Полимеризационные полимеры
б) поликонденсационные (получают с использованием реакции поликонденсации – процесс образования ВМС из низкомолекулярных соединений, содержащих две или несколько функциональных групп, сопровождающийся выделением за счёт этих групп таких веществ как вода, NH3, HГ и т.п.). Состав элементарного полимера в этом случае отличается от состава исходного мономера. Полимеризационные полимеры имеют меньшую молекулярную массу, чем полимеризационные
фенол формальдегид фенолформальдегидная смола
Изменяя строение и длину цепи, чередование звеньев, составляющих молекулу ВМС, состав исходных мономеров, условия проведения синтеза и последующую отработку, можно создать ВМС с самыми разнообразными свойствами.
Полиамидные смолы. Полимеры этого типа являются синтетическими аналогами белков. В их цепях имеются такие же, как в белках, многократно повторяющиеся амидные – СО – NH – группы. В цепях молекул белков они разделены звеном из одного С-атома, в синтетических полиамидах – цепочкой из четырёх и более С-атомов. Капрон является поликонденсатом аминокапроновой кислоты, содержащей цепь из шести атомов углерода
О О О
// ║ ║
nNH2 – (CH2)5 – C → (…– NH – (CH2)5 – C – NH – (CH2)5 – C–…)n + mH2O
\
OH
аминокапроновая кислота капрон
Эпоксидные смолы – олигомерные продукты поликонденсации эпихлоргидрина с многоатомными фенолами, спиртами, полиаминами, многоосновными кислотами, а также продукты эпоксидирования (то есть введения эпоксидных групп) соединений, содержащих не менее двух двойных связей. Среди огромного количества синтетических полимерных материалов есть класс поликонденсатов – пенополиуретаны. В обиходе эти материалы называют поролонами. К пенополиуретанам, вспененным полиуретанам относят гетероцепные полимеры, содержащие значительное количество уретановых групп
– NH – C – O – .
║
O
Впервые пенополиуретаны получены О. Байером с сотрудниками в 1937 г. Промышленное производство пенополиуретанов на основе сложных полиэфиров было организовано в Германии в 1944 г., а их аналогов на основе более дешевых простых полиэфиров – в США в 1957 г. В таблице представлены поликонденсационные полимеры и их структурные формулы.
Поликонденсационные полимеры
Химические свойства
Можно предложить три вида классификаций химических реакций в полимерах. Первая классификация такая же, как и в органической химии: реакции замещения, присоединения. Вторая классификация химических реакций - в зависимости от молекулярной природы реагентов при различной их химической природе. Третья классификация основана на характере изменения химической структуры макромолекул в результате химической реакции. Эта классификация наиболее информативна с точки зрения состояния и свойств продуктов реакции. По этой квалификации различают реакции: гидролиза, гидрирования, нитрования, хлорирования, отщепления, деструкции и старения. Рассмотрим реакции деструкции и старения.
Реакции деструкции – это реакции, в результате которых ухудшаются свойства полимеров, за счёт распада молекулярных цепей
(С6Н10О5)n
nC6H12O6
Деструкция бывает: механическая; деструкция под влиянием химических реагентов; окислительная; термическая; фотохимическая; радиационная; деструкция под влиянием биологических факторов.
Старение полимеров. В процессе хранения и эксплуатации изделий из полимеров может происходить потеря работоспособности изделий из полимеров, вызванная старением полимеров. Под старением полимеров понимается комплекс химических и физических изменений, приводящих к ухудшению механических свойств и снижению работоспособности изделий из полимеров. В более широком смысле старением может быть названо всякое изменение молекулярной, надмолекулярной или фазовой структуры полимеров и полимерных материалов, приводящее к изменению физико-механических свойств в процессе хранения и эксплуатации изделий из полимеров. Например, распад молекул целлюлозы под действием кислот, выступающих в роли катализаторов
Кроме того, существует термическая деструкция полимеров, которая используется в аналитических целях для изучения структуры полимерных макромолекул.
Применение
Пластические массы используются как конструктивные материалы при изготовлении разнообразных узлов и деталей, так как имеют ряд преимуществ: 1) легче металлов в 4…6 раз; 2) стойки к атмосферным воздействиям; 3) коррозионностойки; 4) обладают высокой механической стойкостью; 5) возможно получать изделие различной конфигурации. Однако, они имеют и ряд недостатков: 1) низкая термостойкость (< 150 оС); 2) подвержены старению.
Сегодня можно говорить о четырёх основных направлениях использования полимерных материалов в сельском хозяйстве: плёнки, мелиорация, строительство и сельскохозяйственное машиностроение. И в отечественной и в мировой практике первое место принадлежит плёнкам. Благодаря применению мульчирующей перфорированной плёнки на полях урожайность некоторых культур повышается до 30 %, а сроки созревания ускоряются на 10-14 дней. Но главная область использования плёночных полимерных материалов в сельском хозяйстве – строительство и эксплуатация плёночных теплиц. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизировано; более того все теплицы позволяют выращивать продукцию круглогодично. В холодное время теплицы обогреваются опять-таки с помощью полимерных труб, заложенных в почву на глубину 60-70 см. С точки зрения химической структуры полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, преимущественно применяют полиэтилен, полипропилен, непластифицированный поливинилхлорид и в меньшей степени полиамиды.
Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Пленки из полипропилена значительно прозрачнее и прочнее полиэтиленовых, пищевые продукты в упаковке из полипропилена можно подвергать стерилизации, варке и разогреванию.
Поливинилхлорид (ПВХ) используется для изготовления плёночных материалов, в качестве электроизоляции проводов и кабелей, в быту он известен как материал для изготовления линолеума и искусственной кожи.
Политетрафторэтилен выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. Он обладает необыкновенным сочетанием эксплутационных свойств: механической прочностью, высокими диэлектрическими параметрами, исключительной химической стойкостью, низким коэффициентом трения, а также широкой областью рабочих температур (от -260 до +260 оС). Из фторопласта изготавливают пленки, волокна, шланги, электроизоляцию для проводов и кабелей, химические реакторы, контейнеры для агрессивных жидкостей, трущиеся детали, не требующие смазки, и даже протезы органов человека.
Полиметилакрилат и полиметилметакрилат – твердые, бесцветные, прозрачные, стойкие к нагреванию и действию света, пропускающие ультрафиолетовые лучи полимеры. Из них изготавливают листы прочного и легкого органического стекла, широко применяемого для различных изделий. Из полиакрилонитрила получают нитрон (или орлон) – синтетическое волокно, идущее на производство трикотажа, тканей.
Использование в строительстве полимерных вяжущих, главным образом фурановых, полиэфирных, эпоксидных или фенолформальдегидных смол позволило создать и широко применять принципиально новый строительный материал – полимербетон. Он представляет собой затвердевшую смесь высокомолекулярного вещества с минеральными наполнителями. В качестве наполнителей используют кварцевый песок, гранитную и т.п. щебёнку. Полимербетоны обычно имеют более высокую прочность на растяжение, низкую хрупкость, повышенную водонепроницаемость, морозостойкость, стойкость к действию агрессивных жидкостей и газов. Применяют их для изготовления полов, дорожных и аэродромных покрытий, для заделки швов, трещин и выбоин.
Отвержденные эпоксидные смолы характеризуются высокой адгезией к металлам, стеклу, бетону и др. материалам, механической прочностью, тепло-, водо- и химстойкостью, хорошими диэлектрическими показателями. Их используют как основу высокопрочных связующих клеев, заливочных и пропиточных электроизоляционных материалов, герметиков, лаков, пенопластов.
Пенополиуретаны широко используются в быту; из них сделаны мягкая мебель, сиденья автомобилей, коврики, губки, полоски для утепления окон, детские игрушки. В промышленности эти полимеры применяют не только как амортизирующие и теплоизоляционные материалы, но и в качестве полиуретановых волокон, латексов, клеев. Пенополиуретаны считаются одними из наиболее перспективных материалов для медицины. В хирургической практике полиуретановые волокна применяются в виде шовных нитей и протезов сердечно-сосудистой системы. Способность пенополиуретанов сорбировать и прочно удерживать значительные количества разнообразных соединений была использована при разработке методик сорбционного концентрирования тяжёлых металлов и органических соединений. Это их свойство используют в аналитической химии.
Особое значение имеет проблема защиты металлических изделий от коррозии путем покрытия их полимерными плёнками, что дает возможность сэкономить сотни тонн металла. Так в последние годы металл консервной банки (так называли олово) полностью заменён на полимеры.
Перспективы использования синтетических ВМС в космосе неразрывно связаны с так называемым армированным пластиком – волокнистым материалом с полимерным связующим. Наибольшее применение нашли стеклопластики.
Проблема использования полимеров в медицине представляет два аспекта: создание искусственных внутренних органов из полимерных материалов и использование полимеров как физиологически активных веществ. Ими заменяются отдельные участки кровеносных сосудов, сухожилий, костей, сердца, легких и кожи. В настоящее время область применения полимеров в медицине – одна из наиболее важных в развитии полимерной химии.