Полимерные материалы

1.

Полимерные материалы

2.

Полимеры широко распространены в природе и находят широкое применение
в технике и быту. С природными высокомолекулярными соединениями —
белками, полисахаридами, нуклеиновыми кислотами — вы уже
познакомились ранее. Здесь мы рассмотрим преимущественно синтетические полимеры. Материалы на их основе разделяют на пластмассы (пластики),
эластомеры (например, каучуки) и волокна.
Полимеры- это соединения, молекулы которых (макромолекулы) состоят
из повторяющихся фрагментов (структурных звеньев).
Число структурных звеньев, входящих в состав макромолекулы, называют
степенью полимеризации.

3.

Особенности строения полимеров
В зависимости от строения макромолекул различают линейные (полиэтилен),
разветвлённые (амилопектин) и сетчатые (резина) полимеры.
Линейные (а), разветвлённые (б) и сетчатые (в) полимеры
Физические свойства полимеров
В отличие от большинства низкомолекулярных соединений, полимеры не имеют
определённой температуры плавления (при нагревании они постепенно
размягчаются), так как содержат макромолекулы различной массы. В состав одного
и того же образца полимера входят макромолекулы различной длины, поэтому
молекулярная масса полимера представляет собой среднюю массу всех
макромолекул. Многие полимеры обладают низкой растворимостью, а сетчатые
полимеры вообще нерастворимы, а лишь набухают и поглощают растворитель.

4.

Получение полимеров
Полимеры получают из низкомолекулярных веществ, которые называют
мономерами. Например, из этилена образуется полиэтилен, из стирола —
полистирол. Полимеры, образованные из одного мономера (бутадиеновый каучук —
из бута диена, полистирол — из стирола), называют гомополимерами, а из двух и
более мономеров (бутадиен-стирольный каучук — из бутадиена и стирола) —
сополимерами.
Существует два способа образования макромолекул —полимеризация и
поликонденсация. Полимеризацией называют реакцию соединения молекул
одного или нескольких мономеров в макромолекулы. Например, при
полимеризации этилена образуется полиэтилен.
Схема полимеризации в общем виде

5.

Реакции образования полимеров из мономеров, протекающие с выделением
побочных низкомолекулярных продуктов (воды, аммиака, хлороводорода),
называют поликонденсацией.
В основе реакции поликонденсации большинства синтетических полимеров
лежат реакции образования амидов или сложных эфиров. Для синтеза
полиамидов используют аминокислоты, молекулы которых содержат две
функциональные группы — аминогруппу и карбоксильную. Так, из 6-аминокапроновой кислоты получают полимер, называемый капроном.
Методом поликонденсации получают различные смолы.

6.

7.

Пластмассы
Пластмассы (пластики) — полимерные материалы, способные при переработке в
изделия приобретать заданную форму и сохранять её при эксплуатации. Помимо
полимера в состав пластмасс вводятся наполнители, улучшающие их механические
свойства (прочность), стабилизаторы, препятствующие их медленному окислению,
пластификаторы, уменьшающие их хрупкость, красители. Наиболее часто используют
твёрдые наполнители в виде порошков мела или графита. Для увеличения жёсткости
пластики армируют — вводят в них волокна, ткани или плёнки. Такие материалы,
состоящие из нескольких компонентов, каждый из которых сохраняет собственную
индивидуальность и свойства, называют композиционными или композитами.
Углепластики и изделия из них

8.

Пенопласты: а — пенополистирол; б — пенополиуретан

9.

Примерами наиболее распространённых пластмасс служат полиэтилен,
полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат
(органическое стекло), полиэтилентерефталат. Заметим, что внешне материалы,
выполненные из этих полимеров, могут выглядеть очень похоже и для их
распознавания требуются специальные знания.
Название полимера часто помещают на изделии в специальном знаке, используя
латинскую аббревиатуру .
Знаки, наносимые на упаковочные
материалы:
а — полиэтилентерефталат;
б — полиэтилен низкой плотности;
в — полипропилен;
г — полистирол;
д — полиметилметакрилат;
е — бумага

10.

а)
б)
Полиэтилентерефталат: фрагмент
полимерной цепи (а); заготовка и изделие
из пластика (б)
Полиметилметакрилат
плохо проводит тепло

11.

Вышеописанные полимеры не разрушаются при плавлении, выдерживают
многократное нагревание и охлаждение. Такое свойство пластмасс называют
термопластичностью. Термопластичные пластики можно получать отливкой и
формовкой, они могут быть использованы вторично для производства дру
гих изделий.
Термореактивные полимеры, в отличие от
термопластичных, при нагревании
разлагаются. При этом происходит
необратимое изменение их структуры, а в
некоторых случаях и разрушение. К числу
термопластов относят смолы, получаемые
конденсацией.
В начале XX в. был разработан синтез
фенолоформальдегидной смолы (бакелита) из фенола и формальдегида. Бакелит
— твёрдый, трудногорючий, жёсткий и
прочныйматериал с прекрасными
изоляционными свойствами. Ранее
в смеси с наполнителем он широко
использовался для создания корпусов
телефонных аппаратов, деталей машин,
розеток, выключателей
Корпус телефонного аппарата,
выполненный из бакелита

12.

Пластмассы (пластики) — полимерные материалы, способные при
переработке в изделия приобретать заданную форму и сохранять её при
эксплуатации.
Состав пластмасс:
• полимеры;
• наполнители, улучшающие механические свойства (прочность);
• стабилизаторы, препятствующие медленному окислению;
• пластификаторы, уменьшающие хрупкость;
• красители.

13.

Волокна
Волокна — это тонкие непряденые нити, используемые для изготовления тканей.
Ткань состоит из переплетённых нитей, расположенных продольными и поперечными рядами. Более рыхлое вязаное полотно, образованное одной системой
нитей, закрученных в петли, называют трикотажем. Нанесением на ткань
полимерного покрытия, сделанного из полиуретана или полипропилена,
получают материал, называемый искусственной кожей.
Нить под микроскопом (а); ткань (б); трикотаж (в)

14.

Схема производства ацетатного волокна:
пропускание раствора через фильеры; схема установки;
волокна на срезе под микроскопом

15.

Различают природные и химические волокна. К природным волокнам относят
хлопок и лён. Оба эти волокна представляют собой целлюлозу. Другим примером
природного волокна служит шёлк — белок, производимый гусеницей тутового
шелкопряда. Шёлковую нить (как и шерсть) легко отличить от хлопчатобумажного
волокна по неприятному запаху палёной кожи, появляющемуся при её поджигании.
Химические волокна получают продавливанием раствора или расплава полимера
через фильеры, имеющие вид колпачков с многочисленными узкими отверстиями.
Волокна, получаемые при химической переработке природных полимеров,
называют искусственными, а производимые из синтетических полимеров —
синтетическими.

16.

Примерами искусственных волокон служат вискоза и ацетатное волокно
(искусственный шёлк), получаемые из целлюлозы. Для получения вискозы
целлюлозу, обычно выделяемую из древесины, растворяют в щелочном растворе
серо углерода, а затем выделяют её при подкислении из концентрированного (от
лат. viscous — вязкий) раствора. В образовавшейся вискозе, которая по составу и
свойствам аналогична исходному природному полимеру, молекулы целлюлозы
укладываются друг относительно друга более плотно, чем в природном волокне.
Нити и ткани из вискозного волокна по блеску напоминают шёлковые, поэтому их
иногда называют искусственным шёлком. Это же название в быту часто относят и к
ацетатному волокну, представляющему собой полимер сложных эфиров целлюлозы
и уксусной кислоты. Тонкие нити ацетатного волокна получают в результате
испарения тонких струек раствора ацетата целлюлозы в ацетоне. Такой способ
формования называют «сухим», в отличие от «мокрого», применяемого в
производстве вискозы.

17.

Среди синтетических волокон наибольшее распространение получили материалы
на основе полиамидов и полиэфиров. Полиамидное волокно капрон (найлон-6)
можно получить конденсацией 6-аминокапроновой кислоты, а найлон-6,6 —
взаимодействием адипиновой кислоты с гексаметилендиамином.

18.

Кевлар:
а — структура волокна;
б — ткань из него;
в — пуленепробиваемый
шлем из пластика на
основе кевлара

19.

Каучуки
Традиционными эластомерами являются каучуки — продукты полимеризации
диеновых углеводородов. Так называют углеводороды, содержащие две двойные
связи. Молекулы диеновых углеводородов с двумя двойными связями,
разделёнными одинарной, при полимеризации образуют вещества,
в которых двойная связь переходит на место одинарной.
Образующийся полимер, в отличие от продуктов полимеризации алкенов, попрежнему содержит двойные связи, т. е. является непредельным.
Природный каучук (от инд. кау — дерево и учу — плакать, течь), содержащийся в
млечном соке некоторых тропических растений, например гевеи и фикуса,
представляет собой полимер углеводорода изопрена (2-метилбутадиена-1,3). Сам
мономер — это бесцветная легколетучая жидкость, малорастворимая
в воде, хорошо — в органических растворителях. Коллоидный раствор натурального каучука называется латексом.

20.

Латекс —коллоидный раствор
натурального каучука
Структурная формула
натурального каучука
Каучук представляет собой эластичный
материал жёлто-коричневого цвета,
растворимый в углеводородах (бензин,
бензол, толуол) и их хлорпроизводных
(хлороформ). В макромолекулах
природного каучука все метильные группы
расположены строго по одну сторону от
двойных связей, что придаёт веществу
особые свойства. В обычном состоянии все
макромолекулы закручены в клубки, а при
растяжении раскручиваются.
При снятии нагрузки они возвращаются в
прежнее состояние, что и обеспечивает
материалу эластичность.
При температурах 15—40 0С каучук
размягчается, поэтому в чистом виде он
используется лишь в производстве резинового клея. При хранении на воздухе
каучук стареет — постепенно теряет
эластичность вследствие окисления по кратным связям.

21.

Большую часть производимых каучуков вулканизируют — нагревают с серой
без доступа воздуха. При этом отдельные макромолекулы каучука сшиваются
по местам двойных связей мостиками из атомов серы. Образуется резина —
упругий и эластичный материал, имеющий пространственное строение. По
сравнению с каучуком она более износостойка и устойчива к изменениям
температуры. Чем больше добавлено серы, тем выше степень вулканизации и
тем твёрже образующийся материал.
Вулканизация каучука