Полимерные органические материалы

Тема 8

Химия элементов

1. Кальций: природные соединения кальция: известняки, разновидности природного сульфата кальция. Оксид и гидроксид кальция, свойства, получение и применение, силикаты кальция.

2. Жесткость природных вод. Карбонатная и некарбонатная жесткость. Методы умягчения воды.

3. Алюминий, свойства и соединения. Применение алюминия и его сплавов в строительстве.

4. Кремний. Диоксид кремни, кремниевые кислоты. Силикаты, их гидролиз и гидратация. Стекло и стекломатериалы. Ситаллы.

Тема 9

Полимерные органические материалы

1. Реакции полимеризации. Полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол.

Реакции полимеризации - реакции, протекающие с участием большого числа молекул и приводящие к образованию высокомолекулярных соединений).

Полиэтилен — термопластичный полимер этилена. Является органическим соединением и имеет длинные молекулы …—CH2—CH2—CH2—CH2—…, где «—» обозначает ковалентные связи между атомами углерода. Самый распространённый в мире пластик. Представляет собой воскообразную массу белого цвета (тонкие листы прозрачны и бесцветны). Химически- и морозостоек, изолятор, не чувствителен к удару (амортизатор), при нагревании размягчается (80—120°С), при охлаждении застывает, адгезия (прилипание) — чрезвычайно низкая.

Полипропилен — это полимер, который получают промышленным путем из газа пропилена (продукт нефтепереработки) путем полимеризации.

Химические свойства: материал устойчив к воде и агрессивным средам.

Физические свойства: материал морозостойкий от -5 до -20 градусов, хорошая износостойкость, в тонких пленках прозрачен. Температура плавления от 160 градусов.

Поливинилхлорид — бесцветная, прозрачная пластмасса, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щелочам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью (−15 °C). Нагревостойкость: +65 °C. Химическая формула: [-CH2-CHCl-]n

Полистирол — продукт полимеризации стирола (винилбензола) относится к полимерам класса термопластов.

Имеет химическую формулу вида: [-СН2-СН(С6Н5)-]n

Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м³), термическую стойкость (до 105 °С), усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до −40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).

2. Реакции поликонденсации. Фенолформальдегидные смолы, карбамидоформальдегидные смолы, эпоксидные смолы, фурановые смолы.

Поликонденсация — процесс синтеза полимеров из полифункциональных (чаще всего бифункциональных) соединений, обычно сопровождающийся выделением низкомолекулярных побочных продуктов (воды, спиртов и т. п.) при взаимодействии функциональных групп.

Фенолформальдегидные смолы - продукты поликонденсации фенола с формальдегидом. Отвержденные смолы характеризуются высокими тепло-, водо- и кислостойкостью, а в сочетании с наполнителями и высокой механической прочностью.

Карбамидоформальдегидные смолы — это продукт поликонденсации карбамида с формальдегидом. Карбамидоформальдегидные смолы нашли широкое распространение в различных сферах производства и строительства. Они применяются при производстве карбамидно-формальдегидного пенопласта, древесностружечных и древесноволокнистых плит, а также фанеры. Кроме того они применяются при изготовлении специальных влагопрочных сортов бумаги и картона.

Эпоксидные смолы - это олигомерные продукты поликонденсации эпихлоргидрина с многоатомными фенолами, спиртами, полиаминами, многоосновными кислотами, а также продукты эпоксидирования (т. е. введения эпоксидных групп) соединений, содержащих не менее двух двойных связей.

Фурановые смолы — термореактивные олигомеры, образующиеся из соединений, содержащих фурановый цикл. Жидкие или твёрдые вещества от тёмно-красного до чёрного цветов; плотность 1,1-1,2 г/см³; растворяются в ацетоне; отверждаются при нагревании (150—170 гр. С) или (и) в присутствии катализаторов.

3. Кремнийорганические полимеры. Битумы и дегти.

Кремнийорганические соединения — соединения, в молекулах которых имеется связь между атомами кремния и углерода. Кремнийорганические соединения иногда называют силиконами, от латинского названия кремния «силициум». Кремнийорганические соединения используются для производства смазок, полимеров, резин, каучуков, кремнийорганических жидкостей и эмульсий. Кремнийорганические соединения применяются в косметике, бытовой химии, лакокрасочных материалах, моющих средствах. Отличительной особенностью продукции на основе кремнийорганических соединений от продукции на основе обычных органических соединений являются, как правило, более высокие эксплуатационные качества и характеристики, а также безопасность применения человеком. Кремнийорганические полимеры могут использоваться для изготовления форм в кулинарии.

Битумы — твёрдые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных. Битумы не растворимы в воде, полностью или частично растворимы в бензоле, хлороформе, сероуглероде и др. органических растворителях; плотностью 0,95—1,50 г/см³.

Дёготь — жидкий продукт сухой перегонки древесины, а также твёрдого топлива — каменных и бурых углей, сланцев, торфа.

4. Физико-химические свойства полимеров.

 

5. Пластические массы и полимербетоны, заполненные полимеры, наполнители, добавки к бетонам.

Пластмассы (пластические массы) или пластики — органические материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры).

Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять после охлаждения или отвердения заданную форму. Процесс формования сопровождается переходом пластически деформируемого (вязкотекучего) состояния в стеклообразное состояние.

Полимербетон (пластбетон, пластоцемент) — общее название бетонов, содержащих в своём составе термореактивное органическое связующее (обычно эпоксидную смолу) и большое количество дисперсного наполнителя (талька, аэросила, толчёного кварца, гранитной крошки и др.). Состав может называться пластоцементом если количество наполнителя более 50 %.

По сравнению с цементными бетонами, полимерные и полимерцементные бетоны обладают большей прочностью на растяжение, меньшей хрупкостью, лучшей деформируемостью. У них более высокие водонепроницаемость, морозостойкость, сопротивление истиранию, стойкость к действию агрессивных жидкостей и газов.

 

6. Полимерные покрытия и клеи.

7. Способы переработки пластических масс и получение элементов строительных конструкций.

8. Стойкость и старение различных полимерных материалов в условиях длительной эксплуатации.

 

Линейные полимеры обладают специфическим комп-лексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотроп-ные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, дли-тельно развивающимся обратимым дефор-мациям; способность в высокоэластичном со-стоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комп-лекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гиб-костью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, ред-ким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комп-лекс свойств становится всё менее выра-женным. Сильно сшитые полимеры нераство-римы, неплавки и неспособны к высоко-эластичным деформациям.

Полимеры могут существовать в кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации - регулярность достаточно длинных участков макромоле-кулы. В кристаллических полимерах возможно возник-новение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во мно-гом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.

Незакристаллизованные полимеры могут нахо-диться в трех физических состояниях: стекло-образном, высокоэластичном и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пласти-ками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения мак-ромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообраз-ное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклооб-разный продукт, переходящий в высоко-эластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекуляр-ными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических свя-зей между макромолекулами (так называемое сши-вание), например при вулканизации кау-чуков, дублении кожи; распад макромо-лекул на отдельные, более короткие фраг-менты, реак-ции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные пре-вращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромоле-кулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одно-временно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может слу-жить омыление поливтилацетата, при-водящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомо-лекулярными веществами часто лимити-руется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявля-ется в случае сшитых полимеров. Скорость взаи-модействия макромолекул с низкомоле-кулярными веществами часто сущест-венно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирую-щего звена. Это же относится и к внутри-молекулярным реакциям между функ-циональными группами, принадлежащи-ми одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например раствори-мость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств приме-сей или добавок, реагирующих с макро-молекулами. Так, чтобы превратить ли-нейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и моле-кулярно-массовое распределение, сте-пень разветвленности и гибкости макро-молекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.