т. д. Но одним из главных направлений развития нефтехимической промышленности является создание собственных производств дефицитных полимерных материалов, потребность в которых в настоящее время покрывается за счёт импорта. Например, эпоксидные смолы, полиуретан, полиэфирные смолы, полиамид-6,6 и др. [1]. Таким образом, подготовка специалистов области химической технологии высокомолекулярных - со единения также является приоритетной задачей.

Дисциплина «Теоретические основы получения полимеров» является одной из важнейших при подготовке бакалавров по профилю «Химическая технология высокомолекулярных соединений». Это первая дисциплина профессионального цикла. Она изучается студентами в течение одного семестра на третьем году обучения. В результате изучения данной дисциплины студент должен иметь представление о строении и структуре высокомолекулярных соединений; об основных свойствах полимеров и способах их регулирования; о типах химических способов получения полимеров; о механизмах, термодинамических и кинетических характеристиках реакций получения высокомолекулярных соединений и об основных способах проведения реакций полимеризации и их технологических особенностях.

Учебное пособие состоит из трех разделов. В первом разделе представлены общие сведения о полимерах. Даны определения основным понятиям, приведены структуры и основные характеристики полимеров, представлены классификации полимеров по различным признакам, охарактеризованы основные способы получения полимеров.

3

Во втором разделе представлены общие сведения о процессе полимеризации и сополимеризации. Приведены механизмы реакций полимеризации, кинетическое и термодинамическое описание процессов. Рассмотрены способы осуществления промышленных процессов полимеризации и сополимеризации, их особенности, а также достоинства и недостатки.

В третьем разделе представлены теоретические основы процессов поликонденсации. Приведены общие сведения о процессах поликонденсации, кинетика и термодинамика процессов. Описаны технологические особенности осуществления в промышленности реакций поликонденсации.

Учебное пособие рассчитано на студента, начинающего изучать процессы получения полимеров. Особое внимание направлено на формирование у обучающегося знаний основных понятий и представления о теоретических основах получения полимеров. Каждый раздел сопровождается контрольными вопросами.

4

ВВЕДЕНИЕ

Полимеры – особый вид материалов, обладающих в зависимости от строения молекул, широким спектром свойств и применяются в самых различных сферах жизнедеятельности: в промышленности и сельском хозяйстве, в науке и технике. Полимерная промышленность выпускает широкий ассортимент продукции, способной удовлетворить любые запросы к эксплуатационным свойствам материалов. На основе полимеров производятся изделия, устойчиво работающие при повышенных и пониженных температурах, стойких к коррозии, обладающих эластичностью и пластичностью, твёрдостью или гибкостью и т. д.

Основные свойства полимеров формируются в процессе их промышленного синтеза и определяются элементным составом, пространственным строением, механизмами реакций и технологическими способами получения[2]. Современное состояние знаний о механизмах реакций синтеза полимеров при различных способах инициирования позволяют сознательно выбирать тот из них, который обеспечит заданную структуру полимера и, как следствие, необходимые свойства. Накопленные практические знания о промышленных про-

цессах получения полимеров позволяют давать рекомендации по управлению реакциями полимеризации и поликонденсации.

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы получения полимера, основные характеристики, структуры, кинетика и термодинамика процессов полимеризации и поликонденсации, а также основные способы проведения реакций полимеризации и поликонденсации в промышленности.

5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛИМЕРАХ

1.1. Полимеры. Основные понятия

Полимеры (от греческого «поли» – много и «мер» – часть) – это

вещества, состоящие из молекул, характеризующихся многократным повторением одного или более типов атомов или групп атомов [3].

Простейшим органическим полимером является полиэтилен– продукт полимеризации этилена.

n

Этилен – ненасыщенный углеводород, легко вступающий в реакции присоединения. Этилен является мономером.

Мономер (от греческого «моно» – один) – низкомолекуляр-

ное вещество, молекулы которого способны вступать в реакцию друг с другом или с молекулами других веществ с образованием полимера [3].

Многократно повторяющиеся группировки, которые являются остатками мономеров, называются мономерными звеньями. Полимер, состоящий из мономерных звеньев, также называют макромолекулой или полимерной цепью.

Число звеньев в полимерной цепи называется степенью -по лимеризации (P) [2]. Произведение степени полимеризации на молекулярный вес звена равно средней молекулярной массе полимера:

скольких единиц до 5000–10000 и более. Следовательно, молекулярная масса полимеров варьируется от10000 до 2000000. Значения молекулярных масс и степени полимеризации для некоторых полимеров приведены в табл. 1.1 [3, 4]

Полимерные цепи с молекулярной массой от 103 до 104 называют олигомерами (от греческого «олиго» – мало) или смолами. Полимеры с высокой молекулярной массой иногда называютвысокомолеку-

лярными соединениями.

6

Таблица 1.1

Молекулярная масса и степень полимеризации некоторых полимеров

1.2. Классификация полимеров

Наиболее распространенные классификации полимеров основаны на следующих признаках [5]:

1)происхождение полимера;

2)химический состав полимера;

3)количество молекул мономеров, участвующих в образовании полимера;

4)строение макромолекулы;

5)свойства полимеров, определяющие область применения и метод переработки.

7

1.2.1. Классификация по происхождению полимера

По происхождению все известные полимеры делятся на 2 группы [5]:

–природные;

–синтетические.

Кприродным органическим полимерам можно отнести полиса-

алюмосиликаты, бораты, фосфаты и др.

Синтетические полимеры получают полимеризацией низкомолекулярных соединений – мономеров.

1.2.2. Классификация по химическому составу полимера

По химическому составу полимеры подразделяют на [5]:

–неорганические;

–органические;

–элементоорганические.

Неорганические полимеры – высокомолекулярные соединения, полимерные цепи, которых состоят из неорганических элементов и не содержат связей C-H [3]. Примеры неорганических полимеров представлены в табл. 1.2 [3].

Таблица 1.2

Примеры неорганических полимеров

8

Органические полимеры содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода, галогенов (см. табл. 1.1).

Элементоорганические полимеры содержат как органические, так и неорганические элементы. Примеры элементоорганических полимеров представлены в табл. 1.3 [3].

1.2.3. Классификация по количеству мономеров

По количеству мономеров, участвующих в образовании полимера различают: гомо- и сополимеры.

Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называют гомополимерами. Например: полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. (см. табл. 1.1).

Полимерные соединения, цепи которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называют сополимерами. Примеры неорганических полимеров представлены в табл. 1.4 [6].

9

Таблица 1.4

Примеры сополимеров

1.2.4. Классификация по строению полимеров

Помимо классификации, основанной на химической природе полимера, весьма распространена классификация, рассматривающая строение макромолекул полимеров. Различают следующие понятия: конфигурация и конформация [5].

Конфигурация – взаимное расположение атомов цепи, определяющее химическую структуру макромолекулы. Конфигурация цепи может быть изменена только с помощью химической реакции.

Различают: конфигурацию цепи в целом; дальний конфигурационный порядок; конфигурация присоединения звеньев (ближний порядок); конфигурацию звена.

10