Текст лекций «Химия и технология полимеров» Лекция Что такое полимеры (Слайд 1)
Скачать 0.69 Mb.
|
1. Введение На двух предыдущих лекциях мы рассмотрели получение полимеров исходя из низкомолекулярных соединений (мономеров) с использованием цепных реакций. Данная лекция посвящена синтезу полимеров из низкомолекулярных соединений с использованием т.н. ступенчатых процессов (Слайд 2,3). Это очень важная группа методов получения полимеров, на долю которых приходится не менее 30-35% промышленных процессов. Особенностью таких реакций является то, что в отличие от цепных процессов на всех стадиях ступенчатых процессов все основные компоненты системы – исходные мономеры, промежуточные низкомолекулярные продукты и конечные образующиеся полимеры содержат функциональные группы, которые в определенных условиях могли бы вступать в дальнейшее взаимодействие. Конечно, это за исключением случаев побочных процессов, сопровождающихся разрушением реагирующих групп (Слайд 4). Сразу же следует отметить, что не должно создаться впечатления, что цепные процессы это быстрые реакции, а ступенчатые – медленные. Так, для некоторых ступенчатых процессов характерны очень высокие скорости даже при низких (комнатных) температурах, на что я обращу ваше внимание по ходу лекции. 2. Виды ступенчатых процессов (Поликонденсация и полиприсоединение) Различают два типа ступенчатых процессов – первый, когда в ходе элементарных стадий процесса выделяется побочный продукт – поликонденсация и полиприсоединение, протекающее без выделения побочных продуктов (Слайд 5). В ступенчатых процессах реагирующие группы могут принадлежать одному веществу (мономеру) – гомополиконденсация или гомополиприсоединения. Или разным веществам – двум и более мономерам – гетерополиконденсация или гетерополиприсоединение. Примерами таких процессов являются получение полиамидов из аминокислот и из диаминов и дикарбоновых кислот (Слайд 6). Типичными парами функциональных групп, характерными для поликонденсационных процессов являются (Слайд 7): - карбоксильная и гидроксильная группа, выделяющие при взаимодействии воду, - сложная эфирная и гидроксильная группа, выделяющие при реакции спирт, - карбоксильная и аминная группы, также выделяющие при реакции воду, - хлорангидридная и аминная группы, при взаимодействии которых образуется хлористый водород, -метилольные группы, образующие при взаимодействии простую эфирную связь и выделяющуюся воду. В первых случаях продуктом реакции являются сложные полиэфиры, во втором – полиамиды. В последнем случае подобная реакция протекает при получении фено-формальдегидных полимеров. Эта реакция будет показана ниже. Наиболее типичными функциональными группами, реагирующими в случае полиприсоединения являются (Слайд 8): - изоцианатная и гидроксильная. В этом случае образуются полиуретаны, - изоцианатная и аминная, реагирующие с образованием полимочевин, - меркапто- и винильная, взаимодействующие с образованием полисульфидов, - аминная и ангидридная, взаимодействие которых используется для получения полиамидокислот, являющихся промежуточными продуктами далее превращаемых в важные полимеры полиимиды. На особенностях этого процесса я остановлюсь далее. 3. Общие закономерности Особенности протекания ступенчатых реакций полимерообразования Ступенчатые реакции полимерообразования применяются для синтеза значительного числа полимеров. Эти процессы имеют свои особенности. Например, если в случае цепных процессов температура проведения реакции зависит от температуры образования в системе начальных активных центров, в первую очередь от температуры разложения инициаторов радикальной полимеризации, то температура, при которой проводятся ступенчатые процессы, зависит от типа реагирующих групп. Так, образование полиамидов при взаимодействии дикарбоновых кислот и диаминов проводят при 220-260оС в течение 6-8 часов, причем для более глубокого протекания реакции выделяющуюся при этом воду удаляют проведением завершающих стадий реакции в вакууме (Слайд 9). Получение полиэфиров взаимодействием дикарбоновых кислот и гликолей, представляющая собой типичный процесс полиэтерификации, также протекает при высоких температурах, в вакууме, в течение нескольких часов в присутствии катализатора этерификации. С другой стороны получение полиамидов в том числе такого же строения из дихлорангидридов карбоновых кислот и диаминов проводится при температурах 0 +10, причем реакция заканчивается за несколько минут. Существенной особенностью ступенчатых гетеропроцессов является необходимость соблюдения эквивалентности реагирующих групп для получения полимеров высокой молекулярной массы. Это особенно важно для синтеза полимеров, которые, изделия из которых должны обладать высокими прочностными характеристиками, например, волокна, пленки и т.д. Такими полимерами в первую очередь являются полиамиды и арилалифатические полиэфиры, самым известным из которых является полиэтилентерефталат, являющийся основой волокна лавсан и литьевых изделий, например, пластиковых бутылок для жидкостей (Слайд 10). Типичным примером таких процессов является получение полиамида полигексаметиленадипамида, из которого получают известное волокно найлон 66. Как было показано, высокая молекулярная масса при получении этого полимера из гексаметилендиамина и адипиновой кислоты получается только при строго эквивалентном соотношении в системе аминных и карбоксильных групп (Слайд 11). Соблюдение этих условий облегчило то, что эти мономеры способны образовывать соль состава 1:1, которая может быть выделена и очищена перекристаллизацией. Конечно, в ряде случаев исходя из строения исходных веществ или по технологическим задачам соотношение реагирующих групп в ходе процессов получения полимеров может быть не эквивалентное (Слайд 12). Примерами таких систем являются эпоксидные и глифталевые полимеры, называемые смолами из-за своего внешнего вида и консистенции. Эпоксидные смолы получают в присутствии избытка одного из мономеров, которым является эпихлоргидрин. Поэтому в продуктах реакции с обоих концов коротких олигомерных цепей находятся эпоксидные группы, которые могут вступать в дальнейшие реакции, например, при отверждении композитов и клеев на их основе. С другой стороны дешевые глифталевые смолы, получаемые из глицерина, имеющего три гидроксильных группы и фталевого ангидрида, являющего производным дикарбоновой кислоты, способны отверждаться с образованием пространственной структуры широко используют для получения лаковых покрытий. Ступенчатые процессы получают различными способами – в расплаве, растворе, на границе раздела фаз (Слайд 13). Эти процессы будут рассмотрены на следующей лекции. В редких случаях реакцию проводят в твердой фазе. Примерами твердофазной поликонденсации являются поликонденсация аминокислот в кристаллическом состоянии, получение некоторых термостойких полимеров непосредственной полимеризацией кристаллических мономеров под давлением. 4. Завершение процессов В большинстве случаев молекулярные массы полимеров, получаемых ступенчатыми процессами (конечно, в случае их линейности) ниже, чем полимеров, получаемых цепными процессами. Тем не менее, поскольку они в большинстве случаев содержат в цепи различные функциональные группы, обеспечивающие сильное межмолекулярное взаимодействие, их физические свойства и механические свойства получаемых изделий обеспечивают высокую эффективность применения таких полимеров. Ограничение молекулярной массы полимеров, получаемых ступенчатыми процессами определяется рядом причин, которые можно отнести к химическим и физическим факторам Примерами таких процессов являются альтернативные росту цепи процесс циклизации К таким реакциям можно отнести, например, гидролиз хлорангидридных групп при межфазной поликонденсации, декарбоксилирование карбоксильных групп при высоких температурах процесса, циклизация с участием концевых групп, особенно в случае короткого звена, а также процессы межцепного обмена, которые могут быть использованы для получения полимеров смешанного строения, но могут протекать и с прерыванием роста цепи, например, по этому механизму (Слайд 14). К физическим факторам могут быть отнесены снижение температуры реакции, когда процесс останавливается по чисто кинетическим причинам, или снижение вакуума, которое приводит к увеличению концентрации в системе выделяемого продукта и сдвигу равновесия в сторону мономеров. 5. Примеры использования ступенчатых процессов Рассмотрим примеры применения ступенчатых процессов для получения известных полимеров, нашедших широкое применение. О некоторых из них мы уже говорили. Некоторые будут рассмотрены впервые. На слайде (Слайд 15) показан поликонденсационный процесс получения известного волокнообразующего полимера полигексаметиленадипамида. Еги синтез типичесн для поликонденсационных процессов. Именно на нем был продемонстрирован технологический прием соблюдения эквивалентных соотношений реагирующих групп за счет комплексования мономеров. На слайде (Слайд 16) показан поликонденсационный процесс получения другого полиамида – поли-п-фенилентерефталамида. Это один из немногих межфазных процессов получения многотоннажных полимеров, позволяющих получить высокомолекулярный полимер, пригодный для получения термостойких высокопрочных волокон. Поскольку этот полимер не растворяется в обычных органических растворителях, волокно из него получают прядением из раствора в концентрированной серной кислоте. На слайде (Слайд 17) показан поликонденсационный процесс синтеза важного полимера – полиэтилентерефталата, хорошо известного как материала, из которого получают распространенное волокно Лавсан и методом литья под давлением получают известные пластиковые бутылки для различных напитков. Также поликонденсацией на границе раздела фаз получают группу эфиров угольной кислоты – поликарбонатов, когда в качестве хлорангидрида используют фосген (Слайд 18). На слайде показан наиболее распространенный поликарбонат на основе дифенилолпропана, изделия из которого обладают выдающимися механическими характеристиками, в частности, прочностью к ударному воздействию. На слайде показана рассмотренная ранее реакция получения эпоксидсодержащих полимеров – эпоксидных смол, которые каждый из нас знает как основу известного клея. Вязкие свойства полимеру придает его олигомерное строение со слабым межмолекулярным взаимодействием (Слайд 19). Эпоксидные смолы, которые чаще всего также получают на основе дифенилолпропана, как доступного достаточно безврелдного бисфенола используют также для создания композитных материалов, наливных полов и т.д. На слайде получение одного из первых синтетических полимеров – продукта конденсации фенола и формальдегида (Слайд 20). В дореволюционной России под названием «карболит» его начали выпускать на заводе в Орехове-Зуеве, получившем в советское время такое же название. Такие системы имеют три стадии завершения процесса. На первой стадии получают низкомолекулярные хорошо растворимые в водно-щелочной среде продукты, пригодные для пропитки различных наполнителей, названные резолами. В определенных условиях (например, при прессовании) композиции на основе резолов структурируются и переходят в стадию неполностью сшитых резитолов, содержащих между ароматическими ядрами простые эфирные группы и затем максимально сшитых в данных условиях резитов. Именно на основе резитных композиций десятки лет изготавливали многочисленные изделия электротехнического назначения, а также, другие изделия, например, клеи группы БФ, листовой материал текстолит и джр. Поликонденсационные процессы применяются при получении известной группы элементоорганических полимеров – полисилоксанов, используемых для создания маслостойких каучуков и теплостойких жидких теплоносителей (Слайд 21). На слайде показаны типичные реакции полиприсоединения используемые в промышленности для получения полиуретанов, полимочевин, полисульфидов (Слайд 22). Все реакции в этих системах сопровождаются миграцией атома водорода годроксильной, аминной или меркаптогруппы к атому азота изоцианатной группы или атому углерода винильной группы (Слайд 23). На слайде показана реакция получения полиуретанов (Слайд 24) как материалов, обладающих чрезвычайно высокой стойкостью к истиранию, что определяет их использование для создания специальных изделий и популярность спортивной обуви на полиуретановой подошве. На следующем слайде продемонстрирована реакция диизоцианатов с диаминами, приводящая к получению полимочевин (Слайд 25). Следует отметить высокую скорость этой реакции, протекающих практически мгновенно при комнатной температуре Следует отметить, что реакции с участием изоцианатных групп в сложных системах, содержащих одновременно гидроксильные, карбоксильные и аминные группы используют для получения известных пористых продуктов – поролонов, а также находящих применение в медицине, как материалы «сегментированные полиуретаны», обладающие высокой гемосовместмостью. Наконец, на слайде (Слайд 26) показана реакция получения полиамидокислот, образующихся при взаимодействии диаминов и диангидридов тетракарбоновых кислот, в первую очередь – пиромеллитовой. Эти соединения являются промежуточными при синтезе полиимидов, обладающих высокой термостойкостью. Лекция 6. Реакции полимеров (Слайд 1) 1. Введение Возможность проведения различных реакций с участием полимеров позволяет решить как минимум две задачи:
С последней точки зрения именно проведение различных химических процессов, в которых полимеры выступают в качестве реагентов дало возможность ввести в полимерную цепь новые группы, позволяющими отнести продукты этих реакций к полимерам нового типа, что отражено на слайде (Слайд 2). Конечно, эти реакции могут быть проведены как с участием синтетических полимеров, так и природных. В последнем случае получаемые высокомолекулярные соединения принято называть «искусственными полимерами». 2. Типы реакций макромолекул С точки зрения позиции макромолекулы, по которым протекает ее химические превращение можно выделить несколько возможностей (Слайд 3): Первая группа таких процессов относится к реакциям, приводящим к распаду основной цепи – ее деструкции. С практической точки зрения эти процессы могут быть как полезными, когда речь идет, например, о биодеструкции полимерных отходов в окружающей среде, так и вредными, когда такой распад приводит к падению свойств материала, например при действии высокой температуры, агрессивной среды или радиационного облучения. С целью содействия или наоборот, противодействия такому распаду целые важные направление связаны с созданием биодеградируемых или термо-, химически и радиационностойких полимеров. Вторая группа реакций полимеров связана с удлинением их цепей за счет вступления в процесс концевых групп или созданием сшитых полимерных продуктов за счет реакции их боковых групп. Некоторые из таких проодуктов были уже рассмотрены на предыдущих лекциях. Наиболее известные из них – резины, получаемые сшиванием линейных каучуков, термостойкие полимеры, такие известные системы как вспененные сшитые сополиуретаны, известные как пенопласты, отвержденные эпоксидные клеи и многие другие. Третья группа реакций относится к процессам, протекающим при синтезе полимеров в расплаве, т.е. при достаточно высоких температурах, или при механо-химических процессах, т.е при высоких механических нагрузках, и приводящая к перераспределению фрагментов цепи различных макромолекул. Некоторые из таких реакций – переамидирование и переэтерификация, были рассмотрены на прошлой лекции как побочные процессы при реакции поликонденсации. Наконец, четвертая группа реакций полимеров объединяет процессы, протекающие с сохранением длины основной цепи и включает в себя реакции, протекающие с участием групп основной цепи, замену концевых групп макромолекулы и реакции ее боковых групп. Последние процессы принято называть «полимераналогичными превращениями». |
Похожие:
 | Урок по теме, базируется на пройденном материале. Тип урока: комбинированный.... На прошлом уроке мы изучили, что такое алгоритм, исполнитель, ски, его свойства. Теперь напомните мне, что такое алгоритм… | | Лекция I и проблема языка и сознания лекция II 31 слово и его семантическое... Монография представляет собой изложение курса лекций, про* читанных автором на факультете психологии Московского государственного... |
| Вопросы к экзамену канд минимума 2004 г Что такое философия, ее специфика? Соотношение философии, науки, искусства (по работе Ж. Делеза, Ф. Гваттари «Что такое философия?»).... |  | Синтез новых мономеров, полимеров и композитов на основе гуанидина... Дисциплина «Химия и физика полимеров» является одной из основных теоретических химических дисциплин для подготовки химиков-технологов,... |
| Урок-лекция Как, используя интерференцию света, разложить световое излучение в спектр? Что такое поляризация волны? Какие приборы делают световую... | | Урок химия- биология 9 класс «Белки органические полимеры» Цель урока: создание условий для приобретения знаний об органических полимерах- белках |
| Что такое свобода? Лекция 3 Физическая работоспособность и функциональная готовность организма спортсмена 2 часа | | Технологи я технология является одним из компонентов, определяющих... «система семейного досуга как средство гуманизации детско- родительских отношений» |
| 1. Лекция: Что такое asp. Net Обж и музыки, оснащены ноутбуками, мультимедийными проектороми и экранами на треноге | | Материалы, получаемые синтезом органических веществ, называются синтетическими.... Такие полимеры называют совмещенными полимерами или сополимерами, Свойства сополимеров бывают средними показателями свойств отдельных... |
| Выпускная работа по теме «Текст что это такое?» Демонстрационный материал: (урок проводится с использованием интерактивной доски) | | М. Ю. Лермонтова Цель урока: познакомить учащихся с фактами биографии... Учебник: Химия. Неорганическая химия. Органическая химия. 9 класс.: учеб для общеобразоват учреждений |
| Тема урока Основные понятия Что такое духовный мир человека. Что такое культурные традиции и для чего они существуют | | Аналитическая химия учебно-методический комплекс «Химия», профили подготовки: «Неорганическая химия и химия координационных соединений», «Физическая химия», «Химия окружающей среды,... |
| Рабочая программа по дисциплине ен ф04 «Химия» 151001. 65 «Технология машиностроения» Химия относится к фундаментальным наукам, формирующим инженерное мышление. Химия является одной из базовых естественно научных дисциплин... | | Календарно-тематическое планирование модуля «Светская этика» Что такое духовный мир человека. Что такое культурные традиции и для чего они существуют |
