Поняття про полімери. Поліетилен

Існує два основних способи одержання високомолекулярних сполук – полімеризація та поліконденсація.

Реакція поліконденсації – процес послідовного сполучення молекул низькомолекулярної речовини з утворенням високомолекулярної речовини з утворенням побічних продуктів (Н₂О, NH₃ тощо).

Реакція полімеризації – процес послідовного сполучення молекул низькомолекулярної речовини з утворенням високомолекулярної речовини без побічних продуктів.

Молекули етилену здатні вступати в реакцію сполучення між собою, утворюючи довгі ланцюги з високими з

t, kt

наченнями молекулярних мас.

СН₂=СН₂+СН₂=СН₂+СН₂=СН₂ -СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-

або в скор

t, kt

оченому вигляді:

n СН₂=СН₂ (-СН₂-СН₂-)_n

^{етилен поліетилен}

Реакція відбувається при підвищеному тиску, високій температурі та при наявності каталізатора.

С клад і будова поліетилену

-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-СН₂-

мономерна ланка

 

n СН₂=СН₂ (-СН₂-СН₂-)_n

^{мономер полімер ступінь полімеризації}

Мономер – це вихідна низькомолекулярна речовина.

Мономерна ланка – це група атомів, що повторюються і становлять основу хімічної будови полімерного ланцюга.

Ступінь полімеризації - це число n у формулі полімеру, що показує, скільки мономерних ланок сполучається.

Полімер – високомолекулярна сполука, яка одержана реакцією полімеризації із низькомолекулярної сполуки.

У масі полімеру є молекули довші й коротші, з вищим і нижчим ступенями полімеризації, відповідно з більшою і меншою молекулярними масами. Тому заведено говорити про середню молекулярну масу полімеру.

Властивості поліетилену

На дотик поліетилен ніби масний, нагадує твердий парафін. Причина цього – подібність складу й хімічної будови цих речовин: парафін належить до вищих вуглеводнів (С₁₈-С₃₅), у його структурі, як і в структурі поліетилену, повторюються групи -СН₂-.

Поліетилен – тверда речовина білого кольору, але легко забарвлюється в різні кольори, не тоне у воді. Плавиться у межах 102-105 ⁰С або 125-137 ⁰С, залежно від способу добування полімеру.

Процес плавлення полімерів має свої особливості, зумовлені взаємодією між молекулами, що мають значну довжину. У процесі нагрівання в розплавлений стан переходять насамперед коротші молекули, потім – довші, тому у полімерів широкий інтервал температур плавлення, а не точка плавлення, як у низькомолекулярних речовин.

У розплавленому стані поліетилену можна надати будь-якої форми, що зберігається після охолодження полімеру. Така властивість називається термопластичністю.

Термопластичність – це властивість тіл змінювати форму в нагрітому стані і зберігати її після охолодження.

Під час дуже сильного нагрівання поліетилен розкладається.

Поліетилен – доволі міцний матеріал. Плівку з поліетилену можна зігнути, зім’яти, але важко розірвати. Поліетилен не проводить електричного струму. Він стійкий проти дії кислот, лугів, бромної води, розчину калій перманганату і тим самим нагадує насичені вуглеводні, до яких, власне, і належить за своєю хімічною будовою.

Застосування поліетилену.

1) Як діелектрик для ізоляції електропроводів;

2) як пакувальний матеріал для різних виробів і продуктів харчування;

3) в сільському господарстві при будівництві теплиць, для покриття плодово-ягідних культур і саджанців від замерзання;

4) виготовлення посуду та водогінних труб, антикорозійних покриттів;

5) виготовлення тари для зберігання хімічно агресивних рідин;

6) виготовлення деталей апаратів, що працюють в агресивному середовищі.

 

Завдання для самоконтролю

74. Яка реакція називається реакцією поліконденсації?

75. Що таке мономер? Полімер?

76. Яка реакція називається реакцією полімеризації?

77. Реакція полімеризації належить до типу:

а) обміну; б) заміщення; в) приєднання; г) розкладу.

78. Яка середня молекулярна маса поліетилену, якщо n становить 1000?

79. Розкажіть про застосування поліетилену в побуті.

 

Пластмаси

Пластмаси – це матеріали, які виготовлені на основі полімерів, що здатні набувати при нагріванні задану форму і зберігати її після охолодження.

За масштабом виробництва вони займають перше місце серед полімерних матеріалів. У них поєднується велика механічна міцність, мала густина, висока хімічна стійкість, хороші теплоізоляційні ті електроізоляційні властивості тощо. Пластмаси виготовляються із доступної сировини, вони легко піддаються переробці в самі різноманітні вироби. Все це зумовило широке використання їх в усіх галузях народного господарства і техніки, в повсякденному житті.

Крім полімеру, в пластмасах майже завжди містяться інші компоненти, які надають матеріалу певні якості; полімерна речовина для них є зв’язуючою. До складу пластмас входять: наповнювачі (деревне борошно, тканина, азбест, скловолокно тощо), які знижують вартість матеріалу і покращують його механічні властивості, пластифікатори (наприклад, естери, що мають високу температуру кипіння), які підвищують еластичність, усувають крихкість, стабілізатори (антиоксиданти, світлостабілізатори), які сприяють збереженню властивостей пластмас у процесі їх переробки і використання, барвники, які надають матеріалу потрібного забарвлення, антистатики, які запобігають наелектризованості.

Для правильного поводження з пластмасами потрібно знати, термопластичними або термореактивними є полімери, що їх утворюють.

Термопластичні полімери (наприклад, поліетилен) при нагріванні розм’якшуються і в цьому стані легко змінюють форму. При охолодженні вони знову тверднуть і зберігають надану форму. При наступному нагріванні вони знову розм’якшуються, набувають нову форму і т. д. Із термопластичних полімерів при нагріванні та тиску можна формувати різні вироби і при необхідності піддавати їх повторній переробці.

Термореактивні полімери при нагріванні спочатку стають пластичними, але потім втрачають пластичність, стають неплавкими і нерозчинними, оскільки у них проходить хімічна взаємодія між лінійними макромолекулами, утворюється просторова структура полімеру. Повторно переробляти такий матеріал у нові вироби вже неможливо: він набув просторову структуру і втратив необхідну для цього властивість пластичності.

Значні переваги пластмас полягають у технічній і технологічній простоті виготовлення виробів, маловідхідності методів добування і переробки, низькій енергоємності цих процесів, а звідси – високій продуктивності виробництва.

Експлуатаційні недоліки пластмас пов’язані переважно з їхньою низькою термостійкістю, горючістю, крихкістю. Використання поліетилену, наприклад, обмежується його низькою температурою плавлення.

Дуже близький за властивостями до поліетилену поліпропілен (-СН₂- СН-)_n. Він твердий, жирний на дотик, СН₃

білого кольору, термопластичний матеріал. Подібно поліетилену, його можна віднести до високомолекулярних насичених вуглеводням. Полімер стійкий до агресивних середовищ. На відміну від поліетилену, він розм’якшується при більш високій температурі (160-170 ^оС) і має підвищену міцність.

У процесі полімеризації молекули пропілену можуть з’єднуватись між собою по-різному, наприклад:

-СН₂- СН-СН₂- СН-СН₂- СН-СН₂- СН-

СН₃ СН₃ СН₃ СН₃

або

-СН₂- СН-С Н-СН₂-СН₂- СН-С Н-СН₂-

СН₃ СН₃ СН₃ СН₃

Перший спосіб називають «голова-хвіст», Другий – «голова-голова». Можливий і змішаний порядок з’єднання.

З поліпропілену виготовляють деталі машин, труби, плівку, риболовні сітки, побутові вироби, волокна. Недоліком цієї пластмаси є чутливість до світла, кисню, крихкість на холоді.

Поліхлорвініл (-СН₂- СН-)_n – термопластичний полімер, лінійні молекули якого

Сl

побудовані за типом «голова-хвіст». За складом і будовою поліхлорвініл можна розглядати як хлорпохідне поліетилену. Атоми Хлору, які заміщують частину атомів Гідрогену, міцно з’єднані з атомами Карбону. Тому поліхлорвініл стійкий до дії кислот і лугів, володіє хорошими діелектричними властивостями, великою механічною міцністю. Він практичне не горить, але порівняно легко розкладається при нагріванні, при цьому виділяється хлороводень.

На основі поліхлорвінілу одержують пластмаси двох типів: вініпласт, який володіє значною жорсткістю, і пластикат – більш м’який матеріал. Для попередження розкладу полімеру в пластмасу вводять стабілізатори, а при одержанні м’якого пластикату ще й пластифікатори.

Із вініпласту виготовляють хімічно стійкі труби, деталі хімічної апаратури, акумуляторні банки та ін. Пластикат йде на виготовлення лінолеуму, штучної шкіри, клейонки, плащі, що не промокають, використовується для ізоляції проводів, в тому числі підводних кабелів тощо.

Полістирол (-СН₂- СН-)_n – термопластичний полімер, лінійні молекули якого

С₆Н₅

побудовані за типом «голова-хвіст». Полістирол легко піддається формуванню. Із нього виготовляють широкий асортимент виробів. Як хороший діелектрик полістирол йде на виробництво деталей електроапаратури та радіоапаратури, кабельної ізоляції. Із нього готують декоративно-оздоблювальні матеріали, різного роду панелі тощо. Широко використовується він для виготовлення предметів побутового вжитку – освітлювальної апаратури, посуду, галантереї, дитячих іграшок тощо.

Одним із недоліків полістиролу є низька ударна міцність, що обмежувало можливості його використання. В теперішній час, використовуючи каучук у процесі синтезу полімеру, одержують удароміцний полістирол. Такий полістирол зараз найбільш розповсюджений.

Різновидністю полімеру є пінополістирол. Його одержують, додаючи при процесі виготовлення матеріалу речовини-вспінювачі. В результаті полістирол набуває структуру загуслої піни із закритими порами. Матеріал виявляється дуже легким. Пінополістирол використовується в якості тепло- та звукоізоляційного матеріалу в будівництві, в холодильній техніці, у меблевій промисловості. Він йде на ізоляцію трубопроводів, упаковку транспортуючих приладів, харчових продуктів тощо.

Тефлон (політетрафлуоретилен) (-CF₂-CF₂-). За особливу хімічну стійкість його назвали «органічною платиною». Він не розчиняється ні в «царській горілці» (суміш концентрованих нітратрої та хлоридної кислот), ні в органічних розчинниках, стійкий проти холоду й нагрівання, неотруйний, світлостійкий. Завдяки цим властивостям з політетрафлуоретилену виготовляють деталі машин і приладів, апаратів, що працюють у хімічно агресивному середовищі та у харчовій промисловості. З побутових виробів відомі сковороди і каструлі з антипригарним тефлоновим покриттям.

Поліметилметакрилат СН₃

(-СН₂- С-)_n

СООСН₃

Полімер має лінійну структуру, термопластичний. Поліметилметакрилат – тверда, безбарвна, прозора і світлостійка речовина, при ударі не розбивається, стійкий до дії кислот і лугів. Із-за своєї прозорості полімер одержав назву органічного скла. Він може бути зафарбованим. На відміну від звичайного силікатного органічне скло легко обробляється механічними способами і піддається склеюванню.

Застосовується поліметилметакрилат для скління літаків, судів, автомобілів, використовується для виготовлення світлотехнічних виробів, лінз, збільшувального скла, в якості матеріалу для лазерної техніки.

Завдання для самоконтролю

80. Доведіть, що зразок пластмаси є поліхлорвініл.

81. Напишіть формулу тефлону та зазначте, де він використовується.

82. Напишіть формулу поліпропілену та зазначте, де він використовується.

83. Чим відрізняється органічне скло від звичайного?