Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практикум по химии и физике полимеров. Учебное пособие
.pdf
Н.В. Ключникова, Н.В. Дробницкая
Химия и физика полимеров
Лабораторный практикум
Белгород
2017
2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА
Н.В. Ключникова, Н.В. Дробницкая,
Химия и физика полимеров
Лабораторный практикум
по направлениюподготовки
18.03.01 «Химическая технология»
образовательная программа «Технология
и переработка полимеров»
Белгород 2017
3
УДК: 544(07):678(070
ББК: 24.7я7
К 52
Рецензенты: д-р техн. наук, проф. БелГУ А.И. Везенцев
д-р. техн. наук, проф. БГТУ им. В.Г. Шухова Е.Э Потапов
К 52 Ключникова, Н.В. – Практикум по химии и физике
полимеров: учебное пособие / Н.В. Ключникова, Н.В. Дробницкая.
– Белгород: Изд-во БГТУ, 2017 – 175 с.
Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по
образовательной программе «Технология и переработка полимеров».
В пособии представлены основные методики синтеза
ысокомолекулярных соединений, получаемых методами
полимеризации, поликонденсации, полиприсоединения и
полимераналогичных превращений. Изложены важнейшие методы
исследования структурных и эксплуатационных характеристик
полимеров.
УДК: 544(07):678(070
ББК: 24.7я7
© Белгородский государственный
технологический университет
(БГТУ) им В.Г. Шухова, 2017
4
Введение
Химия полимеров является одной из наиболее быстро
развивающихся отраслей науки. Важные отрасли промышленности –
пластических масс, резиновая, химических волокон, пленок, лаков и
клеев, электроизоляционных материалов, бумажная и др. – полностью
основаны на переработке высокомолекулярных материалов. В
результате успехов в области химии и физикохимии
высокомолекулярных соединений и усовершенствования технологии
их производства, благодаря принципиальной возможности сочетать в
одном веществе желаемые свойства синтетические
высокомолекулярные соединения проникают во все области
промышленности, где они становятся незаменимыми
конструкционными и антикоррозионными материалами.
Поэтому будущим специалистам, чья деятельность соприкасается
с химией и технологией полимеров, необходимы глубокие знания
основ высокомолекулярных соединений.
Представленное учебное пособие предназначено для бакалавров,
обучающихся по образовательной программе «Технология и
переработка полимеров». В пособии содержится основной
теоретический материал, необходимый будущим специалистамполимерщикам. Изложены практические сведения и синтезы
важнейших полимеров. Приведены методы исследования физикохимических свойств полимеров.
Правила техники безопасности в химической лаборатории
Работа с веществами, используемыми в синтезах
высокомолекулярных соединений, требует особой осторожности и
соблюдения мер безопасности, так как они в той или иной степени
токсичны, горючи и взрывоопасны; оказывают вредное воздействие
на организм человека. Например, попадание жидкого мономера на
кожу может вызвать ее раздражение, а в некоторых случаях даже
ожог. Поэтому работы с такими веществами следует проводить под
тягой, защищая руки резиновыми перчатками, и соблюдать
соответствующие меры предосторожности. Перед началом работы
необходимо ознакомиться с токсикологическими характеристиками
используемых в синтезе веществ и обязательно пройти инструктаж
о мерах безопасности при работе с ними. Необходимо помнить о
горючести органических растворителей, а их пары или пыль в смеси с
воздухом при определенных концентрациях в воздухе могут
5
взрываться – это взрыво- и пожароопасное производство. Кроме того,
многие мономеры обладают определенной токсичностью. Полимеры в
основном безвредны, однако в виде пыли также могут вызывать
раздражение верхних дыхательных путей. Так, при термическом
разложении полиакрилонитрила в присутствии кислорода воздуха
выделяются цианид водорода, оксиды азота и оксид углерода.
Защитными средствами при работе с токсичными веществами
являются перчатки, фартуки, защитные очки и фильтрующие
противогазы. Работу с эфиром, спиртами, ацетоном, бензолом и
другими легковоспламеняющимися жидкостями следует проводить
обязательно вдали от огня и стараться при этом не вдыхать их пары;
нагревают их только на банях с закрытой спиралью. При
воспламенении необходимо плотно закрыть сосуд с горящей
жидкостью стеклянным, фарфоровым или металлическим предметом,
мокрым полотенцем, после чего огонь обычно гаснет. Никогда не
следует задувать пламя или заливать его водой. При легких ожогах
обожженное место смазывают глицерином или прикладывают вату,
смоченную спиртом. В некоторых технологических процессах отгонка
мономеров или растворителей проводится под вакуумом. При этом
необходимо соблюдать следующее правило: сначала создать в аппарате
заданное давление, а потом поднимать температуру. В противном
случае при подключении к вакуумной линии возможно бурное
кипение, испарение и выброс реакционной массы из реактора.
При работе в химической лаборатории необходимо соблюдать
следующие правила:
1. Приступая к работе в лаборатории, студенты должны
ознакомиться с расположением средств пожаротушения и оказания
первой медицинской помощи.
2. При подготовке к лабораторной работе студенты должны
внимательно изучить задание по ее выполнению, обратив особое
внимание на правила, обеспечивающие безопасность. Необходимо
познакомиться со свойствами применяемых в синтезе веществ
(огнеопасность, токсичность и т.д.).
3. При работе в лаборатории следует помнить, что все
органические соединения ядовиты, а многие из них взрыво- и
огнеопасны. Поэтому в процессе работы необходимо соблюдать
чистоту, быть внимательным и аккуратным, исключить попадание
веществ на кожу и одежду.
4. Во время работы в лаборатории нужно не касаться руками
лица и глаз. После работы тщательно вымыть руки с мылом.
6
5. В лаборатории необходимо соблюдать чистоту, не принимать
пищу, не пить воду из лабораторной посуды, не пробовать вещества на
вкус. Нюхать вещества можно лишь осторожно, направляя к себе пары
движением руки.
6. Категорически запрещается работать в лаборатории одному.
7. Нельзя проводить синтезы в загрязненной посуде.
8. Органические соединения в паро- и газообразном состоянии в
смеси с воздухом способны взрываться. Не допускайте образования
таких смесей.
9. Плотность паров органических соединений выше, чем
плотность воздуха, поэтому по соседству с легколетучими горючими
жидкостями не должно быть включенных плиток и горелок.
10. При перегонке органических веществ во избежание взрыва
нагреваемая колба должна иметь сообщение с атмосферой.
11. Нельзя наклоняться над сосудом (колбой, пробиркой и т.д.), в
котором кипит жидкость, так как брызги жидкости могут попасть в
глаза. При проведении работ по сплавлению со щелочью,
металлическим натрием, концентрированными кислотами всегда
следует пользоваться защитными очками, резиновыми перчатками.
12. При смешивании жидкостей более тяжелую из них приливают
при перемешивании к жидкости с меньшей плотностью. Например,
серную кислоту льют в воду, а не наоборот.
13. Работу с большинством органических веществ нужно
проводить только в вытяжных шкафах или в хорошо проветриваемом
помещении.
14. Остатки реактивов следует обезвреживать и сливать в
специальные емкости для отходов.
15. При проведении работы по сплавлению органического
вещества с металлическим натрием необходимо следить, чтобы вблизи
не было воды. Резать натрий можно только на сухой фильтровальной
бумаге, защитив себя очками или маской. По окончании работы
необходимо тщательно собрать все остатки непрореагировавшего
натрия в банку с керосином, мелкие остатки уничтожают, растворяя их
в спирте.
16. При работе с бромом следует помнить, что это очень ядовитое
вещество, сильно действующее на слизистые оболочки и образующее
на коже труднозаживающие ожоги. Все работы с бромом проводят в
вытяжном шкафу. В случае ожога бромом обожженное место
продолжительное время обрабатывают спиртом или
концентрированным (20-40%-ным) раствором тиосульфата натрия,
7
который затем смывают большим количеством воды; затем
направляют пострадавшего в медицинский пункт.
17. При попадании кислот на кожу нужно быстро промыть
пораженное место струей воды, а затем промыть 2-3%-ным раствором
соды. При ожоге едкими щелочами надо также хорошо промыть
пораженное место водой, а затем – 2-3%-ным раствором уксусной
кислоты.
18. При случайном попадании кислоты или щелочи в глаза тотчас
промыть их большим количеством воды, а затем обработать тампоном,
смоченным в растворе соды или борной кислоты, и вновь промыть
водой. Промывать глаза следует не менее 15 минут; растворы для
промывания глаз хранят в капельницах с пипетками или в маленьких
промывалках с носиком. При необходимости вызвать скорую помощь
по телефону «03».
19. Запрещается нагревать летучие и легковоспламеняющиеся
жидкости и вещества на открытом пламени. Для этого нужно
пользоваться водяной баней или электрической плиткой с закрытой
спиралью. При перегонке таких веществ обязательно применять
холодильники с водяным охлаждением. Нельзя перегонять жидкости
досуха – это может привести к взрыву или пожару.
20. Категорически запрещается держать ртуть в открытой посуде.
Все приборы, содержащие ртуть, должны быть помещены на
бесщелевые подносы с достаточно высокими боковыми стенками. В
случае поломки прибора, содержащего ртуть, необходимо поставить
об этом в известность преподавателя или лаборанта. Выливать ртуть в
раковины запрещается. Разлитую ртуть собирают с помощью
амальгамированной медной пластинки в специальные толстостенные
банки, закрытые пробкой. Остатки ртути, попавшие в щели пола, стола
и т.д., следует обработать 20%-м водным раствором хлорида железа
(III) или порошком серы.
21. Концентрированные кислоты, щелочи, ядовитые и сильно
пахнущие вещества обязательно хранить в хорошо вентилируемом
вытяжном шкафу.
22. Легковоспламеняющиеся и взрывоопасные жидкости должны
храниться в металлических шкафах в количестве, не превышающем
ежедневной потребности.
23. В случае воспламенения одежды необходимо немедленно
набросить на пострадавшего халат, пиджак и т.д.; ни в коем случае не
давать ему бежать, так как это усиливает пламя. При возникновении
пожара нужно сразу отключить вентиляцию и электроэнергию,
принять меры к ликвидации загорания. При необходимости вызвать
8
пожарную команду. При воспламенении эфира, бензола, бензина
нельзя применять для тушения воду. В этих случаях пламя тушат
песком или асбестовым одеялом.
24. При работе со стеклом и химической посудой необходимо
соблюдать правила предосторожности. При небольших порезах
стеклом удаляют пинцетом из раны осколки, обрабатывают
дезинфицирующим средством - протирают ватой, смоченной йодистой
настойкой; можно смазать водным раствором риванола (1:500) и
перевязать либо закрыть кусочком марли, а сверху нее заклеить
липким пластырем или приложить к ране вату и забинтовать.
25. При термических ожогах необходимо обработать обожженное
место мазью или 7%-ным раствором перманганата калия и наложить
повязку. При необходимости отправить пострадавшего в медпункт.
26. Запрещается беспорядочно смешивать органические вещества
и проводить какие-либо опыты, не связанные с программой обучения.
27. При раздражении дыхательных путей следует выйти на
чистый воздух. При серьезных травмах пострадавшего отправить в
медпункт.
28. При возникновении пожара в лаборатории необходимо сразу
же отключить вентиляцию и электроэнергию и принять все меры к
ликвидации очага загорания; при необходимости воспользоваться
огнетушителями или вызвать пожарную команду (телефон «01»).
29. После выполнения работы следует сдать реактивы, посуду и
оборудование лаборанту или преподавателю.
1.1.Роль полимеров в технике и жизни
Природные и искусственные полимеры издавна играли большую
роль в жизни человека. В настоящее время невозможно обойтись без
изделий из пластмасс, каучуков и разнообразных синтетических
волокон. Трудно назвать отрасль народного хозяйства, в которой бы не
применялись полимерные материалы или изделия на их основе.
К наиболее важным синтетическим полимерам относятся
полиэтилен, полипропилен, полистирол, полиметилметакрилат,
полиакрилонитрил, фенолоформальдегидные и эпоксидные смолы. На
основе каучуков получают различные полимерные материалы –
пластмассы, эластомеры, волокна, лаки и др.
Основой пластмасс являются полимеры, которые играют роль
связующего компонента при получении пластмасс и в значительной
степени определяют их свойства. Кроме полимеров, в состав пластмасс
могут входить стабилизаторы, пластификаторы, красители и другие
добавки. Кроме этого, пластмассы содержат также наполнители,
9
которые придают им механическую прочность, твердость и
термостойкость. В качестве наполнителей используют кварцевую и
древесную муку, измельченную слюду, стекловолокно, сажу, бумагу,
что намного снижает себестоимость пластмасс.
Применяя в качестве наполнителя стекловолокно, получают
стеклопластики с высокой механической прочностью, сравнимой с
прочностью стали. Пластмассы, наполненные азотом или воздухом
(поропласты и пенопласты), имеют низкую плотность и прекрасные
теплоизоляционные свойства. Для получения эластичных материалов,
сохраняющих свои свойства в широком интервале температур,
применяют пластификаторы, которые также улучшают
морозостойкость и огнестойкость. Стабилизаторы повышают
устойчивость пластмасс к действию света, тепла, кислорода воздуха,
механическим нагрузкам. Для получения окрашенных пластмасс часто
используют органические красители.
Сейчас нет ни одной отрасли хозяйства, где бы ни использовались
пластмассы. Они с успехом заменяют многие материалы, в том числе
сталь и цветные металлы. Пластмассовые детали машин легче,
устойчивее к коррозии и дешевле. Изделиям из пластмассы можно
легко придать любую форму, причем при переработке образуется мало
отходов. Однако пластмассы при горении могут выделять вредные
газы, большинство из них плохо разлагаются микроорганизмами. Это
особенно опасно при их использовании в строительстве.
В современном строительстве находят применение различные
пластмассы, органические добавки в цементы и бетоны, новые лаки,
гидрофобизирующие составы и др. Это позволяет постепенно заменять
традиционные строительные материалы более легкими, прочными и
красивыми. Строительная индустрия является наиболее крупным
потребителем синтетических полимеров. Полимерные материалы
используют для внешней и внутренней отделки зданий, покрытия
полов, тепло-, звуко-, гидроизоляции и герметизации стыков при
крупнопанельном строительстве. В строительстве широко
применяются полистирольные облицовочные плитки, слоистые
пластики, поливинилхлоридный линолеум, моющиеся обои и
звукоизоляционные перегородки из вспененных пластмасс, дверные и
оконные рамы, санитарно-техническое оборудование, трубопроводы и
мебель из полимерных материалов и т. д.
Номенклатура полимерных строительных материалов и
строительных изделий на основе полимеров превышает несколько
тысяч наименований. Применение пластмасс в строительстве
значительно уменьшает вес строительных конструкций, что
10
способствует решению одной из основных задач капитального
строительства.
2. Основные понятия, классификация и отличительные
особенности высокомолекулярных соединений
Высокомолекулярные соединения или полимеры – это
химические вещества с большой молекулярной массой и обладающие
особыми свойствами. Макромолекулы большинства полимеров
построены из одинаковых, многократно повторяющихся групп атомов
– элементарных звеньев, связанных между собой. Число элементарных
звеньев в макромолекуле (n) называется степенью полимеризации
полимера. Между этой величиной и молекулярной массой полимера
(М) существует следующая связь:
М = М
·n,
о
где Мо – молекулярная масса элементарного звена.
Для полимерных соединений молекулярная масса является
среднестатистической величиной, так как они состоят из смеси
макромолекул, имеющих различные размеры и массу, полимергомологов.
Молекулярная масса синтетических полимеров колеблется в
широких пределах и может превышать молекулярную массу исходных
мономеров в 104-107 раз.
Все полимеры по происхождению делят на три группы:
1) природные полимеры – белки, нуклеиновые кислоты,
целлюлоза, натуральный каучук;
2) искусственные полимеры – их получают химической
модификацией природных полимеров: например, эфиры целлюлозы
(С
6Н10О5)n
др.;
низкомолекулярных соединений – мономеров (полиэтилен,
полистирол, поливинилацетат, полиакрилонитрил и многие другие
полимеры).
высокомолекулярных соединений. Это синтетический каучук,
синтетические волокна, смолы и пластмассы – материалы, находящие
широкое разнообразное применение как в разных отраслях
промышленности, так и в нашей повседневной жизни.
В зависимости от характера размещения элементарных звеньев в
макромолекулярной цепи различают регулярные и нерегулярные
, на основе которых получают ацетатный шелк, вискозу и
3) синтетические полимеры, которые получают из
В настоящее время получено огромное количество синтетических
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]