Hvis forbindelsen mellom makromolekyler utføres ved hjelp av svake van der Waals-krefter, kalles de termoplast, hvis gjennom kjemiske bindinger - termohærdende. Lineære polymerer inkluderer for eksempel cellulose, forgrenede polymerer, for eksempel amylopektin, og det er polymerer med komplekse romlige tredimensjonale strukturer.
I strukturen til en polymer kan en monomerenhet skilles - et repeterende strukturelt fragment som inkluderer flere atomer. Polymerer består av et stort antall repeterende grupper (enheter) med samme struktur, for eksempel polyvinylklorid (-CH 2 -CHCl-) n, naturgummi osv. Høymolekylære forbindelser, hvis molekyler inneholder flere typer av repeterende grupper, kalles kopolymerer eller heteropolymerer.
En polymer dannes av monomerer som et resultat av polymerisasjons- eller polykondensasjonsreaksjoner. Polymerer inkluderer mange naturlige forbindelser: proteiner, nukleinsyrer, polysakkarider, gummi og andre organiske stoffer. I de fleste tilfeller refererer konseptet til organiske forbindelser, men det finnes også mange uorganiske polymerer. Et stort antall polymerer oppnås syntetisk basert på de enkleste forbindelser av elementer av naturlig opprinnelse gjennom polymerisasjonsreaksjoner, polykondensasjon og kjemiske transformasjoner. Navnene på polymerer er dannet fra navnet på monomeren med prefikset poly-: poly etylen, poly propylen, poly vinylacetat, etc.
Encyklopedisk YouTube
-
1 / 5
Spesielle mekaniske egenskaper
- elastisitet - evnen til å gjennomgå høye reversible deformasjoner under en relativt liten belastning (gummi);
- lav skjørhet av glassaktige og krystallinske polymerer (plast, organisk glass);
- evnen til makromolekyler til å orientere seg under påvirkning av et rettet mekanisk felt (brukt til fremstilling av fibre og filmer).
Funksjoner av polymerløsninger:
- høy løsningsviskositet ved lav polymerkonsentrasjon;
- Oppløsningen av polymeren skjer gjennom svellingsstadiet.
Spesielle kjemiske egenskaper:
- evnen til å dramatisk endre dens fysiske og mekaniske egenskaper under påvirkning av små mengder av et reagens (vulkanisering av gummi, garving av lær, etc.).
De spesielle egenskapene til polymerer forklares ikke bare av deres store molekylvekt, men også av det faktum at makromolekyler har en kjedestruktur og er fleksible.
Klassifisering
I henhold til deres kjemiske sammensetning er alle polymerer delt inn i organisk, organoelement, uorganisk.
- Organiske polymerer.
- Organiske elementpolymerer. De inneholder uorganiske atomer (Si, Ti, Al) i hovedkjeden av organiske radikaler, som kombineres med organiske radikaler. De finnes ikke i naturen. En kunstig oppnådd representant er organosilisiumforbindelser.
- Uorganiske polymerer. De inneholder ikke C-C-bindinger i den repeterende enheten, men er i stand til å inneholde organiske radikaler som sidesubstituenter.
Det skal bemerkes at i teknologi brukes polymerer ofte som komponenter av komposittmaterialer, for eksempel glassfiber. Komposittmaterialer er mulige, alle komponenter som er polymerer (med forskjellige sammensetninger og egenskaper).
Basert på formen til makromolekyler er polymerer delt inn i lineære, forgrenede (et spesialtilfelle er stjerneformet), bånd, flate, kamformede, polymernettverk, og så videre.
Polymerer er klassifisert etter polaritet (påvirker løselighet i ulike væsker). Polariteten til polymerenheter bestemmes av tilstedeværelsen i deres sammensetning av dipoler - molekyler med en isolert fordeling av positive og negative ladninger. I upolare enheter blir dipolmomentene til atombindinger gjensidig kompensert. Polymerer hvis enheter har betydelig polaritet kalles hydrofil eller polar. Polymerer med ikke-polare enheter - ikke-polar, hydrofobisk. Polymerer som inneholder både polare og ikke-polare enheter kalles amfifil. Homopolymerer, som hver enhet inneholder både polare og ikke-polare store grupper, foreslås kalt amfifile homopolymerer.
I forhold til oppvarming er polymerer delt inn i termoplast Og termoherdende. Termoplast polymerer (polyetylen, polypropylen, polystyren) mykner når de varmes opp, smelter jevnt og stivner når de avkjøles. Denne prosessen er reversibel. Termosett Ved oppvarming gjennomgår polymerer irreversibel kjemisk ødeleggelse uten å smelte. Molekyler av varmeherdende polymerer har en ikke-lineær struktur oppnådd ved tverrbinding (for eksempel vulkanisering) av kjedepolymermolekyler. De elastiske egenskapene til termoherdende polymerer er høyere enn termoplastiske, men termoherdende polymerer har praktisk talt ingen fluiditet, som et resultat av at de har en lavere bruddspenning.
Naturlige organiske polymerer dannes i plante- og dyreorganismer. De viktigste av dem er polysakkarider, proteiner og nukleinsyrer, som i stor grad utgjør kroppene til planter og dyr og som sikrer selve livets funksjon på jorden. Det antas at det avgjørende stadiet i fremveksten av liv på jorden var dannelsen av mer komplekse, høymolekylære molekyler fra enkle organiske molekyler (se Kjemisk evolusjon).
Typer
Syntetiske polymerer. Kunstige polymermaterialer
Mennesket har brukt naturlige polymermaterialer i livet sitt i lang tid. Disse er lær, pels, ull, silke, bomull, etc., brukt til fremstilling av klær, forskjellige bindemidler (sement, kalk, leire), som med passende bearbeiding danner tredimensjonale polymerlegemer, mye brukt som byggematerialer . Den industrielle produksjonen av kjedepolymerer startet imidlertid på begynnelsen av 1900-tallet, selv om forutsetningene for dette dukket opp tidligere.
Nesten umiddelbart utviklet den industrielle produksjonen av polymerer seg i to retninger - ved å bearbeide naturlige organiske polymerer til kunstige polymermaterialer og ved å produsere syntetiske polymerer fra organiske lavmolekylære forbindelser.
I det første tilfellet er storskalaproduksjon basert på cellulose. Det første polymermaterialet fra fysisk modifisert cellulose - celluloid - ble oppnådd på midten av 1800-tallet. Storskala produksjon av celluloseetere og estere ble etablert før og etter andre verdenskrig og fortsetter til i dag. Filmer, fibre, maling og lakk og fortykningsmidler produseres på grunnlag av disse. Det skal bemerkes at utviklingen av kino og fotografering bare var mulig takket være bruken av gjennomsiktig nitrocellulosefilm.
Produksjonen av syntetiske polymerer startet i 1906, da Leo Baekeland patenterte den såkalte bakelittharpiksen – et kondensasjonsprodukt av fenol og formaldehyd, som blir til en tredimensjonal polymer ved oppvarming. I flere tiår har det blitt brukt til å lage hus for elektriske apparater, batterier, fjernsyn, stikkontakter, etc., og brukes nå oftere som bindemiddel og lim.
Takket være innsatsen til Henry Ford, før første verdenskrig, begynte den raske utviklingen av bilindustrien, først på grunnlag av naturlig, deretter også syntetisk gummi. Produksjonen av sistnevnte ble mestret på tampen av andre verdenskrig i Sovjetunionen, England, Tyskland og USA. I løpet av de samme årene ble den industrielle produksjonen av polystyren og polyvinylklorid, som er utmerkede elektriske isolasjonsmaterialer, så vel som polymetylmetakrylat, mestret - uten organisk glass kalt "plexiglass", ville masseflyproduksjon vært umulig i krigsårene.
Etter krigen ble produksjonen av polyamidfiber og stoffer (nylon, nylon), som hadde startet før krigen, gjenopptatt. På 50-tallet av det 20. århundre ble polyesterfiber utviklet og produksjonen av stoffer basert på det under navnet lavsan eller polyetylentereftalat ble mestret. Polypropylen og nitron - kunstig ull laget av polyakrylnitril - lukker listen over syntetiske fibre som moderne mennesker bruker til klær og industrielle aktiviteter. I det første tilfellet er disse fibrene veldig ofte kombinert med naturlige fibre fra cellulose eller protein (bomull, ull, silke). En epokehendelse i polymerverdenen var oppdagelsen på midten av 50-tallet av det 20. århundre og den raske industrielle utviklingen av Ziegler-Natta-katalysatorer, som førte til fremveksten av polymermaterialer basert på polyolefiner og fremfor alt polypropylen og lav -densitetspolyetylen (før dette ble produksjonen av polyetylen mestret ved et trykk i størrelsesorden 1000 atm.), samt stereoregulære polymerer i stand til krystallisering. Deretter ble polyuretaner introdusert i masseproduksjon - de vanligste tetningsmidlene,
Begrepet "polymerisme" ble introdusert i vitenskapen av J. Berzelius i 1833 for å betegne en spesiell type isomerisme, der stoffer (polymerer) med samme sammensetning har forskjellige molekylvekter, for eksempel etylen og butylen, oksygen og ozon. Dermed samsvarte ikke innholdet i begrepet med moderne ideer om polymerer. "Ekte" syntetiske polymerer var ennå ikke kjent på den tiden.
En rekke polymerer ble tilsynelatende oppnådd i første halvdel av 1800-tallet. Imidlertid prøvde kjemikere vanligvis å undertrykke polymerisering og polykondensasjon, noe som førte til "harpiksdannelse" av produktene fra den viktigste kjemiske reaksjonen, det vil si faktisk til dannelsen av polymerer (til nå ble polymerer ofte kalt "harpikser"). De første omtalene av syntetiske polymerer dateres tilbake til 1838 () og 1839 (polystyren).
Polymerkjemi oppsto bare i forbindelse med opprettelsen av A. M. Butlerov av teorien om kjemisk struktur (tidlig på 1860-tallet). A. M. Butlerov studerte forholdet mellom strukturen og den relative stabiliteten til molekyler, manifestert i polymerisasjonsreaksjoner. ER. Butlerov foreslo å vurdere evnen til umettede forbindelser til å polymerisere som et kriterium for deres reaktivitet. Det er her de klassiske verkene innen polymerisasjons- og isomeriseringsprosesser av A. E. Favorsky, V. N. Ipatiev og S. V. Lebedev stammer fra. Fra studier av petroleumshydrokarboner av V.V. Markovnikov og deretter av N.D. Zelinsky, strekker trådene seg til moderne arbeid med syntese av alle slags monomerer fra petroleumsråvarer.
Det skal bemerkes her at fra begynnelsen utviklet den industrielle produksjonen av polymerer seg i to retninger: ved å behandle naturlige polymerer til kunstige polymermaterialer og produsere syntetiske polymerer fra organiske lavmolekylære forbindelser. I det første tilfellet er storskala produksjon basert på cellulose; det første materialet fra fysisk modifisert cellulose, cellofan, ble oppnådd i 1908.
Vitenskapen om å syntetisere polymerer fra monomerer viste seg å være et mye større fenomen når det gjelder oppgavene forskerne står overfor.
Til tross for oppfinnelsen av en metode for å produsere fenol-formaldehyd-harpikser av Baekeland på begynnelsen av 1900-tallet, var det ingen forståelse av polymerisasjonsprosessen. Først i 1922 la den tyske kjemikeren Hermann Staudinger frem definisjonen av et makromolekyl - en lang struktur av atomer forbundet med kovalente bindinger. Han var den første som etablerte forholdet mellom molekylvekten til en polymer og viskositeten til løsningen. Deretter studerte den amerikanske kjemikeren Herman Mark formen og størrelsen på makromolekyler i løsning.
Så på 1920-1930-tallet. Takket være det avanserte arbeidet til N. N. Semenov innen kjedereaksjoner, ble en dyp likhet mellom polymeriseringsmekanismen med kjedereaksjonene som N. N. Semenov studerte oppdaget.
På 30-tallet eksistensen av frie radikaler (G. Staudinger og andre) og ioniske (F. Whitmore og andre) polymeriseringsmekanismer ble bevist.
I USSR på midten av 1930-tallet. S.S. Medvedev formulerte konseptet "initiering" av polymerisasjon som et resultat av dekomponering av peroksidforbindelser med dannelse av radikaler. Han kvantifiserte også kjedeoverføringsreaksjoner som prosesser som regulerer molekylvekten. Forskning på mekanismene for polymerisering av frie radikaler ble utført frem til 1950-tallet.
En viktig rolle i utviklingen av ideer om polykondensasjon ble spilt av arbeidet til W. Carothers, som introduserte konseptene monomerfunksjonalitet, lineær og tredimensjonal polykondensasjon i kjemien til høymolekylære forbindelser. I 1931, sammen med J.A. Newland, syntetiserte han kloroprengummi (neopren) og utviklet i 1937 en metode for å produsere polyamid for støping av nylon-type fibre.
På 1930-tallet Læren om strukturen til polymerer utviklet seg også; A.P. Aleksandrov utviklet den først på 30-tallet. ideer om avslappende natur deformasjon av polymerlegemer; V.A. Kargin installerte den på slutten av 30-tallet. faktum av termodynamisk reversibilitet av polymerløsninger og formulerte et system av ideer om de tre fysiske tilstandene til amorfe høymolekylære forbindelser.
Før andre verdenskrig mestret de mest utviklede landene den industrielle produksjonen av SC, polystyren, polyvinylklorid og polymetylmetakrylat.
På 1940-tallet Den amerikanske fysikalske kjemikeren Flory ga betydelige bidrag til teorien om polymerløsninger og den statistiske mekanikken til makromolekyler; Flory skapte metoder for å bestemme strukturen og egenskapene til makromolekyler fra målinger av viskositet, sedimentasjon og diffusjon.
En epokegjørende begivenhet innen polymerkjemi var oppdagelsen av K. Ziegler på 1950-tallet. metallkomplekskatalysatorer, noe som førte til fremveksten av polymerer basert på polyolefiner: polyetylen og polypropylen, som begynte å bli produsert ved atmosfærisk trykk. Deretter ble polyuretaner (spesielt skumgummi), så vel som polysiloksaner, introdusert i masseproduksjon.
På 1960-1970-tallet. Unike polymerer ble oppnådd - aromatiske polyamider, polyimider, polyeterketoner, som inneholder aromatiske ringer i deres struktur og preget av enorm styrke og varmebestandighet. Spesielt på 1960-tallet. Kargin V.A. og Kabanov V.A. la grunnlaget for en ny type polymerdannelse - kompleks-radikal polymerisering. De viste at aktiviteten til umettede monomerer i radikale polymerisasjonsreaksjoner kan økes betydelig ved å binde dem til komplekser med uorganiske salter. Dette er hvordan polymerer av inaktive monomerer ble oppnådd: pyridin, kinolin, etc.
Menneskets første bekjentskap med gummi skjedde på 1400-tallet. På ca. Haiti H. Columbus og hans følgesvenner så de innfødtes rituelle leker med baller laget av elastisk treharpiks. I følge notatene til Charles Marie de la Condamine, publisert i 1735, lærte europeere at treet som gummi utvinnes fra kalles "Heve" på språket til de peruanske indianerne. Når barken på et tre kuttes frigjøres en saft, som kalles latex på spansk. Lateks ble brukt til å impregnere stoffer.
På begynnelsen av 1800-tallet startet forskningen på gummi. I 1823 organiserte engelskmannen Karl Mackintosh produksjonen av vanntette gummierte stoffer og regnfrakker basert på dem. Engelskmannen Thomas Hancock oppdaget fenomenet plastisering av gummi i 1826. Så begynte forskjellige tilsetningsstoffer å bli introdusert i plastifisert gummi og teknologien for fylte gummiblandinger oppsto. I 1839 oppdaget amerikanske Charles Goodyear en metode for å produsere non-stick, slitesterk gummi ved å varme opp gummi med blyoksid og svovel. Prosessen ble kalt vulkanisering. I andre halvdel av 1800-tallet vokste etterspørselen etter naturgummi raskt. På 1890-tallet. De første gummidekkene dukker opp. Et stort antall gummiplantasjer dukker opp i forskjellige varme land (for tiden Indonesia og Malaysia) er ledende innen produksjon av naturgummi.
I 1825 fant Michael Faraday, mens han studerte pyrolysen av naturgummi, at den enkleste formelen er C 5 H 8. I 1835 ble den tyske kjemikeren F.K. Himmli var den første som isolerte isopren C5H8. I 1866 oppnådde den franske kjemikeren Pierre Berthelot butadien ved å føre en blanding av etylen og acetylen gjennom et oppvarmet jernrør.
I 1860-1870-årene. ER. Butlerov fant ut strukturen til mange olefiner og polymeriserte mange av dem, spesielt isobutylen under virkningen av svovelsyre.
I 1878 ble den russiske kjemikeren A.A. Krakau oppdaget evnen til å polymerisere umettede forbindelser under påvirkning av alkalimetaller.
I 1884 beviste den engelske kjemikeren W. Tilden at han oppnådde isopren fra termisk dekomponering av terpentin, han etablerte også sammensetningen og strukturen til isopren, og foreslo at tendensen til isopren til å polymerisere kan brukes til å produsere syntetisk gummi. På 1870-tallet. Den franske kjemikeren G. Bouchard isolerte isopren fra produktene av termisk nedbrytning av gummi, ved å behandle det med høy temperatur og saltsyre, oppnådde han et gummilignende produkt.
I 1901-1905 V.N. Ipatiev syntetiserte butadien fra etylalkohol ved høyt trykk på 400-500 atm. Han var den første som polymeriserte etylen i 1913, noe ingen andre forskere hadde vært i stand til før.
I 1908 ble M.K. Kucherov oppnådde natriumisoprengummi (resultatet ble publisert i 1913).
I 1909 ble S.V. Lebedev var den første som demonstrerte gummi hentet fra divinyl.
Tilbake i 1899 utviklet I. L. Kondakov en metode for å produsere dimetylbutadien og beviste at sistnevnte er i stand til å bli til en gummilignende substans under påvirkning av lys, samt visse reagenser, som natrium. Basert på Kondakovs arbeid i Tyskland i 1916, organiserte Fritz Hoffmann produksjonen av den såkalte. metylgummi: hard (“H”) og myk (“W”) syntetisk gummi.
I 1910 patenterte Carl Dietrich Harries en metode for polymerisering av isopren under påvirkning av natriummetall. I 1902 utviklet han en metode for ozonering av gummi og ved hjelp av denne metoden etablerte han strukturen til ulike typer gummier.
I 1911 oppnådde I. I. Ostromyslensky butadien fra acetaldehyd. I 1915 fikk B.V. Byzov patent på produksjon av butadien ved pyrolyse av olje.
Fra andre halvdel av 1800-tallet var innsatsen til mange kjemikere fra forskjellige land rettet mot å studere metoder for å produsere monomerer og metoder for deres polymerisering til gummiaktige forbindelser. I 1911 foreslo I. I. Ostromyslensky produksjon av butadien fra alkohol i tre trinn med et utbytte på 12%. I Russland ble dette arbeidet vurdert svært høyt. Faktum er at russiske kjemikere, i motsetning til vestlige kjemikere, søkte å skaffe syntetisk gummi fra butadien, og ikke isopren. Det er mulig at det var nettopp takket være dette og tilstedeværelsen av en stor alkoholbase i Russland at det ble mulig å lage en teknisk base for produksjon av syntetisk gummi i Russland.
I 1926 kunngjorde det øverste økonomiske rådet i USSR en konkurranse for utvikling av en teknologi for produksjon av syntetisk gummi, i samsvar med vilkårene som 1. januar 1928 var nødvendig å sende inn en beskrivelse av prosessen og kl. minst 2 kg gummi oppnådd ved denne metoden. Prosjektene til Lebedev S.V. og Byzov B.V. viste seg å være de mest utviklede. Begge prosjektene innebar produksjon av syntetisk gummi fra butadien. Lebedev foreslo produksjon av butadien fra alkohol i ett trinn ved å bruke en katalysator han utviklet som hadde dehydrogenerende og dehydrerende egenskaper. Byzov foreslo å produsere butadien fra petroleumshydrokarboner. Til tross for de store prestasjonene til russiske og sovjetiske kjemikere innen oljeraffinering, var det ingen råvarebase for produksjon av butadien ved bruk av Byzov-metoden. Derfor bestemte Arbeids- og forsvarsrådet i januar 1931 å bygge tre store lignende SK-anlegg ved å bruke Lebedev-metoden. Leningrad-eksperimentanlegget "Liter B" (nå VNIISK) ble opprettet, der i 1931 ble det første partiet med divinylgummi produsert. I 1932-1933 SK-fabrikker begynte å operere i Yaroslavl, Voronezh, Efremov og Kazan.
I 1941 ble et kloroprengummianlegg lansert i Jerevan.
I 1935 begynte en ny æra i produksjonen av syntetisk gummi - de begynte å bli laget av kopolymerer oppnådd ved radikal polymerisering av 1,3-butadien i nærvær av styren, akrylnitril og andre forbindelser. I 1938 ble det organisert industriell produksjon av styren-butadien-gummi i Tyskland, og i 1942 ble det organisert storskala produksjon av syntetisk gummi i USA.
Det skal her bemerkes at det etter 1945 skjedde et gradvis skifte bort fra produksjon av butadien fra matalkohol med en gradvis overgang til produksjon av monomerer fra olje.
I 1948 slo Korotkov fast at de fysiske og mekaniske egenskapene til polymeren forbedres med en økning i innholdet av addisjonsenheter ved cis-1,4-posisjonene; det største antallet cis-enheter dannes i nærvær av organolitiumforbindelser.
I 1955 oppdaget K. Ziegler nye katalytiske systemer som leder polymeriseringsprosessen ved å bruke en ionisk mekanisme for å produsere polymermaterialer som ligner på de som oppnås i nærvær av litium. Deretter ble disse studiene utdypet i Italia i laboratoriet til Giulio Natta.
Den innenlandske industrielle polyisopren produsert på litiumkatalysatorer ble kalt SKI, og den som ble oppnådd i nærvær av Ziegler-Natta katalytiske systemer ble kjent under forkortelsen SKI-3.
I 1956 ble det foreslått en metode for produksjon av stereoregulære polybutadiengummier (SKD), som var overlegne i frostbestandighet og slitestyrke enn gummier oppnådd fra naturgummi og SKI-3.
Polymerer ble oppnådd basert på doble kopolymerer av etylen og propylen - SKEPs (1955-1957). Disse gummiene har ikke dobbeltbindinger i polymerstrukturen; av denne grunn er gummier basert på dem svært motstandsdyktige i aggressive miljøer, i tillegg er de motstandsdyktige mot slitasje.
På 1960-tallet Den industrielle produksjonen av SKD- og SKI-3-gummi ble mestret i Sterlitamak, Togliatti og Volzhsk. Generelt brukte alle disse foretakene monomerer hentet fra olje i stedet for fra alkohol som råstoff.
Kopolymerer av butadien og isopren begynte raskt å erstatte naturgummi i produksjonen av bildekk. Så hvis i 1950 andelen av K. s. i den totale produksjonen av naturlig og syntetisk gummi var ca. 22%, i 1960 ca. 48%, deretter i 1971 økte den til ~60% (5 millioner tonn syntetisk og 3 millioner tonn naturgummi), i 1985 var det 12 millioner tonn syntetisk gummi ble produsert og bare 4 millioner tonn naturgummi. På begynnelsen av 1970-tallet. Det var en oppfatning at syntetisk gummi ville erstatte naturlige. Men som følge av oljeembargoen i 1973 økte oljeprisene kraftig og samtidig ble det gjort store fremskritt i produksjonen av naturgummi i Malaysia, noe som gjorde det mulig å redusere prisen kraftig. Den dag i dag er det ikke mulig å kvitte seg med naturgummi i dekkindustrien. Dermed er Japan, som ikke har egne naturlige oljereserver, mer lønnsomt å kjøpe naturgummi fra Malaysia og Indonesia. Russland, som har store oljereserver, bør ikke i noe tilfelle neglisjere eksisterende teknologier og kapasiteter for produksjon av syntetisk gummi.
Intens utvikling innen gummiteknologi i USSR og Tyskland før andre verdenskrig ble forklart med at disse landene forsto at de i tilfelle krig ville bli avskåret fra forsyninger av naturgummi. USA nærmet seg problemet annerledes; USA forsøkte å opprette en strategisk reserve av naturgummi. Som livet har vist, var ikke reservene nok da Japan invaderte Sørøst-Asia i 1941. Av det som allerede er skrevet er det klart at gummi spilte en viktig rolle i verdenspolitikken.
Fenol-formaldehyd-harpikser.
Verdens første prosess for industriell produksjon av en helsyntetisk polymer ble patentert av L. Baekeland i 1907. L. Baekeland patenterte den såkalte. Bakelittharpiks er et kondensasjonsprodukt av fenol og formaldehyd, som blir til en tredimensjonal polymer ved oppvarming. Bakelitt har vært brukt i flere tiår som materiale for elektriske kapslinger og brukes nå som bindemiddel og lim. Oppdageren av reaksjonen mellom fenol og formaldehyd var A. Bayer, som observerte dannelsen av harpiks i denne reaksjonen tilbake i 1872, men han var ikke interessert i resultatet. Fra 1940-tallet til midten av 1970-tallet. På grunn av fremveksten av nye typer plast, var andelen fenolharpiks raskt synkende. Men fra og med 1975 begynte den raske veksten i produksjonen av disse polymerene igjen for behovene til luftfart, raketter, astronautikk, etc., samt på grunn av fallet i oljereservene. Faktum er at fenol er hentet fra kull, hvis reserver uforlignelig overstiger olje. I tillegg, basert på fenol-formaldehyd-harpikser, var det et bredt spekter av materialer for varmeisolasjonsbehov (sponplater, fiberplater), som ble relevante i kampen mot energikrisen.
Polyetylen og polypropylen.
Etylen er ekstremt vanskelig å polymerisere. Polymerisering av etylen ble først observert i 1933 som en bireaksjon. Allerede i 1937 utviklet engelske kjemikere den første industrielle metoden for produksjon av polyetylen, og i 1946 begynte produksjonen av polyetylenflasker.
I 1954 oppdaget Karl Ziegler og Giulio Natta en ny organometallisk katalysator, takket være hvilken de var i stand til å utføre ionisk polymerisasjon av polyetylen ved atmosfærisk trykk og en temperatur på 60 ° C.
De oppnådde også stereoregulær polypropylen ved å bruke en metallkomplekskatalysator.
Polytetrafluoretylen (Teflon).
Den ble ved et uhell oppdaget i 1938 av R. Plunkett, som observerte den spontane dannelsen av en hvit pulveraktig masse i sylindre med tetrafluoretylen. I 1941 patenterte han teknologien sin (USA, DuPont). I 1954 foreslo den franske ingeniøren Marc Gregor bruk av teflon som belegg for kokekar. Teflon er ekstremt kjemisk inert, og mykgjøringstemperaturen når nesten 300 0 C.
Polystyren.
I 1866 identifiserte M. Berthelot dannelsen av en fast masse fra styren ved oppvarming som en polymerisasjonsprosess. I 1946 etablerte G. Staudinger mekanismen for denne reaksjonen. Polystyren ble først produsert i Tyskland i 1931.
Polymetylmetakrylat.
Polymetylmetakrylat (PMMA) eller plexiglass eller plexiglass ble opprettet i 1928. I 1933 begynte produksjonen av PMMA i Tyskland, i 1936 ble PMMA oppnådd i USSR ved Plastics Research Institute. Polymeren er mye brukt i luftfartsindustrien, bilindustrien og konstruksjon.
Polyvinylklorid.
Polymerisasjonen av vinylklorid ble først utført i 1872 av den tyske kjemikeren Eugen Baumann. Fortjenesten til denne forskeren var utviklingen av en metode for radikal polymerisering av vinylklorid i nærvær av organiske peroksider. Aktiv praktisk bruk av polyvinylklorid (PVC) begynte først på midten av 1900-tallet. Problemet var at ren PVC har mange ulemper. Ved romtemperatur er den veldig sprø og uelastisk. I tillegg er det vanskelig å oppløse eller smelte, noe som gjør polymeren svært vanskelig å resirkulere. På 30-tallet Forskere har klart å finne stabilisatorer som øker PVCs motstand mot varme og lys. Et nytt materiale - myknet polyvinylklorid - har blitt utbredt.
Den første kjemiske fiberen ble oppnådd i 1884 av den franske kjemikeren N. Chardonnay. Hans hovedforskning er knyttet til utviklingen av nitrocellulosefiberteknologi (nitrosilk). I 1892 ble produksjonsmetoden for viskosefiber mestret. De første acetatfibrene begynte å produseres samtidig i England og USA.
Polyvinylkloridfibre begynte å bli produsert i 1934, og fibre basert på en kopolymer av vinylklorid med vinylacetat (vignon) siden 1937. I 1939. polyamidfibre dukket opp, og i 1943 polyakrylnitril (Orlon).
Opprettelsen av fiberteknologi er assosiert med navnene på slike forskere som Cloete, som spådde muligheten for å produsere fibre fra polyvinylklorid tilbake i 1913, og G. Staudinger, som i 1927 skaffet fibre fra en smelte av polyoksymetylen og polyetylenoksyd.
I USSR, uavhengig av USA og Tyskland, ble resultatene av forskning fra Knunyants, Rogovin og Romashevsky på produksjon av polyamidfibre publisert i 1947.
I 1936 ble teknologien til syntetisk polyheksametylenadipamid opprettet, på grunnlag av hvilken produksjonen av nylonfiber begynte i 1939.
I USA begynte produksjonen av nylon-6,6-fiber basert på kaprolaktam i 1939.
Teknologien til polyakrylnitrilfibre ble utviklet samtidig og uavhengig i USA og Tyskland; i 1934 begynte USA å produsere polyamidfiber ved DuPont-anlegget. I Tyskland begynte produksjonen flere år senere.
I USSR ble det første partiet med nylonfiber produsert i 1948; i 1957 begynte den første installasjonen for produksjon av lavsanfiber å operere; på 1960-tallet. produksjon av "nitron" fiber basert på polyakrylnitril begynte.
Helt i begynnelsen var bedrifter som produserte kjemiske fibre høyt spesialiserte, men etter hvert som utvalget av fibre økte, utvidet profilen til kjemiske fiberfabrikker seg, og de produserte allerede 3-4 typer fibre.
Fram til midten av 1930-tallet. All produksjon av maling og lakk i vårt land var basert på importerte råvarer. Først i 1936 begynte produksjonen av glyfthaliske harpikser for produksjon av tilsvarende lakk å utvikle seg. Syntesen av alkydharpikser ved å reagere glyserin, kolofonium og tungolje frigjorde landet fra import av kopaler (kopal er en hard, ravlignende naturlig harpiks).
I 1947-1948 Workshops for produksjon av urea, melamin og fenol-formaldehydharpikser ble lansert i Moskva og Yaroslavl. Utviklingen av pentaftalharpikser begynte, der glyserin ble erstattet av pentaerytritol.
Siden 1951 startet produksjonen av lakk basert på perklorovinylharpikser for luftfartsindustrien og jernbanetransport. På 1950-tallet Alkoholløselige lakker ble laget basert på kopolymerer av butylmetakrylat med metylmetakrylat, metakrylamid, akrylnitril og metakrylsyre. Det ble laget flere titalls merker med lakk, grunning og emaljer, inkl. lakk DS-583, som fortsatt produseres den dag i dag. Samtidig ble produksjonen av A-15, en kopolymer av vinylklorid med vinylacetat, mestret. Kombinasjonen av A-15 med epoksyharpikser gjorde det mulig å lage anti-korrosjonsmaling og redusere antall malingslag under påføring.
Siden 1956 har nitro-emaljer til biler blitt fullstendig erstattet av alkyd-melamin.
I 1963 ble produksjonen av epoksyharpikser for behovene til malings- og lakkindustrien, samt bunnhindrende belegg basert på klorert polyvinylklorid mestret.
I 1976-1980 Forsknings- og produksjonsforeninger og et uavhengig forsknings- og designinstitutt for uorganiske pigmenter og skipsbelegg ble opprettet.
For tiden brukes nesten alle typer polymermaterialer til å produsere malings- og lakksammensetninger til forskjellige formål: epoksyharpikser, uretanelastomerer, kloroprengummi, fluorgummi, polyakrylater, polyorganosiloksaner, etc.
1. Encyclopedia of polymers in 3 volumes M.: Forlag "Sovjet Encyclopedia", 1974-1977.
2. Kjemisk leksikon i 5 bind. M.: Great Russian Encyclopedia, 1992.
3. K. Manalov Store kjemikere i 2 bind, M.: Mir, 1986.
4. O. I. Tuzhikov Historie og metodikk for utviklingen av polymervitenskap og industri, Volgograd: 1999.
5. V. Strube. Måter for utvikling av kjemi i 2 bind, bind 2., M.: Mir, 1984.
6. J. H. Briston, L. L. Katan Polymer films M.: Chemistry, 1993.
7. Yu. D. Semchikov Høymolekylære forbindelser M.: Publishing Center "Academy", 2003.
Polymerer
Det er imidlertid mange retninger som gjør det mulig å bruke gigantiske molekyler til fredelige formål. Så hvis helnitrert cellulose er et eksplosiv og bare kan brukes som sådan, så er delvis nitret cellulose ( pyroxylin) er tryggere å håndtere og kan brukes ikke bare til militære formål.
Den amerikanske oppfinneren John Wesley Hyatt (1837-1920), som prøvde å vinne en pris etablert for å lage en elfenbenserstatning for biljardballer, ga først og fremst oppmerksomhet til delvis nitreert cellulose. Han løste det opp i en blanding av alkohol og eter og tilsatte kamfer for å gjøre det nye stoffet lettere å behandle. I 1869 hadde Hyatt det han kalte celluloid, og vant en premie. Celluloid var den første syntetiske plast- et materiale som kan støpes i former.
Imidlertid, som det viste seg, kan delvis nitreert cellulose ikke bare støpes til kuler, men også trekkes til fibre og filmer. Den franske kjemikeren Louis Marie Guillard Bernigo, greve av Chardonnay (1839-1924), oppnådde slike fibre ved å presse en nitrocelluloseløsning gjennom svært tynne hull. Løsningsmidlet fordampet nesten umiddelbart.
Fra de resulterende fibrene var det mulig å veve et materiale som lignet silke i sin glans. I 1884 patenterte Chardonnay sin rayon. Chardonnay kalte dette stoffet region- avgir lys, ettersom stoffet lyste og så ut til å sende ut lys.
Utseendet til plastfilmer skylder vi den amerikanske oppfinneren George Eastman (1854-1932). Eastman var interessert i fotografering. I et forsøk på å forenkle utviklingsprosessen begynte han å blande en emulsjon av sølvforbindelser med gelatin for å gjøre emulsjonen tørr. Blandingen oppnådd på denne måten kan lagres og derfor klargjøres for fremtidig bruk. I 1884 erstattet Eastman glassplater med celluloid.
Celluloid er ikke-eksplosiv, men det er svært brannfarlig, noe som kan forårsake brann, så Eastman begynte å lete etter mindre brennbare materialer. Når acetylgrupper ble introdusert i cellulose i stedet for nitrogrupper, forble det resulterende produktet like plastisk som nitrocellulose, men det var ikke lenger brennbart. Siden 1924 begynte celluloseacetatfilmer å bli brukt i produksjon av film, siden den utviklende filmindustrien hadde spesielt behov for en celluloiderstatning.
Ved å studere høymolekylære naturlige forbindelser, håpet kjemikere ikke bare å få sine syntetiske analoger, men også å oppdage nye typer forbindelser. En av metodene for syntese av gigantiske molekyler er polymerisering av monomerer(monomer er et stoff hvis molekyler er i stand til å reagere med hverandre eller med molekyler av andre stoffer for å danne en polymer).
Metoden for å kombinere monomerer til et gigantisk molekyl kan i det minste forklares ved å bruke eksemplet med etylen C 2 H 4. La oss skrive strukturformlene til to etylenmolekyler:
La oss forestille oss at et hydrogenatom har flyttet fra ett molekyl til et annet, som et resultat, i stedet for en dobbeltbinding, vises en fri enkeltbinding i dette molekylet. En fri binding dukket også opp i det første molekylet som hydrogen forlot. Derfor kan disse to molekylene forbindes med hverandre.
Et slikt molekyl inneholder allerede fire karbonatomer og én dobbeltbinding, akkurat som det opprinnelige etylenmolekylet. Derfor, når dette molekylet interagerer med et annet etylenmolekyl, kan forskyvning av et hydrogenatom og brudd av dobbeltbindingen også forekomme. Det resulterende molekylet vil inneholde seks karbonatomer og en dobbeltbinding. På denne måten kan et molekyl med åtte, ti eller flere karbonatomer oppnås suksessivt. Faktisk er det mulig å oppnå molekyler av nesten hvilken som helst gitt lengde på denne måten.
Den amerikanske kjemikeren Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) lette etter en erstatning for skjellakk, et voksaktig stoff som skilles ut av visse arter av tropiske insekter. Til dette formålet trengte han en løsning av et klebrig tjærelignende stoff. Baekeland begynte med å polymerisere fenol og formaldehyd og skaffe en polymer som han ikke kunne finne et løsningsmiddel for. Dette faktum førte ham til ideen om at en så solid, praktisk talt uløselig og, som det viste seg, ikke-ledende polymer kunne vise seg å være et verdifullt materiale. Det kan for eksempel støpes deler som enkelt kan bearbeides på maskiner. I 1909 rapporterte Baekeland om materialet han hadde fått tak i, som han kalte bakelitt. Denne fenol-formaldehydharpiksen var den første syntetiske plasten, som forblir uovertruffen i en rekke egenskaper.
Syntetiske fibre har også funnet anvendelse. Denne retningen ble ledet av den amerikanske kjemikeren Wallace Hume Carothers (1896-1937). Sammen med den amerikanske kjemikeren Julius Arthur Newland (1878-1936) undersøkte han gummirelatert elastomerer. Resultatet av arbeidet hans var kvitteringen i 1932. neopren- en av de syntetiske gummiene.
Carothers fortsatte sin studie av polymerer og forsøkte å polymerisere en blanding av diaminer og dikarboksylsyrer og oppnådde en fibrøs polymer. De lange molekylene til denne polymeren inneholder kombinasjoner av atomer som ligner på peptidbindingene (se avsnittet "Proteiner") i silkeprotein. Ved å trekke ut disse fibrene får vi det vi kaller i dag nylon. Carothers fullførte dette arbeidet like før hans for tidlige død. Utbruddet av andre verdenskrig tvang kjemikere til midlertidig å glemme Carothers' oppdagelse. Etter krigens slutt begynte imidlertid nylon å fortrenge silke og erstattet det snart (spesielt i produksjonen av strømper).
De første syntetiske polymerene ble oppnådd, som regel ved en tilfeldighet, ved prøving og feiling, siden lite var kjent på den tiden om strukturen til gigantiske molekyler og polymeriseringsmekanismen. Den tyske kjemikeren Hermann Staudinger (1881-1965) var den første som studerte strukturen til polymerer og gjorde mye på dette området. Staudinger klarte å avsløre det generelle prinsippet for konstruksjon av mange høymolekylære naturlige og kunstige stoffer og skissere måter for forskning og syntese deres. Takket være Staudingers arbeid ble det klart at tilsetning av monomerer til hverandre kan skje tilfeldig og føre til dannelse av forgrenede kjeder, hvis styrke er mye lavere.
Intensive søk begynte etter måter å skaffe lineære, uforgrenede polymerer. Og i 1953 oppdaget den tyske kjemikeren Karl Ziegler (1898-1973) sin berømte titan-aluminium-katalysator, som produserte polyetylen med en vanlig struktur.
Den italienske kjemikeren Giulio Natta (1903-1979) modifiserte Zieglers katalysator og utviklet en metode for å produsere en ny klasse av syntetiske høymolekylære forbindelser - stereoregulære polymerer. En metode for å produsere polymerer med ønskede egenskaper ble utviklet.
En av hovedkildene til essensielle organiske forbindelser som trengs for produksjon av nye syntetiske produkter er olje. Denne væsken har vært kjent siden antikken, men for å bruke den i store mengder, var det nødvendig å finne en måte å pumpe olje ut av store underjordiske forekomster. Den amerikanske oppfinneren Edwin Laurentian Drake (1819-1880) var den første som begynte å bore oljebrønner i 1859. Et århundre senere ble olje hovedkilden til organiske forbindelser, varme og energi.
En enda viktigere kilde til økologiske produkter er kull, selv om vi i forbrenningsmotorenes tidsalder har en tendens til å glemme det. Den russiske kjemikeren Vladimir Nikolaevich Ipatiev (1867-1952) begynte ved århundreskiftet å studere komplekse hydrokarboner inneholdt i olje og kulltjære, og spesielt å studere deres reaksjoner ved høye temperaturer. Den tyske kjemikeren Friedrich Karl Rudolf Bergius (1884-1949), ved hjelp av data fra Ipatiev, utviklet i 1912 praktiske metoder for å behandle kull og olje med hydrogen for å produsere bensin.
Imidlertid verdensreserver fossilt brensel(kull pluss olje) er begrensede og uerstattelige. Alle prognoser tyder på at det vil komme en dag da fossile brenselreserver vil bli oppbrukt, og at denne dagen ikke er langt unna, spesielt siden verdens befolkning øker raskt og følgelig behovet for energi øker.
Utdannings- og vitenskapsdepartementet i Den russiske føderasjonen
føderal stat autonom utdanningsinstitusjon
høyere profesjonsutdanning
«NASJONAL FORSKNING
TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY"
Institutt for naturressurser
Opplæringsretning (spesialitet) Kjemisk teknologi
Institutt for kjemisk teknologi for drivstoff og kjemisk kybernetikk
Essay
Abstrakt tittel:
“ Naturlige polymerer, polymerer rundt oss "
i faget "Introduksjon til ingeniørfag"
Fullført av studenter gr. 2D42 Nikonova Nyurguyaana
Prokopchuk Kristina
Dayanova Regina
Abstrakt akseptert:
Moises O.E.
(Signatur)
2014
(dato for rapportbekreftelse)
Tomsk 2014
1.Innledning………………………………………………………………………………………………………..2
2. Begrepet polymer og klassifisering ………………………………………………………….3
3. Masse………………………………………………………………………………………………………………………………………3
4. Stivelse…………………………………………………………………………………………………………………………………5
5. Glutin…………………………………………………………………………………………………………………………………..6
6. Kasein…………………………………………………………………………………………………………………………………6
7. Gummi………………………………………………………………………………………………………………………………….7
8. Gummi………………………………………………………………………………………………………………………………7
9. Syntetiske polymerer………………………………………………………………………...9
10. Egenskaper og viktigste egenskaper………………………………………………………10
11. Kjemiske reaksjoner………………………………………………………………………………………….11
12. Kvittering………………………………………………………………………………………………………………………………………12
13.Polymerer i landbruket…………………………………………………………………..12
14.Polymerer i industrien……………………………………………………………………….14
Introduksjon
Begrepet "polymerisme" ble introdusert i vitenskapen av I. Berzelius i 1833 for å betegne en spesiell type isomerisme, der stoffer (polymerer) med samme sammensetning har forskjellige molekylvekter, for eksempel etylen og butylen, oksygen og ozon. Dette innholdet i begrepet samsvarte ikke med moderne ideer om polymerer. "Ekte" syntetiske polymerer var ennå ikke kjent på den tiden.
En rekke polymerer ble tilsynelatende fremstilt allerede i første halvdel av 1800-tallet. Imidlertid prøvde kjemikere vanligvis å undertrykke polymerisering og polykondensasjon, noe som førte til "harpiksdannelse" av produktene fra den viktigste kjemiske reaksjonen, det vil si faktisk til dannelsen av polymerer (polymerer kalles fortsatt ofte "harpikser"). De første omtalene av syntetiske polymerer dateres tilbake til 1838 (polyvinylidenklorid) og 1839 (polystyren),
Polymerkjemi oppsto bare i forbindelse med etableringen av teorien om kjemisk struktur av A.M. Butlerov. A.M. Butlerov studerte forholdet mellom strukturen og den relative stabiliteten til molekyler, manifestert i polymerisasjonsreaksjoner. Vitenskapen om polymerer fikk sin videre utvikling hovedsakelig takket være det intensive søket etter metoder for å syntetisere gummi, der de ledende forskerne i mange land deltok (G. Buscharda, W. Tilden, den tyske forskeren K. Harries, I. L. Kondakov, S. V. Lebedev og andre ). På 30-tallet ble eksistensen av frie radikaler og ioniske polymeriseringsmekanismer bevist. Arbeidene til W. Carothers spilte en stor rolle i utviklingen av ideer om polykondensering.
Siden begynnelsen av 20-tallet av 1900-tallet har det også utviklet seg teoretiske ideer om strukturen til polymerer.Initialt ble det antatt at biopolymerer som cellulose, stivelse, gummi, proteiner, samt noen syntetiske polymerer som ligner på dem i egenskaper (for eksempel polyisopren), består av små molekyler som har den uvanlige evnen til å assosieres i løsning til komplekser av kolloidal natur på grunn av ikke-kovalente bindinger (teorien om "små blokker"). Forfatteren av et fundamentalt nytt konsept av polymerer som stoffer bestående av makromolekyler, partikler med uvanlig stor molekylvekt, var G. Staudinger. Seieren til denne forskerens ideer tvang oss til å betrakte polymerer som et kvalitativt nytt studieobjekt innen kjemi og fysikk.
Polymerkonsept og klassifisering
Polymerer- kjemiske forbindelser med høy molekylvekt (fra flere tusen til mange millioner), hvis molekyler (makromolekyler) består av et stort antall repeterende grupper (monomerenheter). Atomene som utgjør makromolekyler er forbundet med hverandre ved hjelp av krefter med hoved- og (eller) koordinasjonsvalenser.
Klassifisering.
Basert på deres opprinnelse er polymerer delt inn i:
naturlige (biopolymerer), for eksempel proteiner, nukleinsyrer, naturlige harpikser
syntetiske, for eksempel polyetylen, polypropylen, fenol-formaldehyd-harpikser.
Naturlige polymerer som brukes i utskrift inkluderer: polysakkarider (cellulosestivelse, tannkjøtt), graner, glutin, kasein, albumin), polydiener (gummi).
Cellulose
Cellulose, eller fiber (fra det latinske ordet "cellulula" - celle), er utbredt i naturen. Cellulose er et sterkt fibrøst stoff av organisk opprinnelse som utgjør støttevevet til alle planter (planteceller).
Fysiske egenskaper til cellulose
Cellulosefibre utmerker seg ved sin hvithet, fleksibilitet, styrke, elastisitet, dvs. evnen til å deformeres reversibelt uten ødeleggelse selv under høy mekanisk påkjenning, uløselighet i vann og organiske løsemidler, og infuserbarhet.
Cellulose tåler oppvarming opp til 150° uten ødeleggelse; ved høyere temperaturer observeres depolymerisering av cellulose og tilhørende tap av styrke, og ved 270° og over begynner termisk nedbrytning med frigjøring av nedbrytningsprodukter: eddiksyre, metylalkohol, ketoner, mens resten er tjære og kull.
Strukturen til cellulosefiber.
Hver plantefiber, for eksempel bomull, lin, tre, etc., er én celle, hvis skall hovedsakelig består av cellulose. Inne i fiberen er det en kanal - en kapillær, tilgjengelig for penetrering av luft og fuktighet. Tekniske cellulosefibre har en gjennomsnittlig lengde på 2,5-3 mm (gran, furu, bjørk, poppel) og 20-25 mm (lin, bomull, hamp) med en diameter på 25 mikron.
Cellulose plantefiber har en fibrillær struktur. Fibriller er trådlignende, elementære rullevinduer - pakker med cellulosemolekyler som er fast forbundet med hverandre med hydrogenbindinger, 50 µm lange og 0,1-0,4 µm i diameter. Mest sannsynlig danner cellulose et ordnet system av tråder - fibriller, plassert tettere rundt den indre kanalen (kapillæren) av fiberen og mer løst i de ytre lagene. I mellomrommene mellom fibrillene er det micelluloser og lignin, og deres innhold øker fra de indre lagene av cellestrukturen til de ytre. De intercellulære rommene til cellulose er hovedsakelig fylt med lignin.
Hovedkilden til cellulose er tre... Tre er den indre delen av trær, som ligger under barken og utgjør hovedplantevevet som trestammen er dannet av.
En levende celle i et voksende tre har et celluloseskall (vegger), et indre hulrom fylt med protoplasma og en kjerne. En levende celle er i stand til å vokse og danne nye treformasjoner i kambiumlaget, under barken, fra år til år i et voksende tre.
Levende celler gjennomgår lignifisering over tid, noe som til slutt fører til deres fullstendige død, eller lignifisering. Cellelignifisering skjer hovedsakelig som et resultat av utseendet av lignin i den. Tre består av 90-95% av slike døde celler - fibre, blottet for protoplasma og kjerne, men i stand til å dele seg, med et indre hulrom fylt med luft og vann.
Kjemisk struktur og egenskaper til cellulose. Cellulose er en naturlig polysakkaridpolymer som tilhører karbohydratklassen. Det gigantiske molekylet (makromolekylet) av cellulose er bygget opp av gjentatte gjentatte strukturelle enheter - β-glukoserester (O6H10O5)p. Tallet n, eller polymeriseringskoeffisienten, viser hvor mange ganger den strukturelle enheten - β-glukoseresten - gjentas i cellulosemakromolekylet, og karakteriserer derfor lengden på molekylkjeden (molekyllengden) og forhåndsbestemmer dens molekylvekt.
Polymerisasjonskoeffisienten til cellulose av forskjellig opprinnelse er forskjellig. Så, for trecellulose er det 3000, for bomull - 12 000, for lin - 36 000 (omtrent). Dette forklarer den store styrken til bomull og linfibre sammenlignet med trecellulosefibre.
Alkalisk cellulose oppnås ved å behandle cellulose med en løsning av natriumhydroksid. I dette tilfellet er hydrogenatomene til alkoholhydroksylene delvis eller fullstendig erstattet av natriumatomer. Alkalisk cellulose, uten å miste sin fibrøse struktur, er preget av økt kjemisk aktivitet, som brukes i produksjonen av celluloseetere, for eksempel karboksymetylcellulose.
Karboksymetylcellulose (CMC) er en eter av cellulose og glykolsyre. Den industrielle metoden for produksjon av karboksymetylcellulose er basert på interaksjonen av alkalicellulose med monokloreddiksyre.
Hemicelluloser er en krysning mellom cellulose og stivelse. De er også polysakkarider. Hemicellulosemolekyler er bygget av monosakkaridrester: mannose (heksose) og xylose (pentose). Hemicelluloser har ikke en fibrøs struktur. De tjener som reservenæringsstoff for planter og beskytter dem mot infeksjoner. Hemicelluloser sveller i vann og hydrolyseres relativt lett selv av svært fortynnede syrer; de løses opp i 18,5% alkali. Hemicelluloser er ikke skadelige urenheter av cellulose som brukes til å lage papir. Tvert imot er trecellulose med høyt innhold av hemicellulose lett å slipe, og papir laget av det har økt styrke (spesielt overflater), siden hemicellulose er et veldig godt naturlig limingsmiddel.
Lignin er et kjemisk ustabilt stoff: under påvirkning av lys, fuktighet, oksygen, luft og varme blir lignin ødelagt, som et resultat av at plantefibre mister styrke og blir mørkere. Lignin, i motsetning til cellulose, oppløses i fortynnede syrer og alkalier. Metoder for å produsere cellulose fra tre, halm, siv og annet plantevev er basert på denne egenskapen til lignin. Strukturen til lignin er svært kompleks og har ennå ikke blitt tilstrekkelig studert; Det er kjent at lignin er en naturlig polymer, hvis strukturelle enhet er resten av en svært reaktiv aromatisk alkohol - β-hydroksykoniferyl.
Polymerer er kjemiske forbindelser med høy mol. masse (fra flere tusen til mange millioner), hvis molekyler (makromolekyler) består av et stort antall repeterende grupper (monomerenheter). Atomene som utgjør makromolekyler er forbundet med hverandre ved hjelp av krefter med hoved- og (eller) koordinasjonsvalenser.
Basert på deres opprinnelse er polymerer delt inn i naturlige (biopolymerer), for eksempel proteiner, nukleinsyrer, naturlige harpikser og syntetiske, for eksempel polyetylen, polypropylen, fenol-formaldehyd-harpikser. Atomer eller atomgrupper kan være lokalisert i et makromolekyl i form av: en åpen kjede eller en forlenget sekvens av sykluser (lineære polymerer, for eksempel naturgummi); forgrenede kjeder (forgrenede polymerer, f.eks. amylopektin), tredimensjonale nettverk (tverrbundne polymerer, f.eks. herdede epoksyharpikser). Polymerer hvis molekyler består av identiske monomerenheter kalles homopolymerer (for eksempel polyvinylklorid, polykaproamid, cellulose). kjemisk polymer syntetisk supramolekylær
Makromolekyler med samme kjemiske sammensetning kan bygges fra enheter med forskjellige romlige konfigurasjoner. Hvis makromolekyler består av de samme stereoisomerene eller av forskjellige stereoisomerer som veksler i kjeden med en viss periodisitet, kalles polymerene stereoregulære.
Polymerer hvis makromolekyler inneholder flere typer monomerenheter kalles kopolymerer. Kopolymerer der enheter av hver type danner tilstrekkelig lange kontinuerlige sekvenser som erstatter hverandre i makromolekylet kalles blokkkopolymerer. En eller flere kjeder av en annen struktur kan festes til de interne (ikke-terminale) leddene til et makromolekyl med en kjemisk struktur. Slike kopolymerer kalles podekopolymerer.
Polymerer der hver eller noen stereoisomerer av en enhet danner tilstrekkelig lange kontinuerlige sekvenser som erstatter hverandre innenfor ett makromolekyl, kalles stereoblokkkopolymerer.
Avhengig av sammensetningen av hovedkjeden, er polymerer delt inn i: heterokjede, hvis hovedkjede inneholder atomer av forskjellige elementer, oftest karbon, nitrogen, silisium, fosfor og homokjede, hvor hovedkjeden er bygget opp fra identiske atomer. Av homokjedepolymerene er de vanligste karbonkjedepolymerer, hvor hovedkjedene kun består av karbonatomer, for eksempel polyetylen, polymetylmetakrylat, polytetrafluoretylen. Eksempler på heterokjedepolymerer er polyestere (polyetylentereftalat, polykarbonater), polyamider, urea-formaldehydharpikser, proteiner og noen organosilisiumpolymerer. Polymerer hvis makromolekyler, sammen med hydrokarbongrupper, inneholder atomer av uorganiske elementer kalles organoelement. En egen gruppe polymerer dannes av uorganiske polymerer, for eksempel plastsvovel, polyfosfonitrilklorid.
Egenskaper og viktigste egenskaper. Lineære polymerer har et spesifikt sett med fysisk-kjemiske og mekaniske egenskaper. Den viktigste av disse egenskapene: evnen til å danne høystyrke anisotrope høyt orienterte fibre og filmer, evnen til å gjennomgå store, langsiktige reversible deformasjoner; evnen til å svelle i en svært elastisk tilstand før oppløsning; høy viskositet av løsninger. Dette settet med egenskaper skyldes den høye molekylvekten, kjedestrukturen og fleksibiliteten til makromolekyler. Når man går fra lineære kjeder til forgrenede, sparsomme tredimensjonale nettverk og til slutt til tette maskestrukturer, blir dette settet med egenskaper mindre og mindre uttalt. Sterkt tverrbundne polymerer er uoppløselige, usmeltelige og ute av stand til svært elastiske deformasjoner.
Polymerer kan eksistere i krystallinske og amorfe tilstander. En nødvendig betingelse for krystallisering er regelmessigheten til tilstrekkelig lange deler av makromolekylet. I krystallinske polymerer kan det oppstå ulike supramolekylære strukturer (fibriller, sfærulitter, enkeltkrystaller), hvis type i stor grad bestemmer egenskapene til polymermaterialet.Supramolekylære strukturer i ikke-krystalliserte (amorfe) polymerer er mindre uttalt enn i krystallinske.
Ikke-krystalliserte polymerer kan eksistere i tre fysiske tilstander: glassaktig, svært elastisk og viskøs. Polymerer med lav (under rom) temperatur for overgang fra en glassaktig til en svært elastisk tilstand kalles elastomerer, mens de med høy temperatur kalles plast. Avhengig av den kjemiske sammensetningen, strukturen og det relative arrangementet til makromolekyler, kan egenskapene til polymerer variere innenfor svært vide grenser. Således er 1,4.-cispolybutadien, bygget av fleksible hydrokarbonkjeder, ved en temperatur på ca. 20°C et elastisk materiale, som ved en temperatur på -60°C forvandles til en glassaktig tilstand; polymetylmetakrylat, bygget av mer stive kjeder, ved en temperatur på omtrent 20 ° C er et solid glassaktig produkt som blir til en svært elastisk tilstand bare ved 100 ° C. Cellulose, en polymer med svært stive kjeder forbundet med intermolekylære hydrogenbindinger, kan vanligvis ikke eksistere i en svært elastisk tilstand før dens nedbrytningstemperatur.
Store forskjeller i egenskapene til polymerer kan observeres selv om forskjellene i strukturen til makromolekyler ved første øyekast er små. Således er stereoregulær polystyren et krystallinsk stoff med et smeltepunkt på ca. 235 °C, mens ikke-stereoregulært polystyren ikke er i stand til å krystallisere i det hele tatt og mykner ved en temperatur på ca. 80 °C.
Polymerer kan inngå i følgende hovedtyper av reaksjoner: dannelse av kjemiske bindinger mellom makromolekyler (såkalt tverrbinding), for eksempel under vulkanisering av gummi og garving av lær; dekomponering av makromolekyler til separate, kortere fragmenter, reaksjoner av sidefunksjonelle grupper av polymerer med lavmolekylære stoffer som ikke påvirker hovedkjeden (såkalte polymeranaloge transformasjoner); intramolekylære reaksjoner som oppstår mellom funksjonelle grupper av ett makromolekyl, for eksempel intramolekylær cyklisering. Kryssbinding skjer ofte samtidig med ødeleggelse. Et eksempel på polymeranaloge transformasjoner er forsåpning av polytylacetat, noe som fører til dannelse av polyvinylalkohol. Reaksjonshastigheten til polymerer med stoffer med lav molekylvekt er ofte begrenset av diffusjonshastigheten til sistnevnte inn i polymerfasen. Dette er mest åpenbart når det gjelder tverrbundne polymerer. Hastigheten av interaksjon av makromolekyler med lavmolekylære stoffer avhenger ofte betydelig av arten og plasseringen av naboenheter i forhold til den reagerende enheten. Det samme gjelder intramolekylære reaksjoner mellom funksjonelle grupper som tilhører samme kjede.
Noen egenskaper til polymerer, for eksempel løselighet, evne til viskøs flyt, stabilitet, er svært følsomme for virkningen av små mengder urenheter eller tilsetningsstoffer som reagerer med makromolekyler. For å transformere en lineær polymer fra løselig til fullstendig uløselig, er det altså nok å danne 1-2 tverrbindinger per makromolekyl.
De viktigste egenskapene til polymerer er deres kjemiske sammensetning, molekylvekt og molekylvektfordeling, graden av forgrening og fleksibilitet av makromolekyler, stereoregularitet og andre. Egenskapene til polymerer avhenger betydelig av disse egenskapene.
Naturlige polymerer dannes under prosessen med biosyntese i cellene til levende organismer. Ved hjelp av utvinning, fraksjonert nedbør og andre metoder kan de isoleres fra plante- og dyrematerialer. Syntetiske polymerer produseres ved polymerisering og polykondensasjon. Karbokjedepolymerer syntetiseres vanligvis ved polymerisering av monomerer med en eller flere multiple karbonbindinger eller monomerer som inneholder ustabile karbosykliske grupper (for eksempel fra cyklopropan og dets derivater). Heterokjedepolymerer oppnås ved polykondensasjon, samt polymerisering av monomerer som inneholder flere bindinger av et karbonelement (for eksempel C=O, C=N, N=C=O) eller svake heterocykliske grupper.
I dag kan vi snakke om minst fire hovedområder for bruk av polymermaterialer i landbruket. Både i hjemmet og i verdenspraksis tilhører førsteplassen filmer. Takket være bruken av perforert mulching-film på åkrene, øker utbyttet av noen avlinger med opptil 30%, og modningstiden akselereres med 10-14 dager.
Bruken av polyetylenfilm for vanntetting av reservoarer sikrer en betydelig reduksjon i tap av lagret fuktighet. Å dekke høyfôr, ensilasje og grovfôr med film sikrer bedre bevaring selv under ugunstige værforhold. Men hovedområdet for bruk av filmpolymermaterialer i landbruket er konstruksjon og drift av filmdrivhus. Foreløpig er det blitt teknisk mulig å produsere filmark med en bredde på opptil 16 m, og dette gjør det mulig å bygge filmdrivhus med en grunnbredde på inntil 7,5 og en lengde på inntil 200 m. I slike drivhus er alle landbruksprodukter. arbeid kan utføres mekanisert; Dessuten lar disse drivhusene deg dyrke produkter hele året. I kaldt vær varmes drivhusene opp igjen ved hjelp av polymerrør begravd i jorden til en dybde på 60-70 cm.
Fra synspunktet til den kjemiske strukturen til polymerer som brukes i drivhus av denne typen, kan man merke seg den dominerende bruken av polyetylen, uplastisert polyvinylklorid og i mindre grad polyamider. Polyetylenfilmer kjennetegnes av bedre lysgjennomgang, bedre styrkeegenskaper, men dårligere værbestandighet og relativt høyt varmetap. De kan bare serveres skikkelig i 1-2 sesonger. Polyamid og andre filmer brukes fortsatt relativt sjelden.
De to andre hovedområdene for bruk av polymermaterialer i landbruket er konstruksjon, spesielt husdyrbygninger, og maskinteknikk.
En spesiell kultur av mikrober dyrkes på brukte sulfittluter i spesielle fermentorer ved 38 ° C, mens ammoniakk tilsettes der. Utbyttet av fôrprotein er 50-55%; den spises med appetitt av griser og fjørfe.
Tradisjonelt arrangeres mange sportsbegivenheter på gressbaner. Fotball, tennis, krokket... Dessverre fører den dynamiske utviklingen av sport, toppbelastninger ved målet eller ved nettet til at gresset ikke har tid til å vokse fra en konkurranse til en annen. Og ingen mengde gartneres triks kan takle dette. Det er selvsagt mulig å holde lignende konkurranser på for eksempel asfaltdekker, men hva med tradisjonell idrett? Syntetiske materialer kom til unnsetning. Polyamidfilm med en tykkelse på 1/40 mm (25 mikron) kuttes i 1,27 mm brede strimler, strekkes, krympes og flettes deretter sammen for å oppnå en lett, voluminøs masse som imiterer gress. For å forhindre brann, tilsettes brannhemmende midler til polymeren på forhånd, og for å forhindre at elektriske gnister faller under idrettsutøvernes føtter, brukes et antistatisk middel. Syntetiske gressmatter limes på det preparerte underlaget - og så er en gressbane eller fotballbane, eller annen idrettsplass klar. Og etter hvert som individuelle deler av spillefeltet slites ut, kan de erstattes med nye matter laget med samme teknologi og samme grønne farge.
Det er ikke overraskende at denne industrien er hovedforbrukeren av nesten alle materialer produsert i vårt land, inkludert polymerer. Bruken av polymermaterialer i maskinteknikk vokser med en hastighet som ikke har noen presedens i hele menneskets historie. For eksempel, i 1976 1. forbrukte maskinteknikken i landet vårt 800 000 tonn plast, og i 1960 - bare 116 000 tonn. Det er interessant å merke seg at for ti år siden ble 37-38% av alle produkter produsert i vårt land sendt til maskinteknisk plast, og i 1980 sank andelen maskinteknikk i bruken av plast til 28 %. Og poenget her er ikke at behovet kan avta, men at andre sektorer av den nasjonale økonomien begynte å bruke polymermaterialer i landbruket, konstruksjonen og lett- og matindustrien enda mer intensivt.
Det er hensiktsmessig å merke seg at funksjonen til polymermaterialer i enhver industri de siste årene har endret seg noe. Flere og flere ansvarlige oppgaver begynte å bli betrodd til polymerer. Flere og flere relativt små, men strukturelt komplekse og kritiske deler av maskiner og mekanismer begynte å bli laget av polymerer, og samtidig begynte polymerer i økende grad å bli brukt til produksjon av store kroppsdeler av maskiner og mekanismer som bærer betydelige belastninger. Et annet område spesifikt for polymerer, hvor deres fordeler fremfor andre materialer er tydeligst manifestert, er området for innvendig og utvendig etterbehandling.
Et annet bruksområde for polymermaterialer i maskinteknikk, som er verdt å nevne spesielt, er produksjonen av metallskjærende verktøy. Etter hvert som bruken av sterke stål og legeringer øker, stilles det stadig strengere krav til prosessverktøy. Og også her kommer plast verktøymakeren og maskinføreren til unnsetning. Men ikke helt vanlige plaster med ultrahøy hardhet, de som tør å konkurrere selv med diamant. Hardhetens konge, diamanten, er ennå ikke detronisert fra tronen sin, men ting nærmer seg. Noen oksider (for eksempel fra slekten cubic zirconia), nitrider, karbider, viser allerede i dag ikke mindre hardhet, og også større varmebestandighet. Problemet er at de fortsatt er dyrere enn naturlige og syntetiske diamanter, og dessuten har de en "kongelig feil" - de er stort sett skjøre. Så, for å forhindre at de sprekker, må hvert korn av slikt slipemiddel være omgitt av polymeremballasje, oftest laget av fenol-formaldehydharpikser. Derfor produseres i dag tre fjerdedeler av slipeverktøyene ved bruk av syntetisk harpiks.
Dette er bare noen eksempler på hovedtrendene i introduksjonen av polymermaterialer i undersektorene for maskinteknikk. Bilindustrien inntar nå førsteplassen når det gjelder vekst i bruken av plast blant andre undersektorer. For ti år siden ble det brukt fra 7 til 12 typer forskjellig plast i biler, på slutten av 70-tallet var dette tallet over 30. Fra et synspunkt av kjemisk struktur, som man kunne forvente, de første plassene når det gjelder volum er opptatt av styrenplast, polyvinylklorid og polyolefiner. De er fortsatt litt dårligere enn dem, men polyuretaner, polyestere, akrylater og andre polymerer fanger aktivt opp.
Listen over bildeler som er laget av polymerer i visse modeller i disse dager vil ta mer enn én side. Karosserier og hytter, verktøy og elektrisk isolasjon, innvendig trim og støtfangere, radiatorer og armlener, slanger, seter, dører, panser. Dessuten har flere forskjellige selskaper i utlandet allerede annonsert produksjonsstart av biler i helplast. De mest karakteristiske trendene i bruken av plast til bilindustrien er generelt de samme som i andre delsektorer. For det første sparer det materialer: avfallsfri eller lite avfallsstøping av store blokker og sammenstillinger. For det andre, takket være bruken av lette og lette polymermaterialer, reduseres bilens totale vekt, noe som betyr at drivstoff vil bli spart under driften. For det tredje, laget som en enkelt enhet, forenkler blokker av plastdeler betydelig montering og sparer arbeidskraft.
Forresten, de samme fordelene stimulerer den utbredte bruken av polymermaterialer i luftfartsindustrien. For eksempel, ved å erstatte en aluminiumslegering med grafittplast i produksjonen av en flyvingelist kan du redusere antall deler fra 47 til 14, festemidler fra 1464 til 8 bolter, redusere vekten med 22% og kostnadene med 25%. Samtidig er sikkerhetsmarginen til produktet 178 %. Det anbefales å lage helikopterblader og jetmotorvifteblader av polykondensasjonsharpikser fylt med aluminiumsilikatfibre, noe som reduserer flyets vekt samtidig som styrke og pålitelighet opprettholdes. I henhold til engelsk patent nr. 2047188 øker de bærende overflatene til fly- eller helikopterrotorblader med et lag av polyuretan med en tykkelse på bare 0,65 mm deres motstand mot regnerosjon med 1,5-2 ganger. Det ble stilt strenge krav før designerne av det første anglo-franske supersoniske passasjerflyet, Concorde. Det ble beregnet at friksjon med atmosfæren ville varme den ytre overflaten av flyet til 120-150°C, og samtidig var det påkrevd at det ikke skulle bukke under for erosjon i minst 20 000 timer. En løsning på problemet ble funnet ved å overflatebelegge flybeskyttelsen med en tynn film av fluorplast.