Особенности

Особые механические свойства:

• эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Классификация

По химическому составу все полимеры подразделяются на органические , элементоорганические , неорганические .

• Органические полимеры.
• Элементоорганические полимеры. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами. В природе их нет. Искусственно полученный представитель - кремнийорганические соединения.

Следует отметить, что в технических материалах часто используют сочетания разных групп полимеров. Это композиционные материалы (например, стеклопластики).

По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай - звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.

Полимеры подразделяют по полярности (влияющей на растворимость в различных жидкостях). Полярность звеньев полимера определяется наличием в их составе диполей - молекул с разобщенным распределением положительных и отрицательных зарядов. В неполярных звеньях дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются. Полимеры, звенья которых обладают значительной полярностью, называют гидрофильными или полярными . Полимеры с неполярными звеньями - неполярными , гидрофобными . Полимеры, содержащие как полярные, так и неполярные звенья, называются амфифильными . Гомополимеры, каждое звено которых содержит как полярные, так и неполярные крупные группы, предложено называть амфифильными гомополимерами .

По отношению к нагреву полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные . Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, даже плавятся, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизация) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.

Природные органические полимеры образуются в растительных и животных организмах. Важнейшими из них являются полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, из которых в значительной степени состоят тела растений и животных и которые обеспечивают само функционирование жизни на Земле. Считается, что решающим этапом в возникновении жизни на Земле явилось образование из простых органических молекул более сложных - высокомолекулярных (см. Химическая эволюция).

Типы

Синтетические полимеры. Искусственные полимерные материалы

Человек давно использует природные полимерные материалы в своей жизни. Это кожа, меха, шерсть, шёлк, хлопок и т. п., используемые для изготовления одежды, различные связующие (цемент, известь, глина), образующие при соответствующей обработке трёхмерные полимерные тела, широко используемые как строительные материалы. Однако промышленное производство цепных полимеров началось в начале XX в., хотя предпосылки для этого появились ранее.

Практически сразу же промышленное производство полимеров развивалось в двух направлениях - путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров из органических низкомолекулярных соединений.

В первом случае крупнотоннажное производство базируется на целлюлозе. Первый полимерный материал из физически модифицированной целлюлозы - целлулоид - был получен ещё в начале XX в. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители. Необходимо отметить, что развитие кино и фотографии оказалось возможным лишь благодаря появлению прозрачной плёнки из нитроцеллюлозы.

Производство синтетических полимеров началось в 1906 г., когда Л. Бакеланд запатентовал так называемую бакелитовую смолу - продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трёхмерный полимер. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.

Благодаря усилиям Генри Форда, перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем также и синтетического каучука. Производство последнего было освоено накануне Второй мировой войны в Советском Союзе, Англии, Германии и США. В эти же годы было освоено промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата - без органического стекла под названием «плексиглас» было бы невозможно массовое самолётостроение в годы войны.

После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х гг. XX в. было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон - искусственная шерсть из полиакрилонитрила, - замыкают список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности. В первом случае эти волокна очень часто сочетаются с натуральными волокнами из целлюлозы или из белка (хлопок, шерсть, шёлк). Эпохальным событием в мире полимеров явилось открытие в середине 50-х годов XX столетия и быстрое промышленное освоение катализаторов Циглера-Натта, что привело к появлению полимерных материалов на основе полиолефинов и, прежде всего, полипропилена и полиэтиленанизкого давления (до этого было освоено производство полиэтилена при давлении порядка 1000 атм.), а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны - наиболее распространенные герметики, адгезивные и пористые мягкие материалы (поролон), а также полисилоксаны - элементорганические полимеры, обладающие более высокими по сравнению с органическими полимерами термостойкостью и эластичностью.

Список замыкают так называемые уникальные полимеры, синтезированные в 60-70 гг. XX в. К ним относятся ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиры, полиэфир-кетоны и др.; непременным атрибутом этих полимеров является наличие у них ароматических циклов и (или) ароматических конденсированных структур. Для них характерно сочетание выдающихся значений прочности и термостойкости.

Огнеупорные полимеры

Многие полимеры, такие как полиуретаны, полиэфирные и эпоксидные смолы, склонны к воспламенению, что зачастую недопустимо при практическом применении. Для предотвращения этого применяются различные добавки или используются галогенированные полимеры. Галогенированные ненасыщенные полимеры синтезируют путем включения в конденсацию хлорированных или бромированных мономеров, например, гексахлорэндометилентетрагидрофталевой кислоты (ГХЭМТФК), дибромнеопентилгликоля или тетрабромфталевой кислоты. Главным недостатком таких полимеров является то, что при горении они способны выделять газы, вызывающие коррозию, что может губительно сказаться на располагающейся рядом электронике. Учитывая высокие требования экологической безопасности, особое внимание уделяется галоген-несодержащим компонентам: соединениям фосфора и гидроксидам металлов.

Действие гидроксида алюминия основано на том, что под высокотемпературным воздействием выделяется вода, препятствующая горению. Для достижения эффекта требуется добавлять большие количества гидроксида алюминия: по массе 4 части к одной части ненасыщенных полиэфирных смол.

Пирофосфат аммония действует по другому принципу: он вызывает обугливание, что вместе со стеклообразным слоем пирофосфатов даёт изоляцию пластика от кислорода, ингибируя распространение огня.

Новым перспективным наполнителем являются слоистые алюмосиликаты, производство которых

Применение

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна,пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Наука о полимерах

Наука о полимерах стала развиваться как самостоятельная область знания к началу Второй мировой войны и сформировалась как единое целое в 50-х гг. XX столетия, когда была осознана роль полимеров в развитии технического прогресса и жизнедеятельности биологических объектов. Она тесно связана с физикой, физической, коллоидной и органическойхимией и может рассматриваться как одна из базовых основ современной молекулярной биологии, объектами изучения которой являются биополимеры.

Похожая информация.

К высокомолекулярным соединениям (ВМС) относятся вещества, состоящие из больших молекул. Принято считать высокомолекулярными соединения с молекулярной массой более 5000, но нередко она может достигать нескольких миллионов (особенно и у природных ВМС). Резкой границы между высокомолекулярными и низкомолекулярными соединениями нет. Так, некоторые таннины с молекулярной массой около 1000 ведут себя, как типичные низкомолекулярные соединения, а парафины с такой же молекулярной массой обладают всеми свойствами высокомолекулярных соединений. Переход от низкомолекулярных соединений к высокомолекулярным связан не с самим изменением молекулярной массы, а с обусловленным им качественным изменением свойств (переход количества в качество).

Размеры молекул ВМС по сравнению с размерами обычных молекул очень велики. Так, длинна молекул целлюлозы достигает 25*-50* (25 000-50 000 Е) при размере в поперечнике 3,5*-7* см (3,5-7 Е).

ВМС иногда называют высокополимерами (или просто полимерами). Но, строго говоря, второе понятие является более узким. Все полимеры являются ВМС, но не все ВМС могут быть полимерами. В молекуле полимера должны быть химически связаны и закономерно повторяться остатки исходного вещества - мономера. Большая молекула полимера называется макромолекулой, или полимерной цепью, а сами остатки - элементарными (мономерными, повторяющимися) звеньями, или просто звеньями. В отличии от молекулы низкомолекулярного соединения макромолекула не является наименьшей частицей - носителем химических свойств вещества, так как при разрыве макромолекулы на более короткие цепи эти свойства сохраняются.

Число звеньев в цепи называется степенью полимеризации (обозначается n, P или СП).

При написании эмпирических формул полимеров вследствие их большой молекулярной массы (М) концевые звенья не принимают во внимание, например эмпирическая формула целлюлозы (, каучука (.

Каждый полимер всегда состоит из макромолекул различной длины. Поэтому в химии высокомолекулярных веществ введено понятие о полимергомологах, под которыми понимают соединения одинакового химического строения, отличающиеся по молекулярным массам. Любое полимерное соединение представляет собой смесь полимергомологов - соединений с различным числом звеньев в макромолекуле, т. е. с различной длиной цепи. Полимергомологи образуют полимергомологический ряд, т. е. ряд соединений, в котором каждый последующий член отличается от предыдущего на группу атомов - элементарное звено.

Поэтому полимеры всегда характеризуют средней молекулярной массой. Средняя молекулярная масса - это произведение среднего числа звеньев (средний СП) на молекулярную массы звена. Неоднородность ВМС по молекулярной массе называется молекулярной неоднородностью, полидисперсностью или полимолекулярностью. Ей определяют методом фракционирования ВМС по молекулярной массе. Следует подчеркнуть, что многие физико-механические свойства ВМС - способность к набуханию и растворению, свойства растворов - в значительной мере зависят не только от средней молекулярной массы ВМС, но и от их полидисперсности.

Свойства ВМС определяются химическим составом, строением молекул, средней молекулярной массой и молекулярной неоднородностью, формой макромолекул, их взаимным расположением (физической структурой) и т.д. В зависимости от этих факторов свойства ВСМ могут меняться в широких пределах, однако некоторые общие свойства характерны для всех ВМС. Все ВМС вследствие большой молекулярной массы нелетучи и не способны перегоняться. Большинство ВСМ не имеют определённой точки правления и при нагревании размягчаются постепенно, а некоторые ВМС не могут размягчаться и при нагревании сразу разлагаются. Поэтому такие методы выделения и очистки химических соединений, как перегонка и перекристаллизация, неприменимы к полимерам. ВМС часто оказываются весьма чувствительными к воздействию внешних факторов и легко распадаются под действием деструктирующих агентов.

Отличие полимеров от низкомолекулярных соединений особенно резко проявляется в механических свойствах. Механические свойства полимеров являются сочетанием свойств твёрдых тел и жидкостей. Полимеры обладают высокой прочностью и способностью к значительным обратимым деформациям.

Одним из важных свойств ВМС является их растворимость. Но в отличие от низкомолекулярных соединений они растворяются значительно медленнее. Растворению ВМС обязательно предшествует набухание. Некоторые полимеры вообще не растворяются ни в каких растворителях.

особые свойства проявляют полимеры в растворах (высокая вязкость, некоторые термодинамические аномалии).

Характерные особенности имеют и реакции химических превращений высокомолекулярных соединений. Эти соединений значительно медленнее реагируют с различными реагентами, причем большинство реакций, как правило, протекает не до конца. В ряде случаев наряду с основной реакцией идут побочные, препятствующие основному процессу.

По типу звеньев в цепях полимеры подразделяются на гомополимеры и сополимеры. У гомополимеров макромолекулы состоят из одинаковых элементарных звеньев, у гетерополимеров или сополимеров они состоят из двух или более различных элементарных звеньев.

В зависимости от химического состава и химического строения макромолекул ВМС подразделяются на органические, неорганические, элементоорганические. Органические полимеры подразделяются в свою очередь на два класса: карбоцепные и гетероцепные полимеры. Цепи карбоцепных полимеров построены только из атомов углерода, цепи гетероцепных полимеров построены из атомов углерода и гетероатомов (кислорода, азота, серы). Карбоцепные полимеры далее подразделяются в соответствии с классификацией, принятой в органической химии.

По пространственной структуре все полимеры подразделяются на линейные, разветвленные и пространственные.

Рисунок 1.1 - Схематическое изображение линейных (а), разветвленных (б) и сшитых (в) полимерных молекул

У линейных полимеров макромолекулы представляют собой длинные цепи (а). Длина макромолекул таких полимеров значительно превышает поперечный размер. Линейные полимеры могут плавиться и растворяться в подходящих растворителях. Некоторые природные линейные полимеры имеют волокнистое строение (целлюлоза), другие очень эластичны (каучук).

У разветвленных полимеров (б) макромолекулы представляют собой длинные цепи с ответвлениями. В ответвлении должно содержаться одно или более звеньев мономера. Число и длина ответвлений могут меняться в широких пределах. Разветвленные полимеры обычно плавятся и растворяются. Свойства их, однако, зависят от степени разветвленности. Сильно разветвленные полимеры представляют собой порошкообразные вещества (крахмал).

Пространственными полимерами называют полимеры, построенные из длинных цепей, соединенных в пространстве поперечными химическими связями или короткими цепями с образованием сетки (в). Такие полимеры называют также сетчатыми, сшитыми, трехмерными. Пространственные полимеры не плавятся и не растворяются.

Полимеры по типу чередования звеньев в цепи подразделяются на регулярные и нерегулярные. У регулярных линейных полимеров наблюдается правильное чередование звеньев в цепи, у нерегулярных полимеров порядок в цепи нарушен. У разветвленных полимеров возникает также нерегулярность вследствие различий в числе и длине боковых цепей, а также в месте их присоединения к главной цепи. Многие свойства полимеров имеют большую практическую ценность и обусловливают их широкое практическое применение. По происхождению ВМС подразделяются на три типа:

• 1. Природные, выделенные из природных металлов. (В последнее время природные полимеры, обладающие биологической активностью, - белки, нуклеиновые кислоты, некоторые полисахариды и смешанные полимеры выделяют в отдельную группу биологических полимеров, или биополимеров.)
• 2. Искусственные, полученные химической модификацией природных полимеров.
• 3. Синтетические, синтезируемые из низкомолекулярных соединений. В зависимости от способа получения они подразделяются на полимеризационные и поликонденсационные полимеры.

В отдельную группу принято выделять полиацетали. К ним относятся различные полисахариды (крахмал, целлюлоза и ей производные, гемицеллюлозы и др.) и полиуроновые кислоты.

Например, целлюлоза - полисахарид, макромолекулы которого состоят из звеньев в-D-глюкопиранозы, соединённых глюкозидными звеньями 1-4.

Структурная формула макромолекулы целлюлозы:

n - степень полимеризадии, равная 6000-14000.

Искусственные полимеры - это материалы и вещества, полученные путем глубокого синтеза из одного или нескольких веществ. Чаще всего за основу берется один компонент, к нему добавляются различные добавки и на выходе имеют совершенно новый продукт, обладающий уникальными свойствами. Случается это из-за того, что изменения происходят на молекулярном уровне, создается новая макромолекула.

Искусственные полимеры делятся на биополимеры и Основой того и другого вида является углерод. Это его молекулу видоизменяют, придавая ей новые качества. Биополимеры получают путем модификации, то есть придавая исходному веществу недостающие свойства. В основном это делается для того, чтобы придать материалу пластичность или прочность. Примером может служить получения полимера под названием "целлулоид", который производят из природного сырья - целлюлозы (она сама является далее он идет для создания тканей. Синтетические виды получают двумя технологическими путями. Это методы полимеризации и поликонденсации. Они позволяют получить новые вещества из азота, углекислоты и водорода. Таким путем производят полипропилен - это полимер, который используется практически во всех областях жизнедеятельности человека.

Искусственные полимеры получили широкое распространение в промышленности и в быту. Эти материалы прочны, долговечны, эластичны, сравнительно дешевы по сравнению с натуральными материалами. Слово «натуральное» постепенно становится
определенным символом, который значительно повышает стоимость готового продукта. Многие считают, что натуральные материалы гарантируют качество и экологичность. При этом мало кто задумывается о том, как в действительности получают искусственные полимеры. Примеры таких материалов показывают, что основная их часть производится из природного сырья с использованием синтетических добавок. Натурального сырья для всего человечества не хватает.

Искусственные полимеры под названиями "силикон" и "латекс" активно используют в медицине и косметологии. Из них изготавливаются имплантанты, их применяют в производстве медицинского оборудования, предметов ухода и прочего.

Искусственные полимеры в применяются в автомобильной промышленности, для производства бытовой и электронной техники и многого другого. Многие предметы в наших домах сделаны из пластмассы: отделочные материалы, предметы быта, игрушки. Все эти вещи могут быть как экологически безопасными, так и представлять определенную опасность для жизни. Зависит это от качества материала. Дело в том, что сама основа для создания полимера инертна с точки зрения экологии. А вот технологические добавки: различные антиоксиданты, стабилизаторы, красители и так далее - могут быть вредными для здоровья. Они могут вызывать аллергические реакции или отравление. Поэтому пластмассовую вещь выбирают по запаху. Качественный полимер запаха не имеет.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Природные и синтетические полимеры

Полимеры (греч. рплэ- - много; мЭспт - часть) - неорганические и органические, аморфные и кристаллические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых "мономерными звеньями", соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями. Полимер - это высокомолекулярное соединение: количество мономерных звеньев в полимере (степень полимеризации) должно быть достаточно велико. Во многих случаях количество звеньев может считаться достаточным, чтобы отнести молекулу к полимерам, если при добавлении очередного мономерного звена молекулярные свойства не изменяются. Как правило, полимеры - вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Вальса, они называются термопласты, если с помощью химических связей - реактопласты. К линейным полимерам относится, например, целлюлоза, к разветвленным, например, амилопектин, есть полимеры со сложными пространственными трёхмерными структурами.

В строении полимера можно выделить мономерное звено - повторяющийся структурный фрагмент, включающий несколько атомов. Полимеры состоят из большого числа повторяющихся группировок (звеньев) одинакового строения, например поливинилхлорид (--СН 2--CHCl--)n, каучук натуральный и др. Высокомолекулярные соединения, молекулы которых содержат несколько типов повторяющихся группировок, называют сополимерами или гетерополимерами.

Полимер образуется из мономеров в результате реакций полимеризации или поликонденсации. К полимерам относятся многочисленные природные соединения: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, каучук и другие органические вещества. В большинстве случаев понятие относят к органическим соединениям, однако существует и множество неорганических полимеров. Большое число полимеров получают синтетическим путём на основе простейших соединений элементов природного происхождения путём реакций полимеризации, поликонденсации и химических превращений. Названия полимеров образуются из названия мономера с приставкой поли- : поли этилен, поли пропилен, поли винилацетат и т. п.

Благодаря ценным свойствам полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и медицине, автомобиле- и судостроении, авиастроении, в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы). На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия. Все ткани живых организмов представляют высокомолекулярные соединения.

Полимеры либо встречаются в природе, например целлюлоза, крахмал, каучук, белки, либо изготовляются синтетически, например полихлорвинил, полистирол, полиамиды и многие другие.

Особые механические свойства:

§ эластичность - способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);

§ малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);

§ способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

Особенности растворов полимеров:

§ высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;

§ растворение полимера происходит через стадию набухания.

Особые химические свойства:

§ способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы имеют цепное строение и обладают гибкостью.

Природные полимеры

К природным полимерам, применяемым в полиграфии, относятся: полисахариды (целлюлоза крахмал, камеди), 6елки, глютин, казеин, альбумин), полидиены (каучук).

Как осуществляется образование полимеров в природе, люди точно еще не знают, но хорошо изучили строение и свойства природных полимеров, научились выделять их из природных продуктов в очень чистом виде и даже синтезировать некоторые из них в промышленных масштабах.

Целлюлоза

Целлюлоза, или клетчатка (от латинского слова "целлула" - клетка), широко распространена в природе. Целлюлоза - это прочное волокнистое вещество органического происхождения, из которого состоит опорная ткань всех растений (растительных клеток).

Физические свойства целлюлозы

Целлюлозные волокна отличаются белизной, гибкостью, прочностью, упруго-эластичностью, т.е. способностью обратимо деформироваться без разрушения даже при больших механических напряжениях, нерастворимостью в воде и органических растворителях, неплавкостью.

Целлюлоза выдерживает нагрев до 150° без разрушения; при более высокой температуре наблюдается деполимеризация целлюлозы и связанная с этим потеря прочности, а при 270° и выше начинается термическое разложение с выделением продуктов распада: уксусной кислоты, метилового спирта, кетонов, в остатке - деготь и уголь.

Строение целлюлозного волокна.

Каждое растительное волокно, например хлопковое, льняное, древесное и др. это одна клетка, оболочка которой состоит в основном из целлюлозы. Внутри волокна имеется канал - капилляр, доступный для проникновения воздуха и влаги. Технические волокна целлюлозы имеют длину в среднем 2,5--3 мм (ель, сосна, береза, тополь) и 20--25 мм (лен, хлопок, пенька) при диаметре 25 мкм.

Целлюлозного растительного волокна имеет фибриллярное строение. Фибриллы - это нитевидные, элементарные рол окна - пачки молекул целлюлозы, прочно соединенных между собой водородными связями, длиной 50--мкм и диаметром 0,1--0,4 мкм. Вероятнее всего, что целлюлоза образует упорядоченную систему нитей - фибрилл, расположенных более плотно вокруг внутреннего канала (капилляра) волокна и более свободно в наружных его слоях. В промежутках между фибриллами находятся мицеллюлозы и лигнин, причем содержание их увеличивается от внутренних слоев клеточной стоики к наружным. Межклеточные пространства целлюлозы заполнены преимущественно лигнином.

Главный источник получения целлюлозы - древесина. Древесиной называется внутренняя часть деревьев, лежащая под корой и составляющая основную растительную ткань, из которой образуется ствол дерева.

Живая клетка растущего дерева имеет оболочку (стенки) из целлюлозы, внутреннюю полость, заполненную протоплазмой, и ядро. Живая клетка способна долиться и образовывать из года в год в растущем дереве новые образования древесины в слое камбия, под корой.

Живые клетки с течением времени подвергаются одеревенению, приводящему в конечном счете к их полному омертвлению, или одревеснению. Одревеснение клетки происходит главным образом в результате появления в ней лигнина. Древесина на 90--95% состоит, из таких отмерших клеток - волокон, лишенных протоплазмы и ядра, но способных к делению, с внутренней полостью, заполненной воздухом и водой. полимер кристаллический химический волокно

Химические строение и свойства целлюлозы. Целлюлоза - это природный полимер полисахарид, принадлежащий к классу углеводов. Гигантская молекула (макромолекула) целлюлозы построена из многократно повторяющихся структурных звеньев - остатков в-глюкозы (О 6Н 10О 5)п. Число п, или коэффициент полимеризации, показывает, сколько раз структурное звено--остаток в -глюкозы - повторяется в макромолекуле целлюлозы, а следовательно, характеризует длину молекулярной цепи (длину молекулы) и предопределяет ее молекулярный вес.

Коэффициент полимеризаций у целлюлозы различного происхождения различен. Так, у древесной целлюлозы он равен 3000, у хлопковой - 12 000, у льняной 36 000 (приблизительно). Этим и объясняется большой прочность хлопкового и льняного волокон по сравнении с волокнами древесной целлюлозы.

Щелочная целлюлоза получается действием на целлюлозу раствора едкого натра. При этом атомы водорода спиртовых гидроксилов частично или полностью заменяются атомами натрия. Щелочная целлюлоза, не теряя своего волокнистого строения, отличается повышенной химической активностью, что и используется при получении простых эфиров целлюлозы, например карбоксиметилцеллюлозы.

Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) - это простой эфир целлюлозы и гликолевой кислоты. Промышленный способ изготовления карбоксиметилцеллюлозы основан на взаимодействии щелочной целлюлозы с монохлоруксусной кислотой.

Гемицеллюлозы - это нечто среднее между целлюлозой и крахмалом. Они также являются полисахаридами. Молекулы гемицеллюлоз построены из остатков моносахаридов: маннозы (гексозы) и ксилозы (пентозы). Гемицеллюлозы не имеют волокнистого строения. Они служат резервным питательным веществом для растений и предохраняют их от инфекций. Гемицеллюлозы набухают в воде и сравнительно легко гидролизуются даже очень разбавленными кислотами, растворяются в 18,5%-ной щелочи. Гемицеллюлозы не являются вредными примесями целлюлозы, идущей для изготовления бумаги. Наоборот, древесная целлюлоза с большим содержанием гемицеллюлоз легко поддается размолу, а приготовленная из неё бумага имеет повышенную прочность (особенно поверхности), так как гемицеллюлозы являются очень хорошей естественной проклейкой.

Лигнин - вещество химически неустойчивое: под влиянием света, влаги, кислорода, воздуха и тепла лигнин разрушается, вследствие чего растительные волокна теряют прочность и темнеют. Лигнин, в отличие от целлюлозы, растворяется в разбавленных кислотах и щелочах. На этом свойстве лигнина основаны способы производства целлюлозы из древесины, соломы, тростника и других растительных тканей. Строение лигнина очень сложно и еще недостаточно изучено; известно, что лигнин - природный полимер, структурным звеном которого является остаток очень реакционно-способного ароматического спирта - в -оксикониферилового.

Крахмал

Крахмал в виде микроскопических зерен образуется в зеленых частях растении из углекислоты воздуха и влаги под влиянием света и уносится вместе с соками растения в клубни и зерна, где и отлагается как запасное питательное вещество.

Физические свойства крахмала. Крахмальные зерна разных растений имеют различную форму и величину. Крахмал не растворяется в холодной воде, спирте и эфире. В горячей воде зерна крахмала набухают, увеличиваясь в объеме в сотни раз, затем теряют форму и образуют вязкий и клейкий раствор. Температура растворения крахмала в воде называется температурою клейстеризации. Для картофельного крахмала она равна 60°, для маисового (кукурузного) 70°, пшеничного и рисового - 80°.

Крахмал очень гигроскопичен, он притягивает влагу з окружающего воздуха содержит обычно 10--20% влаги. Плотность крахмала 1,620-1,650 г/см 3. С раствором йода крахмальный клейстер дает интенсивно синее окрашивание, исчезающей при кипячении и вновь появляющееся при охлаждении (качественная реакция на крахмал). Химические свойства крахмала. Крахмал, так же как и целлюлоза, является природным полимером - полиcaxapидом, принадлежащим к классу углеводов и отвечающим молекулярной формуле (С 6К 10О 5)п. Но структурным звеном молекулярной цепи крахмала будет остаток б-глюкозы, а целлюлозы - в-глюкозы. Поэтому в крахмале каждые два остатка б-глюкозы образуют остаток дисахарида мальтоза, а в целлюлозе - каждые два остатка в-глюкозы образуют остаток дисахарида целлюлозы. Мальтоза изомер целлюлозы.

Крахмал содержит две фракции полисахаридов: амилозу и амилопектин. Амилоза имеет линейное строение молекул, закрученных в клубочки. Ее коэффициент полимеризации достигает 1000. Амилозой богат картофельный крахмал.

Глютин

Костный клей, мездровый клей и желатин состоят в основном из белкового вещества - глютин а.

Костный клей в виде твердых, хрупких плиток или клеевого студня - галерты вырабатывается из костей, рогов и копыт животных.

Мездровый клей, внешне очень похожий на костный, вырабатывается из мездры, которую счищают со шкур животных.

Желатин по химическому составу очень близок к костному и мездровому клею, но гораздо выше их по качеству, в частности по чистоте. Для получения желатина отбирают лучшие сорта свежих кожевенных отходов: мездру, обрезки телячьих шкур и кости крупного рогатого скота.

В костях мездре, рогах и копытах животных содержится белковое вещество - коллаген (от греческих слов "колла" - клей и "генос"-- род, происхождение), не растворимое в воде. Коллаген, однако, под действием длительного нагревания в воде превращается в другой вид белка глютин, растворимый в горячей воде и обладающий клеящими свойствами.

Белковые вещества, или белки, состоят из остатков аминокислот, соединенных между собой амидными группами --NH - СО - в длинные полипептидные молекулярные цепи. Концевыми группами этих цепей (молекул) будут, с одной стороны, амино-, а с другой - карбоксильная группы.

Казеин

Казеин - это белковое вещество, содержащееся в молоке. Коровье молоко содержит 3,2%, козье - 3,8%, овечье - 4,5% казеина в растворенном состоянии. Если к молоку прибавить кислоты или дать молоку скиснуть, казеин свертывается и образует осадок, который можно отфильтровать от сыворотки, высушить и измельчить. Сворачивание казеина происходит также при добавлении к молоку сычужного фермента, т. е. сока, выделяемого одним из отделов желудка жвачных животных. Поэтому и зависимости от способа изготовления различают два вида казеина: кислотный и сычужный. В чистом виде казеин - белый творожистый осадок. И воде казеин не растворяется, а только набухает. Однако казеин хорошо растворяется в щелочных растворах. Для растворения на каждые 100 весовых частей казеина берут одну из следующих щелочных добавок. Для изготовления переплетного клея применяют только кислотный казеин, так как он лучше растворяется и дает более клейкие растворы, чем сычужный казеин. Последний идет главным образом на производство белковой пластической массы - галалит.

Высушенный казеин очень гигроскопичен и поглощает влагу из воздуха. Поэтому казеин надо хранить в сухом, хорошо вентилируемом помещении.

Каучук

Каучук добывается из латекса - сока некоторых тропических деревьев, главным образом гевеи бразильской, произрастающей в Южной Америке, Индии, Африке, Цейлоне.

Латекс - это колоидная система, золь из глобул каучука и воды. При добавлении к латексу кислот или при нагревании устойчивость золя нарушается, и каучук выпадает в виде осадка, который высушивают, вальцуют, нарезают листами. В таком виде каучук попадает на резиновые заводы.

Каучук эластичен и прочен, но он затвердевает на морозе, расплавляется при нагревании, а также впитывает воду и растворяется в бензине и некоторых других органических растворителях. Поэтому каучук долгое время не находил практического применения. Каучук начали применять для изготовления резины только в 40-х гг. XIX в., после того, как Чарльз Гудъир нашел, что в результате нагревания с серой каучук становится резиной. Процесс взаимодействия каучука с серой при 125--150° называется вулканизацией. (При вулканизации атомы серы присоединяются к молекулам каучука по месту двойных связей, "сшивая" молекулярные цепи каучука в непрерывную трехмерную сетчатую систему).

Резина

Резиной называется каучук, смешанный с серой, ускорителями процесса вулканизации, усилителями, наполнителями, смягчителями, противостарителями, красочными пигментами и подвергнутый процессу вулканизации.

Ускорители вулканизации, например каптакс, тиурам и др., значительно сокращают время вулканизации и одновременно улучшают механические свойства резины.

Усилители, например сажа, и наполнители, например мелд увеличивают механическую прочность резины в несколько раз и одновременно позволяют сэкономить некоторое количество каучука, снизить стоимость резины.

Мягчители, например минеральные масла, облегчают переработку резиновой смеси и уменьшают твердость готовых резиновых изделий.

Противостарители, например эджерайт, препятствуют преждевременному отвердеванию резины; потере эластичности и упругости.

Красящие вещества придают резине тот или иной цвет. Функции красящих веществ выполняют сажа, красная окись железа (редоксайд), двуокись титана, окись цинка и др.

Все составные части резиновой массы смешивают на вальцах или в резиносмесителе. После этого резиновой массе придается форма листов каландрированием или "сырых" заготовок будущих резиновых изделий.

Для закрепления формы изделий, и придания им надлежащих свойств они должны быть подвергнуты процессу вулканизации при 120--150° во время прессования заготовок с давлением 15--25 кг/см или при нормальном давлении после формования деталей из заготовок.

Синтетические полимеры

Полиэтилен получается полимеризацией этилена двумя способами: при высоком или при низком давлении. Этилен из-за строго симметричного строения молекулы полимеризуется с трудом. Полиэтилен полупрозрачный бесцветный очень прочный термопластичный полимер с хорошими диэлектрическими и антикоррозионными свойствами. Высокая прочность полиэтилена объясняется его кристаллическим строением. Полиэтилен применяется для изготовления пленочных материалов, облицовки электропроводов, изготовления труб, сосудов бытового и промышленного назначения. Полиэтиленовые пленки пропускают ультрафиолетовые лучи, что очень ценно в случае применения их как защитных покрытий в сельском хозяйстве взамен стекла.

Полихлорвинил (-- СН 2 - СНС 1--) - термопластичный твердый роговидный полимер. Начинает размягчаться при 92--94° и плавится при 170°. Становится упруго-эластичным и гибким при добавлении пластификаторов например 30--35% дибутилфталата. Полихлорвинил с введенными в него пластификаторами и пигментами называется винипластом.

Поливинилиденхлорид - это полимер винилиденхлорида применяется редко из-за плохой растворимости и нестабильности. Однако большое практическое значение имеет сополимер винилиденхлорида и хлорвинила.

Полистирол - твердый прозрачный бесцветный термопластический полимер, размягчающийся при 80° и плавящийся при 170°. В виде сополимера с акрилонитрилом применяется для отливки типографских шрифтов. Сополимер выпускается под маркой СНАК-15, содержит 85% стирола и 15% акрилонитрила, отличается высокой прочностью и устойчивостью к действию органических растворителей и смывающих веществ.

Пластические массы

Пластическими массами, или пластмассами, называют достаточно прочные вещества на основе синтетических полимеров, способные под действием нагревания размягчаться и становиться пластичными, т. е. пригодными для изготовления различных деталей и предметов домашнего обихода прессованием или литьем под давлением в специально для этого заготовленных полых стальных пресс-формах. Затвердевшая в результате дальнейшего нагревания или при охлаждении пластическая масса превращается в законченное изделие иногда очень сложной конфигурации, повторяющее и сохраняющее полученную форму. После прессования или литья форму разделяют на части и извлекают полученное изделие.

В простейшем случае в качестве пластической массы применяют соответствующий полимер без каких-либо добавок, конечно, при обязательном условии, что данный полимер полностью удовлетворяет всем требованиям в отношении механической прочности, упругости, литейных свойств и т. п. Во всех остальных случаях свойства пластических масс корректируют в нужном направлении. Для повышения прочности вводят наполнители (древесную муку, хлопковые очесы, стеклянное волокно, асбестовый: порошок, двуокись кремния - аэросил и др.), для устранения хрупкости - пластификаторы, например дибутилфталат, трикрезилфосфат и др., для придания цвета--пигменты и красители, для облегчения заполнения деталей пресс-формы и извлечения из нее изделия - смазки и т. д. Немаловажным фактором, обусловливающим введение наполнителей, будет стремление снизить себестоимость пластических масс.

Пластические массы в зависимости от химического строения полимера, входящего в их состав, делятся на термопластичные и термореактивныё. Термопластичные пластические массы делают из полимеров линейного строения, не имеющих химически активных функциональных групп. Термореактивные пластические массы обязательно содержат полимеры, имеющие функциональные группы, проявляющие свою химическую активность при более или менее продолжительном нагревании. Изделия из термопластичных пластических масс размягчаются при нагревании и в случае необходимости могут повторно многократно переплавляться. Термореактивные пластические массы необратимо затвердевают при прессовании или литье под действием более или менее продолжительного нагревания в результате протекания химической реакции поликонденсации. Поэтому повторная переплавка деталей (изделий) из термореактивных пластических масс невозможна.

Пластические массы имеют очень ценные свойства:

небольшой удельный вес (пластмассы в 5--8 раз легче стали);

большую механическую прочность;

хорошие диэлектрические свойства (пластические массы не проводят электрического тока);

высокую химическую стойкость и неизменяемость и атмосферных условиях;

простоту и легкость переработки в изделие методами литья под давлением или прессования;

хорошие экономические показатели (высокая рентабельность) применения пластических масс в различных областях техники.

В природе мы не находим материалов с подобным сочетанием свойств.

Полимеры в автомобилестроении

В течение ближайших 20 лет будет произведено больше автомобилей, чем за всю 110-летнюю историю автомобильной промышленности. Для удовлетворения растущего спроса потребуется строительство 40-50 новых производств по всему миру.

В автомобилестроении используются две группы полимеров: общетехнического назначения (ПЭ, ПП, ПВХ, ПУ, ПММА) и конструкционные, инженерно-технического назначения (АБС-пластик, ПА, ПК, ПБТ, ПЭТ). Видовая структура потребления полимеров в автомобилестроении показана на диаграмме 2. По прогнозам аналитиков, в 2010 году возрастет объем потребления всех видов полимерных материалов, за исключением ПВХ.

Основные тенденции в автомобилестроении

Снижение стоимости :

§ производство в странах с дешевой рабочей силой;

§ глобальные платформы;

§ инновационные материалы и концепции.

Увеличение размеров и массы автомобилей.

Инновационный дизайн:

§ пластики легче поддаются формовке по сравнению с металлами;

§ эффект soft touch;

§ прозрачные детали.

Высокое качество и долговечность:

§ отсутствие запаха и вредных эмиссий;

§ бесщелевой дизайн во внутренней и внешней отделке;

§ стойкость к старению, УФ-стойкость;

§ хорошая адгезия покрасочных материалов.

Воздействие на окружающую среду и безопасность:

§ новые типы двигателей;

§ сокращение выброса СО 2;

§ безопасность водителя, пассажиров и пешеходов;

§ увеличение числа подушек безопасности

Широкое применение пластиков в автомобилестроении сопровождается соответствующими изменениями в самих методах проектирования автомобилей. Ведь полимеры не только превосходят металлы по качеству, но и имеют прекрасные перспективы увеличения объемов применения, что, в свою очередь, предопределяется высокими качественными характеристиками, а именно:

§ высокая прочность и жесткость при незначительном весе обеспечивают функциональность деталей;

§ термостойкость и химическая стойкость обеспечивают применение пластиковых составляющих под капотом, вблизи двигателя;

§ прозрачность и блеск, а также выдерживание заданных размеров дают возможность использования пластмасс для внешней отделки;

§ свобода при разработке дизайнерских решений и создании сложных форм способствует новым возможностям для отделки салона и кузова

Диаграмма 1. Доля полимеров в легковом автомобиле

Диаграмма 2. Видовая структура потребления полимеров в автомобилестроении

Из всех термопластиков наиболее потребляемым в автомобильной промышленности является полипропилен. По оценкам LyondellBasell, в автомобилях в Европе используется около 48 кг ПП, в 2011 году эта цифра вырастет до 54 кг.

Как предполагали аналитики, основной рост потребления полипропилена в 2006-2011 гг. наблюдался в Азии и Европе. Основной прирост потребления ПП в Европе будет идти из Восточной Европы и России.

Полимером для автомобилестроения можно смело назвать сополимер стирола с акрилонитрилом и бутадиеном (АБС). АБС сочетает в себе эластичность с высокой ударной прочностью, что делает его одним из популярных пластиков для литья и формования сложных изделий, в том числе с высокой степенью вытяжки. По своим прочностным характеристикам, плотности, химической стойкости и др. АБС-пластики успешно конкурируют в первую очередь с традиционными материалами в производстве автомобилей, включая металлы. Радиаторные решетки, приборные панели, облицовки дверей и другие детали салона, колпаки колес, корпуса зеркал заднего вида, детали воздухозаборника, бамперы и даже передние крылья (из смеси АБС с полиамидом, например, в некоторых моделях BMW), - эти и многие другие автокомпоненты изготавливаются из АБС и композиций на его основе. По итогам 2006 года, производственные мощности АБС-пластика на мировом рынке, по данным BASF, составили порядка 6 млн. тонн. Средний ежегодный темп роста мирового рынка АБС-пластика до 2010 года оценен Торговой ассоциацией PlasticsEurope в 5,5%.

Единственным российским производителем АБС-пластиков является ОАО "Пластик" (г. Узловая) - около 45% российского рынка.

Структура потребления АБС-пластиков в России имеет свои особенности. Российский рынок почти полностью ориентирован на автомобильную промышленность: более 2/3 объема производимого и ввозимого АБС-пластика используется в автомобильной промышленности.

Список литературы

1. http://www.polymers-money.com

2. Энциклопедии полимеров, т. 1 - 3, гл. ред. В.А. Каргин, М., 1972 - 77;

3. Махлис Ф.А., Федюкин Д.Л., Терминологический справочник по резине, М., 1989;

4. Кривошей В.Н., Тара из полимерных материалов, М.,1990;

5. Шефтель В.О., Вредные вещества в пластмассах, М.,1991.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.

презентация , добавлен 10.11.2010


Общее понятие о полимерах. Процесс получения высокомолекулярных соединений. Биосовместимые материалы и устройства. Органические, элементоорганические, неорганические полимеры. Природные органические полимеры. Применение биоклеев в неинвазивной терапии.

реферат , добавлен 23.04.2013


Природные и искусственные полимеры, их свойства и область применения. Радикальная, ионная полимеризация, поликонденсация. Строение макромолекул и их физические свойства. Механическая плотность, гибкость и эластичность. Исходный продукт переработки нефти.

презентация , добавлен 17.01.2011


Общее понятие про полимеры. Основные виды пластмассы: термопласты; реактопласты. Основные представители термопластов. Применение полистирола и полипропилена. Использование эпоксидных полимеров в промышленности. Натуральные, природные и химические волокна.

презентация , добавлен 28.02.2011


Кремнийорганические полимеры: линейные; разветвленные; циклолинейные (лестничные); сшитые (в т.ч. циклосетчатые). Силиконовые масла и каучуки. Методы получения полиорганосилоксаны. Основные физические и химические свойства кремнийорганических полимеров.

реферат , добавлен 16.12.2010


Природные (естественные) смолы-продукты жизнедеятельности животных или растений: канифоль, шеллак и копалы. Твердые органические диэлектрики-материалы, в составе которых находится углерод. Полимеризационные и поликонденсационные синтетические полимеры.

реферат , добавлен 20.12.2007


Физические свойства элементов главной подгруппы III группы. Общая характеристика алюминия, бора. Природные неорганические соединения углерода. Химические свойства кремния. Взаимодействие углерода с металлами, неметаллами и водой. Свойства оксидов.

презентация , добавлен 09.04.2017


Физические свойства. Строение молекул, анализ распределения электронной плотности, анализ реакционной способности. Химические свойства. Реакции полимеризации, полимеры.

реферат , добавлен 30.05.2003


Номенклатура, изомерия, классификация и физические свойства диеновых углеводородов и органических галогенидов. Способы получения и химические свойства. Сущность диенового синтеза. Натуральные и синтетические каучуки, их применение в строительстве.

контрольная работа , добавлен 27.02.2009


Классификация. Свойства и важнейшие характеристики. Получение. Полимеры в сельском хозяйстве. Овцы в синтетических шубах. Полимеры в машиностроении. Пластмассовые ракеты. Пластмассовый шлюз. Сварка без нагрева.

Синтетические полимеры

В ХХ веке появление синтетических высокомолекулярных соединений – полимеров - было технической революцией. Полимеры получили очень широкое применение в самых различных практических областях. На их основе были созданы материалы с новыми во многом необычными свойствами, значительно превосходящими ранее известные материалы.

Полимеры – это соединения, молекулы которых состоят из повторяющихся единиц - мономеров.

Известны природные полимеры . К ним относятся полипептиды и белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Синтетические полимеры получаются путем полимеризации и поликонденсации (см. дальше) низкомолекулярных мономеров.

Структурная классификация полимеров

а) линейные полимеры

Имеют линейное строение цепи. Их названия производятся от названия мономера с добавлением приставки поли -:

б) сетчатые полимеры:

в) сетчатые трехмерные полимеры:

Совместной полимеризацией различных мономеров получают сополимеры . Например:

Физико-химические свойства полимеров определяются степенью полимеризации (величина n) и пространственной структурой полимера. Это могут быть жидкости, смолообразные или твердые вещества.

Твердые полимеры по-разному ведут себя при нагревании.

Термопластичные полимеры – при нагревании расплавляются и после охлаждения принимают любую заданную форму. Это можно повторять неограниченное число раз.

Термореактивные полимеры – это жидкие или пластичные вещества, которые при нагревании затвердевают в заданной форме и при дальнейшем нагревании не расплавляются.

Реакции образования полимеров полимеризация

Полимеризация – это последовательное присоединение молекул мономера к концу растущей цепи. При этом все атомы мономера входят в состав цепи, и в процессе реакции ничего не выделяется.

Для начала реакции полимеризации необходимо активировать молекулы мономера с помощью инициатора. В зависимости от типа инициатора различают

радикальную,

катионную и

анионную полимеризацию.

Радикальная полимеризация

В качестве инициаторов радикальной полимеризации применяют вещества, способные при термолизе или фотолизе образовывать свободные радикалы, чаще всего это органические перекиси или азосоединения, например:

При нагревании или освещении УФ-светом эти соединения образуют радикалы:

Реакция полимеризации включается в себя три стадии:

Инициирование,

Рост цепи,

Обрыв цепи.

Пример – полимеризация стирола:

Механизм реакции

а) инициирование:

б) рост цепи:

в) обрыв цепи:

Радикальная полимеризация легче всего идет с теми мономерами, у которых образующиеся радикалы стабилизированы влиянием заместителей у двойной связи. В приведенном примере образуется радикал бензильного типа.

Радикальной полимеризацией получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирол и их сополимеры.

Катионная полимеризация

В этом случае активация мономерных алкенов производится протонными кислотами или кислотами Льюиса (BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3) в присутствии воды. Реакция идет как электрофильное присоединение по двойной связи.

Например, полимеризация изобутилена:

Механизм реакции

а) инициирование:

б) рост цепи:

в) обрыв цепи:

Катионная полимеризация характерна для винильных соединений с электронодонорными заместителями: изобутилена, бутилвинилового эфира, α-метилстирола.