ВВЕДЕНИЕ. Производство полимеров в мире в настоящее время достигло грандиозных размеров и по оценкам специалистов составляет 260 млн.т

Производство полимеров в мире в настоящее время достигло грандиозных размеров и по оценкам специалистов составляет 260 млн.т. Использование полимеров пронизывает практически все отрасли народного хозяйства – от строительной индустрии, автомобиле- и авиастроения до упаковочных материалов и медицинских изделий, а также товаров бытового назначения. Для производства полимеров по-прежнему остается актуальным разработка технологий, позволяющих продлить срок службы полимерных изделий и решить вопрос их конечной утилизации.

Полимеры, благодаря своим уникальным эксплуатационным характеристикам, прочно вошли буквально во все сферы жизни человека. По объемам производства эти материалы уже превысили выпуск черных и цветных металлов. Их потребление растет год от года. Однако наряду с многочисленными положительными качествами, у этих продуктов синтетического происхождения есть один существенный недостаток. Они, в отличие от многих природных материалов, выполнив свои функции, не уничтожаются достаточно быстро под действием агрессивных факторов окружающей среды - света, тепла, атмосферных газов, микроорганизмов, а продолжают существовать в виде долгоживущих отходов, причиняя в некоторых случаях непоправимый ущерб живой природе.

Все возрастающие масштабы потребления полимерных материалов требуют все возрастающих общественных затрат для защиты природы от полимерных отходов.

Увеличение количества полимерных отходов создаёт серьезную проблему их ликвидации: для их захоронения приходится отводить все новые земли, в том числе и из пахотного оборота. Процесс сжигания или естественного разложения пластмасс сопровождается выделением канцерогенов. Они устойчивы к химическому и биологическому разложению, сохраняются в окружающей среде в течение десятков лет и переносятся по пищевым цепям: почва - растения - травоядные животные - человек.

Проблема утилизации полимерных отходов актуальна не только с экологической точки зрения, но и с экономической. Удорожание нефти - сырья для синтеза большинства полимеров, энергетические проблемы - это те экономические причины, которые привлекают к ней внимание.

Использование вторичного сырья в качестве новой ресурсной базы — одно из наиболее динамично развивающихся направлений переработки полимерных материалов в мире. Для России оно является сравнительно новым. Однако интерес к получению дешевых ресурсов, которыми являются вторичные полимеры, весьма ощутим, поэтому мировой опыт их вторичной переработки должен быть востребован.

Сдерживающими факторами внедрения рециклинговых технологий пластмасс в России являются значительные трудоёмкость и энергоёмкость технологических операций сортировки отходов. Это препятствуют расширению объемов и номенклатуры пластмассовых изделий, доступных для рециклинга.

В стране отсутствуют нормативно-технические условия для обеспечения сбора, сортировки и контроля качества вторичного сырья, производимого из полимерных отходов. Проблемы сбора (в первую очередь) и переработки полимерных отходов в России имеют, прежде всего, не технологический, а организационный характер.

Данное учебное пособие направлено на формирование современного подхода к вопросам вторичной переработки полимерных материалов и созданию материалов, безопасных как в процессе эксплуатации, так и после использования за счет их способности участвовать в круговороте веществ в природе.

Глава 1

СТРУКТУРА И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимерами являются высокомолекулярные соединения, состоящие из одинаковых или различных звеньев, соединенных химическими связями в длинные цепи.

Звеньями цепи могут быть как отдельные атомы, так и группы атомов

· полимерная сера -S-S-S-S-

· полиэтилен (-СН₂-СН₂-СН₂-).

Степень полимеризации (Р) - число повторяющихся звеньев в цепи. Она определяет молекулярную массу полимера (М)

М= т • Р, где т - молекулярная масса звена.

Структурное звено макромолекулы. Группа атомов, многократно повторяющаяся в цепной макромолекуле, называется ее структурным звеном.

Поливинилхлорид

В формуле макромолекулы это звeно обычно выделяют скобками:

(-CH₂-CHCl-)_n

Строение структурного звена соответствует строению исходного мономера, поэтому его называют также мономерным звеном.

Названия полимеров и олигомеров складываются из названия мономера и приставки «поли» или «олиго» (например, полиэтилен, полистирол, олигостирол, олигобутадиен, сополимер этилена с пропиленом).

Химические формулы пишут без концевых групп

-СН₂-СН₂-СН₂- или (-СН₂-СН₂-)_n.

Для некоторых полимеров используются торговые названия (например, найлон или поли-8-капролактам, фенопласт или фенолформальдегидная смола, тефлон или политетрафторэтилен.

1. Классификация полимеров

В настоящее время известно огромное количество полимеров. Их можно классифицировать: в зависимости от молекулярной массы полимера; по числу мономерных звеньев в цепи полимера; по структурной форме полимера; по происхождению полимеров: по строению основной цепи полимера.

В зависимости от молекулярной массы полимера различают высокомолекулярные соединения, олигомеры и низкомолекулярные соединения.

· При М>5000–10000 - высокомолекулярное соединение,

· М=500–5000 – олигомер,

· М<500 – низкомолекулярное соединение.

По числу мономерных звеньев в цепи полимеры классифицируют на гомополимеры и сополимеры.

· Гомополимеры состоят из одинаковых звеньев (например, полиэтилен – (-СН₂-СН₂-)_n)

· Сополимеры состоят из двух или более звеньев (например, бутадиен-стирольный сополимер

n

В свою очередь, сополимеры в зависимости от характера расположения звеньев подразделяют на:

а) статистические – мономерные звенья в которых расположены неупорядоченно по цепи;

б) чередующиеся (альтернирующие) со строгим чередованием звеньев в цепи;

в) блочные (блок-сополимеры) – линейные макромолекулы которых состоят из чередующихся протяженных последовательностей звеньев (блоков), различающихся по составу или строению;

г) привитые сополимеры, разветвленные макромолекулы которых состоят из нескольких химически связанных последовательностей мономерных звеньев – основной цепи и боковых ответвлений, различающихся по составу или строению.

Тип полимера	Схема строения макромолекулы
Сополимер (бинарный)
а) статистический	-А-В-В-А-В-А-А-В-А-В-В-
б) чередующийся	-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-А-В-
в) блочный	-А-А-А-А-А-В-В-В-В-В- -(А)-n -(B)-m
г) привитой

По структурной форме полимеры делятналинейные, разветвленные и сшитые.

Линейные – основная цепь макромолекул которых, состоит из повторяющихся звеньев, соединённых друг с другом в линейную конструкцию.

Разветвленные полимеры состоят из макромолекул, основная цепь которых, в отличие от линейных, содержит произвольно расположенные боковые ответвления длиной от нескольких атомов до размеров основной цепи. Предельный случай разветвлённых полимеров – звездообразные, макромолекулы которых представляют собой совокупность цепей, выходящих из одного центра. К разветвлённым относятся также гребнеобразные полимеры, содержащие короткие ответвления в каждом звене, например полигексадецилакрилат:

Сшитые или сетчатые полимеры состоят из макромолекул, образующих пространственную сетку, охватывающую весь образец; в сшитых полимерах макромолекулы во многом утрачивают свою индивидуальность. К сшитым иногда относят, так называемые, лестничные полимеры, две параллельные цепи которых соединены поперечными связями в каждом звене.

Схематическое изображение макромолекул различной топологии:

А – линейный полимер; Б, В, Г – разветвленные; В – звездообразный; Г – гребнеобразный; Д, Е – сшитые; Е – лестничный.

По происхождению полимеры делят на природные, искусственные и синтетические.

· Примерами природных полимеров являются белки, целлюлоза, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук, алмаз, графит.

· Искусственными являются модифицированные природные полимеры, например, нитрат целлюлозы и ацетат целлюлозы.

· Синтетическими полимерами, называются полимеры, полученными в результате синтеза в реакторе, например, полиэтилен, полистирол, полипропилен.

Природные полимеры

	Белки (природные полипептиды 20 α-аминокислот с соотв. R и R’)
	Полиуглеводы поли-1,4-β, D-глюкопиранозид (целлюлоза)
	Нуклеиновой кислоты: РНК – R – аденин, гуанин, тимин, цитозин и Х – ОН: ДНК – R – аденин, гуанин, цитозин, урацил и Х – Н.

Искусственными полимерами являются модифицированные природные полимеры, например, нитрат целлюлозы и ацетат целлюлозы.

Тринитроцеллюлоза

Среди искусственных полимеров наибольшее значение имеют искусственные волокна: вискозные, медноаммиачные и ацетатные. Их получают из природных полимеров (древесная или хлопковая целлюлоза) путем химической переработки.

Синтетические полимеры получают из органических низкомолекулярных соединений (мономеров) по реакции полимеризации или поликонденсации. Источником мономеров являются главным образом углеводороды, производимые из нефти, природного газа и каменного угля.

1.2. Классификация полимеров п о строению основной цепи

П о строению основной цепи полимеры делят на гомоцепные и гетероцепные.

Гомоцепные полимеры имеют основную цепь из одинаковых атомов (например, серы -S-S-S-S-, фосфора -Р-Р-Р-, углерода -С-С-С-). Полимеры, построенные из атомов углерода называются карбоцепными.

Гетероцепные полимеры имеют основную цепь из различных атомов (например, -С-О-, -NH-CО-,).

Устойчивость гомоцепных и гетероцепных полимеров зависит от прочности связей между атомами.

У гетероцепных полимеров энергия связи между атомами выше, чем у гомоцепных. Поэтому гетероцепные полимеры являются высокоплавкими и высокопрочными.

По химическому строению повторяющегося звена полимеры делят на классы:

· органические;

· неорганические;

· элементоорганические.

Органические полимеры в основной цепи содержат атомы углерода, а также кислорода, азота и серы. В боковые группы могут входить водород и галогены, соединенные непосредственно с углеродами или другие атомы, непосредственно не соединенные с углеродом в основной цепи.

Неорганические полимеры имеют основную цепь из неорганических атомов

· серы -S-S-S-S-,

· фосфора -Р-Р-Р-

В отличие от органических полимеров в цепях и боковых группах неорганических полимеров атомы углерода отсутствуют. Примером таких полимеров может служить кремниевая кислота:

Элементоорганические полимеры наряду с атомами углерода имеют неорганические фрагменты.

Цепь элементорганических полимеров состоит из атомов кремния, фосфора и др., к которым присоединены углеродные атомы или группы, например, силоксан:

1.2.1. Гомоцепные полимеры

Органические гомоцепные полимеры делятся на: