Создатели полимерных материалов

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 9Следующая ⇒

Получением, исследованием свойств, переработкой полимерных материалов занято десятки тысяч ученых и инженеров академических институтов и высших учебных заведений. Инженеры и конструкторы в машиностроении, строительстве и других областях промышленности заняты вопросами применения полимерных материалов.

Закономерности синтеза полимеров, методы регулирования структуры макромолекул изучают специалисты по химии и физике. Изучением физико-химических и механических свойств полимеров заняты специалисты в области физикохимии, реологии (течение материалов), механике.

После того как свойства, структура и особенности образования полимеров изучены и получены приемлемые результаты, за дело берутся инженеры-технологи, механики, конструкторы, проектанты и др. Их совместные усилия необходимы, чтобы данные, полученные в лаборатории, воплотились в промышленные установки, способные производить тысячи тонн полимеров в год.

Новые полимеры рождаются в стенах химических лабораторий. Их синтезом занимаются специалисты, которых называют синтетиками. Большую часть рабочего времени они проводят около стеклянного шкафа, оборудованного сильной вытяжкой.

Первые разведочные опыты химик-синтетик ставит в самой маленькой посуде – пробирке или маленькой колбочке. Если все идет нормально, можно перейти к колбе больших размеров – до 1…2 л. Обычно химик работает со стеклянной посудой: все видно и мыть ее удобно. Охлаждает свои колбы и пробирки химик обычно на водяной бане, нагревает на закрытой плитке или на песчаной бане. При промывке, очистке продукта все реагенты берутся в большом избытке.

Итак, новый полимер получен, промыт, очищен и высушен в шкафу. После этого полимер идентифицируют, устанавливают его состав, строение и т. п.

В зависимости от строения исходного мономера, он может быть превращен в полимер разными методами - полимеризацией, поликонденсацией. Некоторые мономеры могут полимеризоваться самопроизвольно под действием тепла. Чем выше температура, тем быстрее протекает полимеризация. Так, свойствами самопроизвольно полимеризоваться при нагревании обладают формальдегид, стирол, метилметакрилат и некоторые другие мономеры. Эти мономеры содержат двойные связи.

Однако эти мономеры полимеризуются с малой скоростью. Реакцию превращения мономера в полимер можно ускорить, если к нему добавить небольшое количество инициатора. Так называют вещества, которые при нагревании распадаются, образуя свободные радикалы. С точки зрения современных представлений термин «радикал» обозначают атом или группу атомов с неспаренным электроном, включая такие частицы, как атомы хлора и натрия, оксиды азота и кислорода, водорода. Свободные атомы этих элементов не могут долго существовать, и они взаимодействуют друг с другом или с другими атомами или молекулами, например, с ненасыщенными соединениями.

Мономеры с кратными связями полимеризуются под их действием. Среди них этилен, хлористый винил, стирол, метилметакрилат, винилацетат и др. В арсенале химика-полимерщика существует множество способов для превращения мономеров в макромолекулы. Ниже рассмотрим три важнейших вида реакций, приводящих к полимерам: цепную полимеризацию, поликонденсацию, полимераналогичные превращения. Таким образом, синтез полимеров можно осуществить либо из алкенов (НМС), либо из высокомолекулярных соединений (ВМС) путем полимераналогичных превращений.

В настоящее время наиболее известными методами синтеза полимеров являются полимеризация и поликонденсация. Исходными соединениями для синтеза полимеров являются мономеры или олигомеры. Помимо мономеров при получении полимеров в реальных условиях применяют и другие соединения: инициаторы, катализаторы, растворители и т. п. Совокупность этих соединений в количествах, необходимых для синтеза полимера, называется реакционной системой.

Изменения, происходящие в реакционной системе, вследствие которых происходит превращение молекул мономеров в макромолекулы, называется процессом синтеза полимера. В результате синтеза полимер получается с различной степенью полимеризации:

где n – степень полимеризации. Тогда молекулярная масса полимера равна , где MM – молекулярная масса мономерного звена .

Обычно стараются получить полимер с достаточно большой молекулярной массой.

Множество реакций, составляющих процесс синтеза макромолекул, можно разделить на три группы называемыми стадиями:

1) образование (зарождение) реакционных центров;

2) рост цепи

3) обрыв цепи.

Роль каждой стадии в процессе различна. Так, стадия образования реакционных центров состоит в создании в молекуле мономера, олигомера реакционных центров (т. е. активных мест), способных взаимодействовать с молекулами того же или другого реагента.

Стадия роста цепи состоит в наращивании цепи от мономера до ВМС. Это наиболее важная стадия синтеза полимера.

И наконец, стадия обрыва цепи заключается в дезактивации реакционных центров растущих макромолекул. Эта стадия обычно определяет величину ММ полимера, достигаемую в ходе синтеза.

Процессы синтеза полимеров из мономеров имеют свои закономерности и особенности. Эти процессы можно разделить на большие группы или классы с общими закономерностями для каждого класса. При этом каждый класс процессов синтеза полимеров должен объединяться особенностью, характерной для класса в целом. Традиционно процессы синтеза полимеров делят на два больших класса: полимеризационные и поликонденсационные.

Полимеризацией называется процесс образования макромолекул путем последовательного присоединения молекул мономера к растущим центрам реагентов системы. В свою очередь, поликонденсацией называется процесс образования макромолекул путем взаимодействия друг с другом реакционных центров всех реагентов системы. Схему поликонденсации можно записать в следующем виде:

Ниже рассмотрим эти важнейшие виды превращения мономеров в полимеры.

Цепная полимеризация

Цепная полимеризация характерна в основном для ненасыщенных углеводородных мономеров, содержащих , и циклических соединений, например:

В реакции цепной полимеризации выделяют следующие стадии:

· инициирование;

· рост цепи;

· передача цепи;

· обрыв цепи.

Цепная полимеризация классифицируется по способу инициирования. Инициирование возникает в результате передачи неспаренного электрона (от радикала) или электрического заряда (от аниона или катиона) к мономерной молекуле.

Полимеризация инициируется активными частицами R*, образующимися из некоторого соединения In и называемыми инициаторами:

Активной частицей может быть свободный радикал, катион или анион. При присоединении активной частицы к молекуле олефина с раскрытием p‑ связи образуется новый радикал, катион или анион. Этот процесс неоднократно повторяется по мере присоединения все новых и новых молекул мономера к непрерывно растущему активному центру:

В какой-то момент наступает обрыв растущей цепи вследствие гибели активного центра в результате тех или иных реакций, зависящих от природы активного центра и особенностей данного процесса.

Как уже отмечалось ранее, в полимеризации применяются радикальные, катионные и анионные инициаторы, их нельзя использовать подряд, так как различные мономеры полимеризуются только в присутствии инициаторов определенного типа.

Мономеры обладают значительной селективностью по отношению к типу активных центров, которые вызывают их полимеризацию. Большинство мономеров полимеризуется под действием радикальных инициаторов, хотя скорость полимеризации сильно зависит от природы инициаторов и мономера. Вместе с тем мономеры очень чувствительны к инициаторам ионного типа. Одни мономеры могут полимеризоваться в присутствии катионных инициаторов, тогда как другие не полимеризуются с анионными инициаторами.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 Следующая ⇒