Отличительные особенности полимеров
1.
Для полимеров характерна большая
молекулярная масса. Поскольку полимеры
представляют собой смесь макромолекул
различной величины, то молекулярная
масса полимера определяется средней
величиной молекулярных масс отдельных
молекул. По этой причине говорят всегда
о средней
молекулярной массе полимера
.
2. Растворы полимеров обладают значительной вязкостью, превышающую вязкость растворов низкомолекулярных веществ. Процесс растворения полимера протекает через стадию его набухания в растворителе.
3. В химических превращениях полимер может участвовать как целая молекула, так и отдельными своими частями.
4. Существенный недостаток большинства органических полимеров – их горючесть.
Широкое применение полимеров привело к увеличению числа пожаров. Статистика показывает, что более чем в 75 % случаев причиной пожара является возгорание органических полимерных материалов даже от так называемых “малокалорийных источников тепла” (спичка, тлеющая сигарета).
1975 год был объявлен в США годом национального бедствия: 12 тысяч человек стали жертвами горения полимерных материалов.
Особо следует отметить токсичность продуктов неполного сгорания полимеров. Это основной компонент – угарный газ СО, циановодородная кислота HCN, хлороводород HCl.
6.1. Способы получения полимеров
Синтетические полимеры можно получить с помощью двух классических типов химических реакций: полимеризации и поликонденсации.
Высокомолекулярные соединения построены из мономеров. Основным источником мономеров является нефтехимический синтез. При переработке углеводородного сырья образуются этилен, пропен, бутены, будадиен и изопрен.
Характер исходных мономеров определяет тип реакции получения полимеров.
|
Мономеры | |
|
Содержат в молекулах кратные связи (двойные, тройные и их комбинации). Реакция протекает за счет разрыва кратных связей без выделения побочных продуктов. |
Содержат в молекулах не менее двух функциональных групп ОН гидроксил; С = О карбонил; Н С = О карбоксил; ОН NН2амино-группа. |
|
Такие мономеры вступают в реакции полимеризации. |
Эти мономеры вступают в реакции поликонденсации. |
6.1.1. Реакции полимеризации
Полимеризацией называется реакция соединения молекул мономера, протекающая за счет разрыва кратных связей без выделения побочных низкомолекулярных продуктов.
Механизм реакции полимеризации – радикальная цепная реакция. Рассмотрим его на примере получения полиэтилена.
1. Образование активного центра
В качестве активного центра могут выступать радикалы, образованные перекисными соединениями:
,,-излуч.
R–O–O–R2R–O.
h,t0
R–O обозначим как R.
При определенных условиях исходные радикалы могут быть образованы и самим мономером:
СН2= СН2 СН2– СН2
2. Стадия роста цепи
Исходный свободный радикал превращает молекулу этилена в другой свободный радикал
а)
R + СН2 = СН2 R – CH2 – CH2
R – CH2 – CH2 + CH2 = CH2 R – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 и т.д.
б)
СН2– СН2+ СН2= СН2 СН2– СН2 – СН2– СН2и т.д.
В результате получается линейный полимер, образование которого инициируется одним единственным свободным радикалом. Свободные радикалы – чрезвычайно активные частицы, которые могут неконтролируемо взаимодействовать с растворителем, примесями.
3. Обрыв цепи
Возможен при взаимодействии двух свободных макрорадикалов, стенками сосуда, растворителем.
Представив все стадии процесса становится понятно, почему образуются цепи разной длины.
В таблице приведены примеры полимеров, получаемых реакцией полимеризации.
Если в реакцию вступают два различных мономера, то эта реакция называется реакцией сополимеризации.
Таблица 6.1.
Примеры полимеров, получаемых реакцией полимеризации
|
№ |
Мономер |
Полимер |
Свойства полимера |
|
1. |
СН2= СН2 этилен |
( – СН2– СН2– )n полиэтилен |
Прочность, высокие электроизоляционные свойства, небольшая плотность, высокая химическая стойкость. |
|
2. |
СН2= СН – СН3 пропилен |
( – СН2– СН – )n СН3 полипропилен |
Большая механическая прочность и теплостойкость, чем у полиэтилена. Высокая химическая стойкость. |
|
4. |
С – СН = СН2 // \ HС СH HС СH \\ / СH стирол |
(– СН – СН2 –)n С // \ HС СH HС СH \\ / СH полистирол |
Высокие электроизоляционные свойства, прозрачность. Стереорегулярный полимер более термостоек. Сополимеры не обладают хрупкостью. При 70 – 800С начинается разложение полимера. |
|
4. |
СН2= СН –Cl винилхлорид |
( – СН2– СН – )n Сl поливинилхлорид (ПВХ) |
Прочность, высокие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость. |
|
5. |
СF2= СF2 тетрафторэтилен |
( – СF2– СF2– )n политетрафторэтилен |
Наивысшая химическая стойкость, очень высокие электроизоляционные свойства, термостойкость до 3000С. |
|
6. |
СН2=СН–СН=СН2 бутадиен-1,3
|
(–СН2–СН=СН–СН2–)n полибутадиен |
Бутадиеновый каучук. Водо- и газонепроницаемость. |
|
7. |
СН2=СН–СН=СН2 бутадиен-1,3 и С – СН = СН2 // \ HС СH HС СH \\ / СH стирол |
Реакция сополимеризации: (–СН–СН2– СН2–СН=СН–СН2–)n С // \ HС СH HС СH \\ / СH сополимер стирола и бутадиена-1,3
|
Полибутадиен-стирольный каучук. Газонепроницаемость, недостаточная жароустойчивость. |
|
8. |
СН2=СН-О-С=О СН3 винилацетат |
( – СН2 – СН – )n О – С=О СН3 поливинилацетат (ПВА) |
Эластичность, прозрачность, светостойкость. Малая устойчивость к нагреванию и химическим реагентам.
|
|
9. |
СН3 СН2=С– С = О О – СН3 метилметакрилат |
СН3 ( – СН2– С – )n О – С=О СН3 полиметилметакрилат |
Органическое стекло. Прозрачность, светостойкость, механическая прочность. Растворим в ацетоне и дихлорэтане. |
|
10. |
Н – С = О Н формальдегид |
(– СН2– О – )n
полиформальдегид |
Прочность, устойчивость к удару. Не растворяется в обычных растворителях. |