Пластмассы на основе полимеров, получаемых по реакции полимеризации

Полимеризация- один из основных промышленных методов, которым получают более половины производимых в мире полимеров, в т.ч. полиэтилен (высокого давления), полистирол, сополимеры этилена и стирола с различными полярными мономерами, поливинилхлорид, полиакрилаты и полиметакрилаты, ряд синтетических каучуков и др.

Полиэтилен – это термопластичный полимер, является наиболее популярным полимером в мире. Именно из этого полимера сделаны пакеты для пищевых продуктов, флаконы для шампуня, детские игрушки и даже пуленепробиваемые жилеты. Для столь разностороннего материала он обладает очень простой структурой, наиболее простой среди всех полимеров, производимых в промышленных масштабах.

Полиэтиленпредставляет собой полимер, образующийся при полимеризации этилена:

Различают 2 группы полиэтиленов:

ПЭВД – полиэтилен высокого давления (низкой плотности). ПЭВД – легкий, прочный, эластичный материал с низкой газо-, паропроницаемостью. Применение ПЭВД – производство всех видов пленок, гибкой упаковки.

ПЭНД – полиэтилен низкого давления (высокой плотности). ПЭНД – более прочный и жесткий материал по сравнению с ПЭВД. Применение ПЭНД – емкости хозяйственного и технического назначения, крышки для хозяйственных банок, фитинги, галантерейные изделия.

Полипропилен (ПП) – вещество молочно-белого цвета, один из самых легких полимеров, имеющий высокие физико-механические свойства, высокую теплостойкость и хорошие диэлектрические показатели.

При обычных условиях полимеризации получается полипропилен нерегулярного строения, т.е. с неупорядоченным расположением СН₃-групп относительно плоскости s-скелета молекулы.

Однако с помощью особых металлоорганических катализаторов, получается полипропилен регулярного строения, т.е. с упорядоченным расположением СН₃-групп, например по одну сторону плоскости s-скелета. Стереоспецифическая полимеризация – это процесс получения полимера со строго упорядоченным пространственным строением. Полипропилен регулярного строения обладает лучшими физико-механическими свойствами.

Полипропилен является одним из тех полимеров, которые находят применение, как в качестве пластмассы, так и в качестве волокна. К основным достоинствам ПП можно отнести его химическую стойкость, водостойкость, устойчивость к коррозионному растрескиванию, термостойкость, стойкость к истиранию, долговечность.

Полипропилен используется для разнообразных целей в электротехнической, лёгкой, пищевой промышленности, тяжёлом машиностроении, судостроении, сельском хозяйстве, медицине, в производстве стройматериалов.

Полистирол (ПС) – бесцветное, твердое стеклоподобное вещество, пропускающее до 90% лучей видимого спектра. Строение цепи полистирола регулярное (по типу "голова-хвост"). Полимеризацию стирола чаще всего проводят в присутствии инициаторов по радикальному механизму

Основное преимущество полистирола состоит в том, что это – один из наиболее дешевых пластиков, обладающий хорошими механическими и изоляционными свойствами и значительной конструкционной гибкостью. Благодаря этому, данный вид пластика широко используется в радиотехнике и других отраслях высокочастотной техники, а также для получения пенопластов и материалов на их основе.

Наиболее широкое применение (более 60% производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеном.

В настоящее время созданы и другие многочисленные модификации сополимеров стирола.

Поливинилхлорид (ПВХ) является одним из старейших известных пластиков. В структуре мирового рынка пластмасс ПВХ занимает второе место после полиэтилена. ПВХ получают радикальной полимеризацией винилхлорида в присутствии пероксидных или азоинициаторов в основном в суспензии (в водной среде), а также в массе и в эмульсии.

ПВХ – пластический материал, отличающийся высокими электроизоляционными свойствами и хорошими механическими характеристиками. Физиологически безвреден.

Чистый поливинилхлорид представляет собой роговидный материал, который трудно перерабатывается. Поэтому обычно его смешивают с пластификаторами. Свойства конечного продукта варьируются от жесткого до очень гибкого пластика в зависимости от процента добавленного пластификатора, который достигает до 30% массы.

Винипласт – это жесткий ПВХ, который обладает достаточно высокой механической прочностью, значительными водо- и химической стойкостью, хорошими диэлектрическими характеристиками. Винипласт используют для изготовления химической аппаратуры и коммуникаций, вентиляционных воздуховодов, труб, фитингов, а также для покрытия полов, облицовки стен, тепло- и звукоизоляции (пенополивинилхлорид), изготовления плинтусов, оконных переплетов и других строительных деталей. Из прозрачного винипласта изготовляют объемную тару для пищевых продуктов, бутылки

Пластикат – это мягкий ПВХ, который обладает высокой эластичностью в широком диапазоне температур, хорошими диэлектрическими характеристиками, высокой водо-, бензо- и маслостойкостью. Пластикат используют для изготовления изоляции и оболочек для электропроводов и кабелей, для производства шлангов, линолеума и плиток для полов, материалов для облицовки стен, обивки мебели, упаковки (в том числе для пищевых продуктов), для создания искусственной кожи, обуви. Прозрачные гибкие трубки из пластиката применяют в системах переливания крови и жизнеобеспечения в медицинской технике. Пластикат с повышенной теплостойкостью используется для производств волокна.

Политетрафторэтилен -полимер тетрафторэтилена

Политетрафторэтилен выпускается в виде пластмассы, называемой тефлоном или фторопластом. Весьма стоек по отношению к щелочам, концентрированным кислотам и другим реагентам. По химической стойкости превосходит золото и платину. Негорюч, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Применяется в химическом машиностроении, электротехнике.

Поливинилацетат (ПВА) — продукт полимеризации винилового эфира уксусной кислоты — винилацетата:

Винилацетат легко полимеризуется под влиянием света, тепла, инициаторов и катализаторов. В зависимости от условий реакции и типа инициатора полимеризации образуются полимеры от жидких и вязких до твердых. Полимеризацию винилацетата можно вести в блоке, растворе, эмульсии и суспензии. Эмульсионную полимеризацию винилацетата используют для получения водно-дисперсионных красок. ПВА широко используется для производства отделочных строительных материалов (например, лаков, моющихся обоев, внутренних покрасок).

ПВА гидролизуется растворами кислот и щелочей с образованием поливинилового спирта (-СН₂-СН(ОН)-)_n. Основная масса вырабатываемого ПВА расходуется на производство поливинилового спирта и его ацеталей.

Полиметилметакрилат (ПММА) (плексиглас, оргстекло, акриловое стекло, стекло органическое) – продукт полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты.

Линейный полимер метилметакрилата.

Полиметилметакрилат ПММА (РММА) – самая известная марка акриловых полимеров. Полимеризация в массе, эмульсионная или суспензионная приводят к получению термопластичного материала с высокой молекулярной массой. ПММА - это материал с высокой прочностью, высоким модулем эластичности, хорошей поверхностной прочностью (стойкость к царапанию). ПММА преимущественно используется в осветительной промышленности благодаря его превосходной светопроницаемости и возможности окрашивания до различной степени насыщения.

Полиакрилаты – полимеры эфира акриловой кислоты.

Это мягкие смолы, проявляющие хорошую стойкость действию света, нагревания и окисления. Они используются для сополимеризации с ПС, ПВХ, винилацетатом, акрилонитрилом и акриловыми эфирами. Упруго-эластичные сополимеры используют как основу для изоляции, при содержании акриловой кислоты более 20% они становятся водорастворимыми.

Полиакриламид. Акриламид легко полимеризуется с образованием линейного высокомолекулярного полимера под действием радикальных и ионных инициаторов, ультрафиолетового и радиационного излучения, ультразвука и др.

Основное применение полиакриламид находит в качестве недорогого водорастворимого полимера со свойствами полиэлектролита. Уникальные свойствами полиэлектролита, обеспечившими ему возможность широкого применения в качестве гелеобразователя, плёнкообразователя, флокулянта и коагулянта. Это хороший и недорогой коагулянт и флокулянт для очистки питьевой воды, технологических сточных вод, обогащения и регенерации полезных ископаемых и нефти.

Полиакрилонитрил (ПАН, PAN) получают полимеризацией акрилонитрила.

Практически весь производимый полиакрилонитрил используется для получения полиакрилонитрильных волокон (нитрон (в СССР), Orlon (Du Pont). ПАН получают из полиакрилонитрила или из сополимеров акрилонитрила с другими виниловыми мономерами (метакрилатом, винилацетатом и др.). В основном нитрон вырабатывают в виде штапельного волокна. Используются нитроновые волокна главным образом как заменители шерсти при производстве ковров, искусственного меха, как теплоизоляционный материал и добавка к шерстяным волокнам. Недостаткам полиакрилонитрильных волокон следует отнести их низкую гигроскопичность, сравнительно большую жесткость и малую устойчивость к стиранию. Кроме этого ПАН применяется в качестве сополимера со стиролом (АБС, САН) и бутадиеном (нитрильный каучук, полибутадиенакрилонитрил).

2.2. Поликонденсация

Поликонденсация – это процесс образования полимеров из двух- или полифункциональных соединений, который сопрово­ждается выделением побочного низкомолекулярного вещества (вода, спирты, галогенводороды и др.)

Вследствие выделения побочных продуктов, элементарный состав звена полимера отличается от элементарного состава исходных мономеров.

В основе реакций поликонденсации лежат реакции замещения, приводящие в каждом акте взаимодействия функциональных групп к образованию устойчивых соединений. Для поликондесации используют мономеры, содержащие не менее двух функциональных групп: -ОН, -СООН, -С1, -NН₂ и др.

Поликонденсация-ступенчатый процесс, при котором мономеры, взаимодействуя друг с другом, исчерпываются на сравнительно ранней стадии реакции, а высокомолекулярный полимер образуется обычно в результате реакций ранее образовавшихся олигомеров и полимерных цепей при глубине превращения функциональных групп, близкой к 100%.

2.2.1. Классификация реакций поликонденсации

В зависимости от числа участвующих в реакции мономеров различают гомополиконденсацию и гетерополиконденсацию.

Гомополиконденсация – реакция с участием одного мономера, например, синтез поли-ε-капроамида (найлона-6, капрон) из ε-аминокапроновой кислоты:

nН₂N-(CH₂)₅-СООН [-НN-(CH₂)₅-СО-]n + nН₂О

ε-аминокапроновая кислота поли-ε-капроамид

Гетерополиконденсация – это реакция с участием двух мономеров, у которых функциональные группы одного мономера реагируют с функциональными группами другого мономера, например, синтез найлона-66 поликонденсацией гексаметилендиамина и адипиновой кислоты:

nН₂N-(CH₂)₆-NH₂ + nНООС-(CH₂)₄ -СООН

гексаметилендиамин адипиновая кислота

[-HN-(CH₂)₆-NH-OC-(CH₂)₄-СО-]n + 2n Н₂О

полигексаметиленадипинат (найлон-66)

В зависимости от числа функциональных групп у мономеров получаются различные продукты:

· линейные (если участвуют в реакции две группы);

· трехмерные (при участии трёх или полифункциональных мономеров).

С целью получения таких полимеров к смеси мономеров нередко добавляют "сшивающие" полифункциональные компоненты

Особняком стоят реакции синтеза полимеров из циклических мономеров по механизму раскрытия цикла - присоединение, например, синтез найлона-6 из капролактама (циклического амида ε-аминокапроновой кислоты); несмотря на то, что выделение низкомолекулярного фрагмента при этом не происходит, такие реакции чаще относят к поликонденсации.

В отличие от полимеризации, при которой для получения определенного полимера обычно требуется один мономер, поликонденсационные полимеры одного типа можно синтезировать из мономеров с самыми разнообразными функциональных группами.

Например, при получении сложных полиэфиров:

· гидроксилсодержащие мономеры могут быть заменены на галогенсодержащие или сложные эфиры;

· вместо карбоновых кислот можно использовать их хлорангидриды, эфиры, соли, ангидриды и т. п.

Естественно, что при такой замене меняются закономерности и условия поликонденсации, тип катализа, характер концевых групп в образующихся макромолекулах и, кроме того, появляются возможности получения полимеров с заданным комплексом технологических и эксплуатационных свойств.

Процессы поликонденсации играют большую роль в природе и технике. Они лежат в основе образования:

· белков;

· целлюлозы;

· крахмала;

· нуклеиновых кислот

Например, при взаимодействии аминокислот образуются длинные цепочки протеинов.