Om kopplingen mellan makromolekyler utförs med hjälp av svaga van der Waals-krafter, kallas de termoplaster, om genom kemiska bindningar - härdplaster. Linjära polymerer inkluderar till exempel cellulosa, grenade polymerer, till exempel amylopektin, och det finns polymerer med komplexa rumsliga tredimensionella strukturer.
I strukturen av en polymer kan en monomerenhet urskiljas - ett repeterande strukturellt fragment som innehåller flera atomer. Polymerer består av ett stort antal upprepade grupper (enheter) av samma struktur, till exempel polyvinylklorid (-CH 2 -CHCl-) n, naturgummi etc. Högmolekylära föreningar, vars molekyler innehåller flera typer av repeterande grupper, kallas sampolymerer eller heteropolymerer.
En polymer bildas av monomerer som ett resultat av polymerisations- eller polykondensationsreaktioner. Polymerer inkluderar många naturliga föreningar: proteiner, nukleinsyror, polysackarider, gummi och andra organiska ämnen. I de flesta fall avser begreppet organiska föreningar, men det finns också många oorganiska polymerer. Ett stort antal polymerer erhålls syntetiskt baserade på de enklaste föreningarna av element av naturligt ursprung genom polymerisationsreaktioner, polykondensation och kemiska omvandlingar. Namnen på polymerer bildas av namnet på monomeren med prefixet poly-: poly eten, poly propen, poly vinylacetat, etc.
Encyklopedisk YouTube
-
1 / 5
Speciella mekaniska egenskaper
- elasticitet - förmågan att genomgå höga reversibla deformationer under en relativt liten belastning (gummi);
- låg bräcklighet av glasartade och kristallina polymerer (plaster, organiskt glas);
- makromolekylers förmåga att orientera sig under påverkan av ett riktat mekaniskt fält (används vid tillverkning av fibrer och filmer).
Funktioner hos polymerlösningar:
- hög lösningsviskositet vid låg polymerkoncentration;
- Upplösningen av polymeren sker genom svällningssteget.
Speciella kemiska egenskaper:
- förmågan att dramatiskt förändra dess fysiska och mekaniska egenskaper under påverkan av små mängder av ett reagens (vulkanisering av gummi, garvning av läder, etc.).
De speciella egenskaperna hos polymerer förklaras inte bara av deras höga molekylvikt, utan också av att makromolekyler har en kedjestruktur och är flexibla.
Klassificering
Enligt deras kemiska sammansättning är alla polymerer indelade i organisk, organoelement, oorganisk.
- Organiska polymerer.
- Organiska elementpolymerer. De innehåller oorganiska atomer (Si, Ti, Al) i huvudkedjan av organiska radikaler, som kombineras med organiska radikaler. De finns inte i naturen. En artificiellt erhållen representant är kiselorganiska föreningar.
- Oorganiska polymerer. De innehåller inte C-C-bindningar i den upprepande enheten, men kan innehålla organiska radikaler som sidosubstituenter.
Det bör noteras att inom tekniken används polymerer ofta som komponenter i kompositmaterial, till exempel glasfiber. Kompositmaterial är möjliga, varav alla komponenter är polymerer (med olika sammansättningar och egenskaper).
Baserat på formen på makromolekyler delas polymerer in i linjära, grenade (ett specialfall är stjärnformade), band, platta, kamformade, polymernätverk och så vidare.
Polymerer klassificeras efter polaritet (påverkar lösligheten i olika vätskor). Polariteten hos polymerenheter bestäms av närvaron i deras sammansättning av dipoler - molekyler med en isolerad fördelning av positiva och negativa laddningar. I opolära enheter kompenseras dipolmomenten för atombindningar ömsesidigt. Polymerer vars enheter har betydande polaritet kallas hydrofila eller polär. Polymerer med opolära enheter - icke-polär, hydrofobisk. Polymerer som innehåller både polära och opolära enheter kallas amfifil. Homopolymerer, vars varje enhet innehåller både polära och opolära stora grupper, föreslås kallas amfifila homopolymerer.
I förhållande till uppvärmning delas polymerer in i termoplast Och värmehärdande. Termoplast polymerer (polyeten, polypropen, polystyren) mjuknar när de värms upp, smälter till och med och hårdnar när de kyls. Denna process är reversibel. Termohärdande Vid upphettning genomgår polymerer irreversibel kemisk förstörelse utan att smälta. Molekyler av värmehärdande polymerer har en olinjär struktur erhållen genom tvärbindning (till exempel vulkanisering) av kedjepolymermolekyler. De elastiska egenskaperna hos värmehärdande polymerer är högre än hos termoplaster, men värmehärdande polymerer har praktiskt taget ingen flytbarhet, vilket gör att de har en lägre brottspänning.
Naturliga organiska polymerer bildas i växt- och djurorganismer. De viktigaste av dem är polysackarider, proteiner och nukleinsyror, som till stor del utgör kropparna hos växter och djur och som säkerställer själva livets funktion på jorden. Man tror att det avgörande skedet i uppkomsten av liv på jorden var bildandet av mer komplexa, högmolekylära molekyler från enkla organiska molekyler (se Kemisk evolution).
Typer
Syntetiska polymerer. Konstgjorda polymermaterial
Människan har använt naturliga polymermaterial i sitt liv under lång tid. Dessa är läder, päls, ull, siden, bomull, etc., som används för tillverkning av kläder, olika bindemedel (cement, kalk, lera), som med lämplig bearbetning bildar tredimensionella polymerkroppar, ofta använda som byggmaterial . Den industriella produktionen av kedjepolymerer började dock i början av 1900-talet, även om förutsättningarna för detta framkom tidigare.
Nästan omedelbart utvecklades den industriella produktionen av polymerer i två riktningar - genom att bearbeta naturliga organiska polymerer till konstgjorda polymermaterial och genom att producera syntetiska polymerer från organiska lågmolekylära föreningar.
I det första fallet är storskalig produktion baserad på cellulosa. Det första polymermaterialet från fysiskt modifierad cellulosa - celluloid - erhölls i mitten av 1800-talet. Storskalig produktion av cellulosaetrar och -estrar etablerades före och efter andra världskriget och fortsätter än i dag. Filmer, fibrer, färger och lacker och förtjockningsmedel produceras på basis av dessa. Det bör noteras att utvecklingen av film och fotografi endast var möjlig tack vare tillkomsten av transparent nitrocellulosafilm.
Tillverkningen av syntetiska polymerer började 1906, när Leo Baekeland patenterade det så kallade bakelithartset – en kondensationsprodukt av fenol och formaldehyd, som vid upphettning förvandlas till en tredimensionell polymer. I decennier har det använts för att tillverka höljen för elektriska apparater, batterier, tv-apparater, uttag etc., och används nu oftare som bindemedel och lim.
Tack vare Henry Fords ansträngningar, före första världskriget, började den snabba utvecklingen av bilindustrin, först på basis av naturligt, sedan också syntetiskt gummi. Produktionen av den senare bemästrades på tröskeln till andra världskriget i Sovjetunionen, England, Tyskland och USA. Under samma år bemästrades industriell produktion av polystyren och polyvinylklorid, som är utmärkta elektriska isoleringsmaterial, såväl som polymetylmetakrylat - utan organiskt glas kallat "plexiglas", skulle massflygplanstillverkning ha varit omöjlig under krigsåren.
Efter kriget återupptogs produktionen av polyamidfiber och tyger (nylon, nylon), som hade börjat före kriget. På 50-talet av 1900-talet utvecklades polyesterfiber och produktionen av tyger baserade på den under namnet lavsan eller polyetylentereftalat bemästrades. Polypropen och nitron - konstgjord ull gjord av polyakrylnitril - stänger listan över syntetiska fibrer som moderna människor använder för kläder och industriella aktiviteter. I det första fallet kombineras dessa fibrer mycket ofta med naturliga fibrer från cellulosa eller protein (bomull, ull, siden). En epokal händelse i polymervärlden var upptäckten i mitten av 50-talet av 1900-talet och den snabba industriella utvecklingen av Ziegler-Natta-katalysatorer, vilket ledde till uppkomsten av polymermaterial baserade på polyolefiner och framför allt polypropen och låg -densitetspolyeten (innan detta behärskades produktionen av polyeten vid ett tryck av storleksordningen 1000 atm.), såväl som stereoregelbundna polymerer som kan kristallisera. Sedan introducerades polyuretaner i massproduktion - de vanligaste tätningsmedlen,
Termen "polymerism" introducerades i vetenskapen av J. Berzelius 1833 för att beteckna en speciell typ av isomerism, där ämnen (polymerer) med samma sammansättning har olika molekylvikter, till exempel eten och butylen, syre och ozon. Innehållet i termen motsvarade alltså inte moderna idéer om polymerer. "Äkta" syntetiska polymerer var ännu inte kända vid den tiden.
Ett antal polymerer erhölls tydligen under första hälften av 1800-talet. Men kemister försökte då vanligtvis undertrycka polymerisation och polykondensation, vilket ledde till "resinisering" av produkterna från den huvudsakliga kemiska reaktionen, det vill säga i själva verket till bildandet av polymerer (tills nu kallades polymerer ofta "hartser"). De första omnämnandena av syntetiska polymerer går tillbaka till 1838 () och 1839 (polystyren).
Polymerkemi uppstod endast i samband med skapandet av A. M. Butlerov av teorin om kemisk struktur (tidigt 1860-tal). A. M. Butlerov studerade förhållandet mellan strukturen och den relativa stabiliteten hos molekyler, manifesterad i polymerisationsreaktioner. A.M. Butlerov föreslog att överväga förmågan hos omättade föreningar att polymerisera som ett kriterium för deras reaktivitet. Det är här de klassiska verken inom området polymerisation och isomeriseringsprocesser av A. E. Favorsky, V. N. Ipatiev och S. V. Lebedev har sitt ursprung. Från studierna av petroleumkolväten av V.V. Markovnikov och sedan av N.D. Zelinsky, sträcker sig trådar till modernt arbete med syntesen av alla typer av monomerer från petroleumråvaror.
Det bör noteras här att från första början utvecklades den industriella produktionen av polymerer i två riktningar: genom att bearbeta naturliga polymerer till konstgjorda polymermaterial och framställa syntetiska polymerer från organiska lågmolekylära föreningar. I det första fallet är storskalig produktion baserad på cellulosa, det första materialet från fysiskt modifierad cellulosa, cellofan, erhölls 1908.
Vetenskapen om att syntetisera polymerer från monomerer visade sig vara ett mycket större fenomen när det gäller de uppgifter som forskarna står inför.
Trots att Baekeland uppfann en metod för framställning av fenol-formaldehydhartser i början av 1900-talet, fanns det ingen förståelse för polymerisationsprocessen. Först 1922 lade den tyske kemisten Hermann Staudinger fram definitionen av en makromolekyl - en lång struktur av atomer förbundna med kovalenta bindningar. Han var den första att fastställa förhållandet mellan molekylvikten hos en polymer och viskositeten hos dess lösning. Därefter studerade den amerikanske kemisten Herman Mark formen och storleken på makromolekyler i lösning.
Sedan på 1920-1930-talet. Tack vare N. N. Semenovs avancerade arbete inom kedjereaktionsområdet upptäcktes en djup likhet mellan polymerisationsmekanismen och de kedjereaktioner som N. N. Semenov studerade.
På 30-talet förekomsten av fria radikaler (G. Staudinger och andra) och joniska (F. Whitmore och andra) polymerisationsmekanismer bevisades.
I Sovjetunionen i mitten av 1930-talet. S.S. Medvedev formulerade konceptet "initiering" av polymerisation som ett resultat av nedbrytningen av peroxidföreningar med bildning av radikaler. Han kvantifierade också kedjeöverföringsreaktioner som processer som reglerar molekylvikten. Forskning om mekanismerna för polymerisation av fria radikaler pågick fram till 1950-talet.
En viktig roll i utvecklingen av idéer om polykondensation spelades av W. Carothers arbete, som introducerade begreppen monomerfunktionalitet, linjär och tredimensionell polykondensation i kemin av högmolekylära föreningar. 1931, tillsammans med J.A. Newland, syntetiserade han kloroprengummi (neopren) och utvecklade 1937 en metod för framställning av polyamid för formning av fibrer av nylontyp.
På 1930-talet Läran om polymerernas struktur utvecklades också; A.P. Aleksandrov utvecklade den först på 30-talet. idéer om avslappningsnaturen hos deformation av polymerkroppar; V.A. Kargin installerade det i slutet av 30-talet. faktumet av termodynamisk reversibilitet av polymerlösningar och formulerade ett system av idéer om de tre fysiska tillstånden hos amorfa högmolekylära föreningar.
Före andra världskriget behärskade de mest utvecklade länderna den industriella produktionen av SC, polystyren, polyvinylklorid och polymetylmetakrylat.
På 1940-talet Den amerikanska fysikaliska kemisten Flory gav betydande bidrag till teorin om polymerlösningar och den statistiska mekaniken för makromolekyler; Flory skapade metoder för att bestämma strukturen och egenskaperna hos makromolekyler från mätningar av viskositet, sedimentation och diffusion.
En epokal händelse inom polymerkemin var upptäckten av K. Ziegler på 1950-talet. metallkomplexkatalysatorer, vilket ledde till uppkomsten av polymerer baserade på polyolefiner: polyeten och polypropen, som började produceras vid atmosfärstryck. Sedan infördes polyuretaner (särskilt skumgummi), såväl som polysiloxaner, i massproduktion.
På 1960-1970-talet. Unika polymerer erhölls - aromatiska polyamider, polyimider, polyeterketoner, innehållande aromatiska ringar i sin struktur och kännetecknas av enorm styrka och värmebeständighet. I synnerhet på 1960-talet. Kargin V.A. och Kabanov V.A. lade grunden för en ny typ av polymerbildning - komplex-radikal polymerisation. De visade att aktiviteten hos omättade monomerer i kan ökas avsevärt genom att binda dem till komplex med oorganiska salter. Så här erhölls polymerer av inaktiva monomerer: pyridin, kinolin, etc.
Människans första bekantskap med gummi inträffade på 1400-talet. På ungefär. Haiti H. Columbus och hans följeslagare såg de inföddas rituella lekar med bollar gjorda av elastiskt trädharts. Enligt anteckningarna av Charles Marie de la Condamine, publicerade 1735, fick européer veta att trädet från vilket gummi utvinns kallas "Heve" på de peruanska indianernas språk. När barken på ett träd skärs frigörs en saft som kallas latex på spanska. Latex användes för att impregnera tyger.
I början av 1800-talet började forskningen om gummi. 1823 organiserade engelsmannen Karl Mackintosh produktionen av vattentäta gummerade tyger och regnrockar baserade på dem. Engelsmannen Thomas Hancock upptäckte fenomenet plasticering av gummi 1826. Sedan började olika tillsatser införas i mjukgjort gummi och tekniken för fyllda gummiblandningar uppstod. 1839 upptäckte amerikanen Charles Goodyear en metod för att tillverka non-stick, hållbart gummi genom att värma gummi med blyoxid och svavel. Processen kallades vulkanisering. Under andra hälften av 1800-talet växte efterfrågan på naturgummi snabbt. På 1890-talet. De första gummidäcken dyker upp. Ett stort antal gummiplantager växer fram i olika heta länder (för närvarande Indonesien och Malaysia) är ledande inom produktion av naturgummi.
1825 fann Michael Faraday, när han studerade pyrolysen av naturgummi, att dess enklaste formel är C 5 H 8. 1835 gjorde den tyske kemisten F.K. Himmli var först med att isolera isopren C5H8. 1866 erhöll den franske kemisten Pierre Berthelot butadien genom att passera en blandning av eten och acetylen genom ett uppvärmt järnrör.
På 1860-1870-talet. A.M. Butlerov räknade ut strukturen hos många olefiner och polymeriserade många av dem, särskilt isobuten under inverkan av svavelsyra.
1878 tog den ryske kemisten A.A. Krakau upptäckte förmågan att polymerisera omättade föreningar under påverkan av alkalimetaller.
År 1884 bevisade den engelske kemisten W. Tilden att han fick isopren från termisk nedbrytning av terpentin, han fastställde också isoprens sammansättning och struktur, och föreslog att tendensen hos isopren att polymerisera kan användas för att tillverka syntetiskt gummi. På 1870-talet. Franske kemisten G. Bouchard isolerade isopren från produkterna från termisk nedbrytning av gummi, genom att behandla det med hög temperatur och saltsyra fick han en gummiliknande produkt.
Åren 1901-1905 V.N. Ipatiev syntetiserade butadien från etylalkohol vid höga tryck på 400-500 atm. Han var den första som polymeriserade eten 1913, vilket ingen annan forskare hade kunnat göra tidigare.
År 1908 fick M.K. Kucherov erhöll natriumisoprengummi (resultatet publicerades 1913).
År 1909 har S.V. Lebedev var den första att demonstrera gummi erhållet från divinyl.
Redan 1899 utvecklade I. L. Kondakov en metod för att framställa dimetylbutadien och bevisade att den senare kan förvandlas till en gummiliknande substans under påverkan av ljus, såväl som vissa reagenser, såsom natrium. Baserat på Kondakovs arbete i Tyskland 1916 organiserade Fritz Hoffmann produktionen av den så kallade. metylgummi: hårt (“H”) och mjukt (“W”) syntetiskt gummi.
1910 patenterade Carl Dietrich Harries en metod för att polymerisera isopren under påverkan av natriummetall. 1902 utvecklade han en metod för ozonering av gummi och etablerade med hjälp av denna metod strukturen för olika typer av gummi.
År 1911 erhöll I. I. Ostromyslensky butadien från acetaldehyd. 1915 fick B.V. Byzov ett patent för produktion av butadien genom pyrolys av olja.
Från och med andra hälften av 1800-talet var insatserna från många kemister från olika länder inriktade på att studera metoder för att framställa monomerer och metoder för deras polymerisation till gummiartade föreningar. 1911 föreslog I. I. Ostromyslensky tillverkning av butadien från alkohol i tre steg med ett utbyte på 12%. I Ryssland fick detta arbete mycket höga betyg. Faktum är att ryska kemister, i motsats till västerländska kemister, försökte få syntetiskt gummi från butadien, och inte isopren. Det är möjligt att det var just tack vare detta och närvaron av en stor alkoholbas i Ryssland som det blev möjligt att skapa en teknisk bas för tillverkning av syntetiskt gummi i Ryssland.
År 1926 tillkännagav Sovjetunionens högsta ekonomiska råd en tävling för utveckling av en teknik för tillverkning av syntetiskt gummi, i enlighet med villkoren för vilken det den 1 januari 1928 var nödvändigt att lämna in en beskrivning av processen och kl. minst 2 kg gummi erhållet med denna metod. Projekten från Lebedev S.V. och Byzov B.V. visade sig vara de mest utvecklade. Båda projekten innebar tillverkning av syntetiskt gummi från butadien. Lebedev föreslog produktion av butadien från alkohol i ett steg med hjälp av en katalysator han utvecklade som hade dehydrerande och dehydrerande egenskaper. Byzov föreslog att man skulle producera butadien från petroleumkolväten. Trots de stora framgångarna av ryska och sovjetiska kemister inom oljeraffinering fanns det ingen råmaterialbas för produktion av butadien med Byzov-metoden. Därför beslutade arbets- och försvarsrådet i januari 1931 att bygga tre stora liknande SK-anläggningar enligt Lebedev-metoden. Leningrads experimentanläggning "Liter B" (nu VNIISK) skapades, där 1931 producerades den första satsen divinylgummi. Åren 1932-1933 SK-fabriker började arbeta i Yaroslavl, Voronezh, Efremov och Kazan.
1941 lanserades en kloroprengummifabrik i Jerevan.
1935 började en ny era i tillverkningen av syntetiska gummin - de började tillverkas av sampolymerer som erhållits genom radikal polymerisation av 1,3-butadien i närvaro av styren, akrylnitril och andra föreningar. 1938 organiserades industriell produktion av styren-butadiengummi i Tyskland och 1942 organiserades storskalig produktion av syntetiskt gummi i USA.
Det bör här noteras att det efter 1945 skedde en gradvis förskjutning bort från produktion av butadien från livsmedelsalkohol med en gradvis övergång till produktion av monomerer från olja.
1948 fastställde Korotkov att polymerens fysikaliska och mekaniska egenskaper förbättras med en ökning av halten av additionsenheter vid cis-1,4-positionerna; det största antalet cis-enheter bildas i närvaro av organolitiumföreningar.
1955 upptäckte K. Ziegler nya katalytiska system som leder polymerisationsprocessen med hjälp av en jonmekanism för att producera polymermaterial liknande de som erhålls i närvaro av litium. Därefter fördjupades dessa studier i Italien i Giulio Nattas laboratorium.
Den inhemska industriella polyisopren som producerades på litiumkatalysatorer kallades SKI, och den som erhölls i närvaro av Ziegler-Natta katalytiska system var känd under förkortningen SKI-3.
1956 föreslogs en metod för framställning av stereoreguljära polybutadiengummin (SKD), som var överlägsna i frostbeständighet och nötningsbeständighet jämfört med gummi erhållna från naturgummi och SKI-3.
Polymerer erhölls baserade på dubbla sampolymerer av eten och propen - SKEPs (1955-1957). Dessa gummin har inga dubbelbindningar i polymerstrukturen, av denna anledning är gummin baserade på dem mycket motståndskraftiga i aggressiva miljöer, dessutom är de motståndskraftiga mot nötning.
På 1960-talet Den industriella produktionen av SKD- och SKI-3-gummin bemästrades i Sterlitamak, Togliatti och Volzhsk. I allmänhet använde alla dessa företag monomerer erhållna från olja snarare än från alkohol som råvara.
Sampolymerer av butadien och isopren började snabbt ersätta naturgummi vid tillverkning av bildäck. Så, om 1950 andelen av K. s. av den totala produktionen av naturligt och syntetiskt gummi var cirka 22 %, 1960 cirka 48 %, sedan 1971 ökade den till ~60 % (5 miljoner ton syntetiskt och 3 miljoner ton naturgummi), 1985 fanns det 12 miljoner ton syntetiskt gummi tillverkades och endast 4 miljoner ton naturgummi. I början av 1970-talet. Det fanns en åsikt att syntetiska gummin skulle ersätta naturliga. Men till följd av oljeembargot 1973 ökade oljepriserna kraftigt och samtidigt gjordes stora framsteg i produktionen av naturgummi i Malaysia, vilket gjorde det möjligt att kraftigt sänka dess pris. Än idag går det inte att bli av med naturgummi inom däckbranschen. För Japan, som inte har sina egna naturliga oljereserver, är det således mer lönsamt att köpa naturgummi från Malaysia och Indonesien. Ryssland, som har stora oljereserver, bör inte i något fall försumma den befintliga tekniken och kapaciteten för produktion av syntetiskt gummi.
Intensiv utveckling inom gummiteknikområdet i Sovjetunionen och Tyskland före andra världskriget förklarades av det faktum att dessa länder förstod att de i händelse av krig skulle vara avskurna från leveranser av naturgummi. USA närmade sig frågan annorlunda, USA försökte skapa en strategisk reserv av naturgummi. Som livet har visat räckte inte reserver till när Japan invaderade Sydostasien 1941. Av det som redan har skrivits är det tydligt att gummi spelade en viktig roll i världspolitiken.
Fenol-formaldehydhartser.
Världens första process för industriell framställning av en helt syntetisk polymer patenterades av L. Baekeland 1907. L. Baekeland patenterade den sk. Bakelitharts är en kondensationsprodukt av fenol och formaldehyd, som förvandlas till en tredimensionell polymer vid upphettning. Bakelit har använts i decennier som material för elektriska kapslingar och används nu som bindemedel och lim. Upptäckaren av reaktionen mellan fenol och formaldehyd var A. Bayer, som observerade bildandet av harts i denna reaktion redan 1872, men han var inte intresserad av resultatet. Från 1940-talet till mitten av 1970-talet. På grund av uppkomsten av nya typer av plaster minskade andelen fenolhartser snabbt. Men från och med 1975 började den snabba tillväxten i produktionen av dessa polymerer igen för behoven hos flyg, raketer, astronautik, etc., såväl som på grund av nedgången i oljereserverna. Faktum är att fenol erhålls från kol, vars reserver ojämförligt överstiger oljans. Dessutom, baserat på fenol-formaldehydhartser, fanns det ett brett utbud av material för värmeisoleringsbehov (spånskivor, fiberskivor), som blev relevanta i kampen mot energikrisen.
Polyeten och polypropen.
Eten är extremt svårt att polymerisera. Polymerisation av eten observerades första gången 1933 som en sidoreaktion. Redan 1937 utvecklade engelska kemister den första industriella metoden för tillverkning av polyeten, och 1946 började tillverkningen av polyetenflaskor.
1954 upptäckte Karl Ziegler och Giulio Natta en ny organometallisk katalysator, tack vare vilken de kunde utföra jonisk polymerisation av polyeten vid atmosfärstryck och en temperatur på 60 ° C.
De erhöll också stereoregelbunden polypropen med användning av en metallkomplexkatalysator.
Polytetrafluoreten (Teflon).
Den upptäcktes av misstag 1938 av R. Plunkett, som observerade den spontana bildningen av en vit pulverformig massa i cylindrar med tetrafluoretylen. 1941 patenterade han sin teknologi (USA, DuPont). 1954 föreslog den franske ingenjören Marc Gregor att man skulle använda teflon som beläggning för köksredskap. Teflon är extremt kemiskt inert och dess mjukningstemperatur når nästan 300 0 C.
Polystyren.
År 1866 identifierade M. Berthelot bildandet av en fast massa från styren vid upphettning som en polymerisationsprocess. 1946 etablerade G. Staudinger mekanismen för denna reaktion. Polystyren tillverkades första gången i Tyskland 1931.
Polymetylmetakrylat.
Polymetylmetakrylat (PMMA) eller plexiglas eller plexiglas skapades 1928. 1933 började tillverkningen av PMMA i Tyskland, 1936 erhölls PMMA i USSR vid Plastics Research Institute. Polymeren används i stor utsträckning inom flygindustrin, fordonsindustrin och konstruktion.
Polyvinylklorid.
Polymerisationen av vinylklorid utfördes första gången 1872 av den tyske kemisten Eugen Baumann. Förtjänsten med denna forskare var utvecklingen av en metod för radikal polymerisation av vinylklorid i närvaro av organiska peroxider. Aktiv praktisk användning av polyvinylklorid (PVC) började först i mitten av 1900-talet. Problemet var att ren PVC har många nackdelar. Vid rumstemperatur är den mycket spröd och oelastisk. Dessutom är det svårt att lösa upp eller smälta, vilket gör polymeren mycket svår att återvinna. På 30-talet Forskare har lyckats hitta stabilisatorer som ökar PVCs motståndskraft mot värme och ljus. Ett nytt material - mjukgjord polyvinylklorid - har fått stor spridning.
Den första kemiska fibern erhölls 1884 av den franske kemisten N. Chardonnay. Hans huvudsakliga forskning är relaterad till utvecklingen av nitrocellulosafiberteknologi (nitrosilk). 1892 bemästrade man produktionen av viskosfiber. De första acetatfibrerna började produceras samtidigt i England och USA.
Polyvinylkloridfibrer började tillverkas 1934, och fibrer baserade på en sampolymer av vinylklorid med vinylacetat (vignon) sedan 1937. 1939. polyamidfibrer dök upp, och 1943 polyakrylnitril (Orlon).
Skapandet av fiberteknologi är förknippat med namnen på sådana forskare som Cloete, som förutspådde möjligheten att producera fibrer från polyvinylklorid redan 1913, och G. Staudinger, som 1927 fick fibrer från en smälta av polyoximetylen och polyetylenoxid.
I Sovjetunionen, oberoende av USA och Tyskland, publicerades 1947 resultaten av forskning av Knunyants, Rogovin och Romashevsky om produktion av polyamidfibrer.
1936 skapades tekniken för syntetisk polyhexametylenadipamid, på grundval av vilken produktionen av nylonfiber började 1939.
I USA började tillverkningen av nylon-6,6-fiber baserad på kaprolaktam 1939.
Tekniken för polyakrylnitrilfibrer utvecklades samtidigt och oberoende i USA och Tyskland; 1934 började USA tillverka polyamidfibrer vid DuPont-fabriken. I Tyskland började produktionen flera år senare.
I Sovjetunionen tillverkades den första satsen nylonfiber 1948; 1957 började den första anläggningen för tillverkning av lavsanfiber att fungera; på 1960-talet. produktion av "nitron"-fiber baserad på polyakrylnitril började.
I början var företag som tillverkade kemiska fibrer mycket specialiserade, men när utbudet av fibrer ökade, utökades profilen för kemiska fiberfabriker och de producerade redan 3-4 typer av fibrer.
Fram till mitten av 1930-talet. All produktion av färger och lacker i vårt land baserades på importerade råvaror. Först 1936 började produktionen av glyftalhartser för tillverkning av motsvarande lacker att utvecklas. Syntesen av alkydhartser genom att reagera glycerin, kolofonium och tungolja befriade landet från import av kopaler (kopal är ett hårt, bärnstensliknande naturligt harts).
Åren 1947-1948 Workshops för produktion av urea, melamin och fenol-formaldehydhartser lanserades i Moskva och Yaroslavl. Utvecklingen av pentaftalhartser började, där glycerin ersattes med pentaerytritol.
Sedan 1951 började tillverkningen av fernissor baserade på perklorovinylhartser för flygindustrin och järnvägstransporter. På 1950-talet Alkohollösliga lacker skapades baserade på sampolymerer av butylmetakrylat med metylmetakrylat, metakrylamid, akrylnitril och metakrylsyra. Flera dussin märken av lacker, primers och emaljer skapades, inkl. lack DS-583, som tillverkas än i dag. Samtidigt bemästrades produktionen av A-15, en sampolymer av vinylklorid med vinylacetat. Kombinationen av A-15 med epoxihartser gjorde det möjligt att skapa rostskyddsfärger och minska antalet färgskikt under appliceringen.
Sedan 1956 har nitroemaljer för bilar helt ersatts av alkyd-melamin.
1963 bemästrades tillverkningen av epoxihartser för färg- och lackindustrins behov, samt antifouling-beläggningar baserade på klorerad polyvinylklorid.
1976-1980 Forsknings- och produktionsföreningar och ett oberoende forsknings- och designinstitut för oorganiska pigment och fartygsbeläggningar skapades.
För närvarande används nästan alla typer av polymermaterial för att producera färg- och lackkompositioner för olika ändamål: epoxihartser, uretan-elastomerer, kloroprengummi, fluorgummi, polyakrylater, polyorganosiloxaner, etc.
1. Encyclopedia of polymers in 3 volymer M.: Förlag "Sovjet Encyclopedia", 1974-1977.
2. Kemisk uppslagsverk i 5 volymer. M.: Great Russian Encyclopedia, 1992.
3. K. Manalov Stora kemister i 2 vol., M.: Mir, 1986.
4. O. I. Tuzhikov Historia och metodik för utvecklingen av polymervetenskap och industri, Volgograd: 1999.
5. V. Strube. Sätt att utveckla kemi i 2 volymer, volym 2., M.: Mir, 1984.
6. J. H. Briston, L. L. Katan Polymer films M.: Chemistry, 1993.
7. Yu. D. Semchikov Högmolekylära föreningar M.: Publishing Center "Academy", 2003.
Polymerer
Det finns dock många riktningar som gör det möjligt att använda gigantiska molekyler för fredliga syften. Så om helnitrerad cellulosa är ett sprängämne och endast kan användas som sådant, då delvis nitrerad cellulosa ( pyroxylin) är säkrare att hantera och kan användas inte bara för militära ändamål.
Den amerikanske uppfinnaren John Wesley Hyatt (1837-1920), som försökte vinna ett pris etablerat för skapandet av en elfenbensersättning för biljardbollar, uppmärksammade först och främst delvis nitrerad cellulosa. Han löste det i en blandning av alkohol och eter och tillsatte kamfer för att göra det nya ämnet lättare att bearbeta. År 1869 hade Hyatt vad han kallade celluloid, och vann ett pris. Celluloid var den första syntetiska plast- ett material som kan gjutas i formar.
Men som det visade sig kan delvis nitrerad cellulosa inte bara formas till bollar utan också dras till fibrer och filmer. Den franske kemisten Louis Marie Guillard Bernigo, greve av Chardonnay (1839-1924), erhöll sådana fibrer genom att pressa en nitrocellulosalösning genom mycket tunna hål. Lösningsmedlet avdunstade nästan omedelbart.
Från de resulterande fibrerna var det möjligt att väva ett material som liknade siden i sin lyster. 1884 tog Chardonnay patent på sin rayon. Chardonnay döpte detta tyg område- avge ljus, eftersom tyget lyste och verkade avge ljus.
Vi är skyldiga utseendet på plastfilmer till den amerikanske uppfinnaren George Eastman (1854-1932). Eastman var intresserad av fotografi. I ett försök att förenkla utvecklingsprocessen började han blanda en emulsion av silverföreningar med gelatin för att göra emulsionen torr. Den på detta sätt erhållna blandningen kunde lagras och därför förberedas för framtida användning. 1884 bytte Eastman ut glasplåtar med celluloid.
Celluloid är icke-explosiv, men det är mycket brandfarligt, vilket kan orsaka bränder, så Eastman började leta efter mindre brandfarliga material. När acetylgrupper infördes i cellulosa istället för nitrogrupper förblev den resulterande produkten lika plastisk som nitrocellulosa, men den var inte längre brandfarlig. Sedan 1924 började cellulosaacetatfilmer användas vid framställning av filmer, eftersom den framkallande filmindustrin var i särskilt stort behov av en celluloidersättning.
Genom att studera naturliga föreningar med hög molekylvikt hoppades kemister inte bara få sina syntetiska analoger utan också att upptäcka nya typer av föreningar. En av metoderna för syntes av jättemolekyler är polymerisation av monomerer(monomer är ett ämne vars molekyler kan reagera med varandra eller med molekyler av andra ämnen för att bilda en polymer).
Metoden att kombinera monomerer till en gigantisk molekyl kan förklaras åtminstone med exemplet med eten C2H4. Låt oss skriva strukturformlerna för två etenmolekyler:
Låt oss föreställa oss att en väteatom har flyttat från en molekyl till en annan, som ett resultat, istället för en dubbelbindning, uppstår en fri enkelbindning i denna molekyl. En fri bindning uppträdde också i den första molekylen från vilken väte lämnades. Därför kan dessa två molekyler ansluta med varandra.
En sådan molekyl innehåller redan fyra kolatomer och en dubbelbindning, precis som den ursprungliga etenmolekylen. Därför, när denna molekyl interagerar med en annan etenmolekyl, kan förskjutningen av en väteatom och brytningen av dubbelbindningen också inträffa. Den resulterande molekylen kommer att innehålla sex kolatomer och en dubbelbindning. På så sätt kan en molekyl med åtta, tio eller fler kolatomer erhållas successivt. Det är faktiskt möjligt att erhålla molekyler av nästan vilken längd som helst på detta sätt.
Den amerikanske kemisten Leo Hendrik Baekeland (1863-1944) letade efter en ersättning för schellack, ett vaxartat ämne som utsöndras av vissa arter av tropiska insekter. För detta ändamål behövde han en lösning av ett klibbigt tjärliknande ämne. Baekeland började med att polymerisera fenol och formaldehyd och skaffa en polymer som han inte kunde hitta något lösningsmedel för. Detta faktum ledde honom till idén att en sådan fast, praktiskt taget olöslig och, som det visade sig, icke-ledande polymer kunde visa sig vara ett värdefullt material. Till exempel kan delar gjutas av den som lätt kan bearbetas på maskiner. År 1909 rapporterade Baekeland om det material han hade skaffat, vilket han kallade bakelit. Detta fenol-formaldehydharts var den första syntetiska plasten, som förblir oöverträffad i ett antal egenskaper.
Syntetiska fibrer har också funnit tillämpning. Denna riktning leddes av den amerikanske kemisten Wallace Hume Carothers (1896-1937). Tillsammans med den amerikanske kemisten Julius Arthur Newland (1878-1936) undersökte han gummirelaterade elastomerer. Resultatet av hans arbete var kvittot 1932. neopren- ett av de syntetiska gummina.
Carothers fortsatte sin studie av polymerer och försökte polymerisera en blandning av diaminer och dikarboxylsyror och erhöll en fibrös polymer. De långa molekylerna i denna polymer innehåller kombinationer av atomer som liknar peptidbindningarna (se avsnittet "Proteiner") i silkesprotein. Genom att dra ut dessa fibrer får vi det vi kallar idag nylon. Carothers avslutade detta arbete strax före sin förtida död. Andra världskrigets utbrott tvingade kemister att tillfälligt glömma Carothers upptäckt. Men efter krigets slut började nylon tränga undan siden och ersatte det snart (särskilt vid tillverkning av strumpor).
De första syntetiska polymererna erhölls som regel av en slump genom försök och misstag, eftersom lite var känt vid den tiden om strukturen hos jättemolekyler och polymerisationsmekanismen. Den tyske kemisten Hermann Staudinger (1881-1965) var den första som studerade polymerernas struktur och gjorde mycket inom detta område. Staudinger lyckades avslöja den allmänna principen för konstruktionen av många högmolekylära naturliga och konstgjorda ämnen och skissera vägar för deras forskning och syntes. Tack vare Staudingers arbete blev det klart att tillsatsen av monomerer till varandra kan ske slumpmässigt och leda till bildandet av grenade kedjor, vars styrka är mycket lägre.
Intensiva sökningar började efter sätt att få linjära, ogrenade polymerer. Och 1953 upptäckte den tyske kemisten Karl Ziegler (1898-1973) sin berömda titan-aluminiumkatalysator, som producerade polyeten med en regelbunden struktur.
Den italienske kemisten Giulio Natta (1903-1979) modifierade Zieglers katalysator och utvecklade en metod för att framställa en ny klass av syntetiska högmolekylära föreningar - stereoregelbundna polymerer. En metod för att framställa polymerer med önskade egenskaper utvecklades.
En av de viktigaste källorna till essentiella organiska föreningar som behövs för produktion av nya syntetiska produkter är olja. Denna vätska har varit känd sedan urminnes tider, men för att kunna använda den i stora mängder var det nödvändigt att hitta ett sätt att pumpa ut olja ur stora underjordiska avlagringar. Den amerikanske uppfinnaren Edwin Laurentian Drake (1819-1880) var den första som började borra oljekällor 1859. Ett sekel senare blev olja den viktigaste källan till organiska föreningar, värme och energi.
En ännu viktigare källa till ekologiska produkter är kol, även om vi i en tid med förbränningsmotorer tenderar att glömma bort det. Den ryske kemisten Vladimir Nikolaevich Ipatiev (1867-1952) började vid sekelskiftet studera komplexa kolväten som finns i olja och stenkolstjära, och i synnerhet att studera deras reaktioner vid höga temperaturer. Den tyske kemisten Friedrich Karl Rudolf Bergius (1884-1949), med hjälp av data från Ipatiev, utvecklade 1912 praktiska metoder för att behandla kol och olja med väte för att producera bensin.
Dock världsreserver fossilt bränsle(kol plus olja) är begränsade och oersättliga. Alla prognoser tyder på att det kommer en dag då fossila bränslereserver kommer att vara uttömda, och att denna dag inte är långt borta, speciellt eftersom jordens befolkning ökar snabbt och följaktligen behovet av energi ökar.
Ministeriet för utbildning och vetenskap i Ryska federationen
federal statlig självständig utbildningsinstitution
högre yrkesutbildning
"NATIONELL FORSKNING
TOMSK POLYTECHNIC UNIVERSITY"
Institutet för naturresurser
Utbildningens inriktning (specialitet) Kemisk teknik
Institutionen för kemisk teknik för bränsle och kemisk kybernetik
Uppsats
Abstrakt titel:
“ Naturliga polymerer, polymerer runt omkring oss "
inom disciplinen "Introduktion till teknik"
Kompletteras av elever gr. 2D42 Nikonova Nyurguyaana
Prokopchuk Kristina
Dayanova Regina
Sammanfattning accepterat:
Moises O.E.
(Signatur)
2014
(datum för rapportverifiering)
Tomsk 2014
1.Inledning………………………………………………………………………………………………………..2
2. Begreppet polymer och klassificering ………………………………………………………….3
3. Massa………………………………………………………………………………………………………………………………………………3
4. Stärkelse…………………………………………………………………………………………………………………………………5
5. Glutin…………………………………………………………………………………………………………………………………..6
6. Kasein…………………………………………………………………………………………………………………………………6
7. Gummi………………………………………………………………………………………………………………………………….7
8. Gummi………………………………………………………………………………………………………………………………………7
9. Syntetiska polymerer………………………………………………………………………...9
10. Egenskaper och viktigaste egenskaper………………………………………………………10
11. Kemiska reaktioner………………………………………………………………………………………………….11
12.Kvitto………………………………………………………………………………………………………………………………………12
13.Polymerer i jordbruket…………………………………………………………………..12
14.Polymerer i industrin………………………………………………………………….14
Introduktion
Termen "polymerism" introducerades i vetenskapen av I. Berzelius 1833 för att beteckna en speciell typ av isomerism, där ämnen (polymerer) med samma sammansättning har olika molekylvikter, till exempel eten och butylen, syre och ozon. Detta innehåll i termen motsvarade inte moderna idéer om polymerer. "Äkta" syntetiska polymerer var ännu inte kända vid den tiden.
Ett antal polymerer framställdes tydligen redan under första hälften av 1800-talet. Men kemister försökte då vanligtvis undertrycka polymerisation och polykondensation, vilket ledde till "resinisering" av produkterna från den huvudsakliga kemiska reaktionen, det vill säga i själva verket till bildandet av polymerer (polymerer kallas fortfarande ofta "hartser"). De första omnämnandena av syntetiska polymerer går tillbaka till 1838 (polyvinylidenklorid) och 1839 (polystyren),
Polymerkemi uppstod endast i samband med skapandet av teorin om kemisk struktur av A.M. Butlerov. A.M. Butlerov studerade förhållandet mellan strukturen och den relativa stabiliteten hos molekyler, manifesterad i polymerisationsreaktioner. Vetenskapen om polymerer fick sin vidareutveckling främst tack vare det intensiva sökandet efter metoder för att syntetisera gummi, där de ledande forskarna i många länder deltog (G. Buscharda, W. Tilden, den tyske vetenskapsmannen K. Harries, I. L. Kondakov, S. V. Lebedev och andra ). På 30-talet bevisades förekomsten av fria radikaler och joniska polymerisationsmekanismer. W. Carothers verk spelade en stor roll i utvecklingen av idéer om polykondensering.
Sedan början av 20-talet av 1900-talet har även teoretiska idéer om polymerers struktur utvecklats.Initialt antog man att biopolymerer som cellulosa, stärkelse, gummi, proteiner, samt några syntetiska polymerer liknande dem i egenskaper (till exempel polyisopren), består av små molekyler som har den ovanliga förmågan att associera i lösning till komplex av kolloidal natur på grund av icke-kovalenta bindningar (teorin om "små block"). Författaren till ett i grunden nytt koncept av polymerer som substanser bestående av makromolekyler, partiklar med ovanligt hög molekylvikt, var G. Staudinger. Segern för denna forskares idéer tvingade oss att betrakta polymerer som ett kvalitativt nytt studieobjekt inom kemi och fysik.
Polymer koncept och klassificering
Polymerer- kemiska föreningar med hög molekylvikt (från flera tusen till många miljoner), vars molekyler (makromolekyler) består av ett stort antal repeterande grupper (monomerenheter). Atomerna som utgör makromolekyler är förbundna med varandra genom krafter av huvud- och (eller) koordinationsvalenser.
Klassificering.
Baserat på deras ursprung delas polymerer in i:
naturliga (biopolymerer), till exempel proteiner, nukleinsyror, naturliga hartser
syntetiska, till exempel polyeten, polypropen, fenol-formaldehydhartser.
Naturliga polymerer som används vid tryckning inkluderar: polysackarider (cellulosastärkelse, gummin), granar, glutin, kasein, albumin), polydiener (gummi).
Cellulosa
Cellulosa, eller fiber (från det latinska ordet "cellulula" - cell), är utbredd i naturen. Cellulosa är en stark fibrös substans av organiskt ursprung som utgör stödvävnaden för alla växter (växtceller).
Fysikaliska egenskaper hos cellulosa
Cellulosafibrer kännetecknas av sin vithet, flexibilitet, styrka, elasticitet, d.v.s. förmågan att reversibelt deformeras utan förstörelse även under hög mekanisk påfrestning, olöslighet i vatten och organiska lösningsmedel och osmältbarhet.
Cellulosa tål uppvärmning upp till 150° utan att förstöras; vid högre temperaturer observeras depolymerisation av cellulosa och tillhörande förlust av styrka, och vid 270° och uppåt börjar termisk sönderdelning med frisättning av sönderdelningsprodukter: ättiksyra, metylalkohol, ketoner, varvid resten är tjära och kol.
Strukturen av cellulosafiber.
Varje växtfiber, till exempel bomull, lin, trä etc., är en cell, vars skal huvudsakligen består av cellulosa. Inuti fibern finns en kanal - en kapillär, tillgänglig för penetration av luft och fukt. Tekniska cellulosafibrer har en medellängd på 2,5-3 mm (gran, tall, björk, poppel) och 20-25 mm (lin, bomull, hampa) med en diameter på 25 mikron.
Cellulosaväxtfiber har en fibrillär struktur. Fibriller är trådliknande, elementära rullfönster - förpackningar av cellulosamolekyler som är fast förbundna med varandra genom vätebindningar, 50 µm långa och 0,1-0,4 µm i diameter. Troligtvis bildar cellulosa ett ordnat system av trådar - fibriller, som ligger tätare runt fiberns inre kanal (kapillär) och lösare i dess yttre skikt. I utrymmena mellan fibrillerna finns micellulosor och lignin, och deras innehåll ökar från cellstrukturens inre skikt till de yttre. De intercellulära utrymmena av cellulosa är övervägande fyllda med lignin.
Den huvudsakliga cellulosakällan är trä... Trä är den inre delen av träd, som ligger under barken och utgör den huvudsakliga växtvävnaden från vilken trädstammen bildas.
En levande cell i ett växande träd har ett cellulosaskal (väggar), en inre hålighet fylld med protoplasma och en kärna. En levande cell är kapabel att växa och bilda nya träformationer i kambiumlagret, under barken, från år till år i ett växande träd.
Levande celler genomgår lignifiering med tiden, vilket i slutändan leder till deras fullständiga död, eller lignifiering. Celllignifiering sker huvudsakligen som ett resultat av utseendet av lignin i den. Trä består av 90-95% av sådana döda celler - fibrer, som saknar protoplasma och kärna, men kan delas, med en inre hålighet fylld med luft och vatten.
Cellulosas kemiska struktur och egenskaper. Cellulosa är en naturlig polysackaridpolymer som tillhör kolhydratklassen. Den gigantiska molekylen (makromolekylen) av cellulosa är uppbyggd av upprepade strukturella enheter - β-glukosrester (O6H10O5)p. Talet n, eller polymerisationskoefficienten, visar hur många gånger en strukturell enhet - en β-glukosrest - upprepas i en cellulosamakromolekyl, och kännetecknar därför längden på molekylkedjan (molekyllängden) och förbestämmer dess molekylvikt.
Polymerisationskoefficienten för cellulosa av olika ursprung är olika. Så för träcellulosa är det 3000, för bomull - 12 000, för lin - 36 000 (ungefär). Detta förklarar den stora styrkan hos bomulls- och linfibrer jämfört med träcellulosafibrer.
Alkalisk cellulosa erhålls genom att behandla cellulosa med en lösning av natriumhydroxid. I detta fall ersätts väteatomerna i alkoholhydroxyler delvis eller helt med natriumatomer. Alkalisk cellulosa, utan att förlora sin fibrösa struktur, kännetecknas av ökad kemisk aktivitet, som används vid framställning av cellulosaetrar, till exempel karboximetylcellulosa.
Karboximetylcellulosa (CMC) är en eter av cellulosa och glykolsyra. Den industriella metoden för framställning av karboximetylcellulosa är baserad på växelverkan mellan alkalicellulosa och monoklorättiksyra.
Hemicellulosa är en korsning mellan cellulosa och stärkelse. De är också polysackarider. Hemicellulosamolekyler är uppbyggda av monosackarider: mannos (hexos) och xylos (pentos). Hemicellulosa har ingen fibrös struktur. De fungerar som reservnäring för växter och skyddar dem från infektioner. Hemicellulosor sväller i vatten och hydrolyseras relativt lätt även av mycket utspädda syror, de löser sig i 18,5% alkali. Hemicellulosa är inte skadliga föroreningar av cellulosa som används för att tillverka papper. Tvärtom är träcellulosa med hög halt av hemicellulosa lätt att slipa och papper som tillverkas av den har ökad styrka (särskilt ytor), eftersom hemicellulosa är ett mycket bra naturligt limningsmedel.
Lignin är ett kemiskt instabilt ämne: under påverkan av ljus, fukt, syre, luft och värme förstörs lignin, som ett resultat av vilket växtfibrer förlorar styrka och mörknar. Lignin, till skillnad från cellulosa, löser sig i utspädda syror och alkalier. Metoder för att framställa cellulosa från trä, halm, vass och andra växtvävnader är baserade på denna egenskap hos lignin. Ligninets struktur är mycket komplex och har ännu inte studerats tillräckligt; Det är känt att lignin är en naturlig polymer, vars strukturella enhet är en rest av en mycket reaktiv aromatisk alkohol - β-oxikoniferyl.
Polymerer är kemiska föreningar med hög mol. massa (från flera tusen till många miljoner), vars molekyler (makromolekyler) består av ett stort antal upprepade grupper (monomerenheter). Atomerna som utgör makromolekyler är förbundna med varandra genom krafter av huvud- och (eller) koordinationsvalenser.
Baserat på deras ursprung delas polymerer in i naturliga (biopolymerer), till exempel proteiner, nukleinsyror, naturliga hartser och syntetiska, till exempel polyeten, polypropen, fenol-formaldehydhartser. Atomer eller atomgrupper kan vara lokaliserade i en makromolekyl i form av: en öppen kedja eller en långsträckt sekvens av cykler (linjära polymerer, till exempel naturgummi); grenade kedjor (grenade polymerer, t.ex. amylopektin), tredimensionella nätverk (tvärbundna polymerer, t.ex. härdade epoxihartser). Polymerer vars molekyler består av identiska monomerenheter kallas homopolymerer (till exempel polyvinylklorid, polykaproamid, cellulosa). kemisk polymer syntetisk supramolekylär
Makromolekyler med samma kemiska sammansättning kan byggas från enheter med olika rumsliga konfigurationer. Om makromolekyler består av samma stereoisomerer eller av olika stereoisomerer som alternerar i kedjan vid en viss periodicitet, kallas polymererna stereoregulära.
Polymerer vars makromolekyler innehåller flera typer av monomerenheter kallas sampolymerer. Sampolymerer där enheter av varje typ bildar tillräckligt långa kontinuerliga sekvenser som ersätter varandra inom makromolekylen kallas blocksampolymerer. En eller flera kedjor av en annan struktur kan fästas till de interna (icke-terminala) länkarna i en makromolekyl med en kemisk struktur. Sådana sampolymerer kallas ympsampolymerer.
Polymerer där varje eller några stereoisomerer av en enhet bildar tillräckligt långa kontinuerliga sekvenser som ersätter varandra inom en makromolekyl kallas stereoblocksampolymerer.
Beroende på sammansättningen av huvudkedjan (huvudkedjan) delas polymerer in i: heterokedja, vars huvudkedja innehåller atomer av olika grundämnen, oftast kol, kväve, kisel, fosfor och homokedja, vars huvudkedja är uppbyggd från identiska atomer. Av homokedjepolymererna är de vanligaste kolkedjepolymerer, vars huvudkedjor endast består av kolatomer, till exempel polyeten, polymetylmetakrylat, polytetrafluoreten. Exempel på heterokedjepolymerer är polyestrar (polyetylentereftalat, polykarbonater), polyamider, urea-formaldehydhartser, proteiner och vissa organokiselpolymerer. Polymerer vars makromolekyler, tillsammans med kolvätegrupper, innehåller atomer av oorganiska grundämnen kallas organoelement. En separat grupp av polymerer bildas av oorganiska polymerer, till exempel plastsvavel, polyfosfonitrilklorid.
Egenskaper och viktigaste egenskaper. Linjära polymerer har en specifik uppsättning fysikalisk-kemiska och mekaniska egenskaper. Den viktigaste av dessa egenskaper: förmågan att bilda höghållfasta anisotropa högorienterade fibrer och filmer, förmågan att genomgå stora, långvariga reversibla deformationer; förmågan att svälla i ett mycket elastiskt tillstånd innan det löses upp; hög viskositet av lösningar. Denna uppsättning egenskaper beror på den höga molekylvikten, kedjestrukturen och flexibiliteten hos makromolekyler. När man går från linjära kedjor till grenade, glesa tredimensionella nätverk och slutligen till täta nätstrukturer, blir denna uppsättning egenskaper mindre och mindre uttalad. Mycket tvärbundna polymerer är olösliga, osmältbara och oförmögna till högelastiska deformationer.
Polymerer kan existera i kristallina och amorfa tillstånd. Ett nödvändigt villkor för kristallisation är regelbundenhet hos tillräckligt långa sektioner av makromolekylen. I kristallina polymerer kan olika supramolekylära strukturer (fibriller, sfäruliter, enkristaller) uppträda, vars typ till stor del bestämmer polymermaterialets egenskaper.Supramolekylära strukturer i icke-kristalliserade (amorfa) polymerer är mindre uttalade än i kristallina.
Icke-kristalliserade polymerer kan existera i tre fysiska tillstånd: glasartade, mycket elastiska och viskösa. Polymerer med låg (under rums-) temperatur för övergång från ett glasartat till ett mycket elastiskt tillstånd kallas elastomerer, medan de med hög temperatur kallas plaster. Beroende på makromolekylernas kemiska sammansättning, struktur och relativa arrangemang kan polymerernas egenskaper variera inom mycket vida gränser. Sålunda är 1,4.-cispolybutadien, byggd av flexibla kolvätekedjor, vid en temperatur av ca 20°C ett elastiskt material, som vid en temperatur av -60°C omvandlas till ett glasartat tillstånd; polymetylmetakrylat, byggt av styvare kedjor, vid en temperatur på cirka 20 ° C är en fast glasartad produkt som förvandlas till ett mycket elastiskt tillstånd först vid 100 ° C. Cellulosa, en polymer med mycket stela kedjor förbundna med intermolekylära vätebindningar, kan i allmänhet inte existera i ett mycket elastiskt tillstånd före dess nedbrytningstemperatur.
Stora skillnader i polymerernas egenskaper kan observeras även om skillnaderna i makromolekylernas struktur vid första anblicken är små. Således är stereoregelbunden polystyren en kristallin substans med en smältpunkt på cirka 235 °C, medan icke-stereoregelbunden polystyren inte kan kristallisera alls och mjuknar vid en temperatur av cirka 80 °C.
Polymerer kan ingå i följande huvudtyper av reaktioner: bildandet av kemiska bindningar mellan makromolekyler (så kallad tvärbindning), till exempel under vulkanisering av gummi och garvning av läder; sönderdelning av makromolekyler till separata, kortare fragment, reaktioner av sidofunktionella grupper av polymerer med ämnen med låg molekylvikt som inte påverkar huvudkedjan (så kallade polymeranaloga transformationer); intramolekylära reaktioner som inträffar mellan funktionella grupper i en makromolekyl, till exempel intramolekylär cyklisering. Tvärbindning sker ofta samtidigt med destruktion. Ett exempel på polymeranaloga transformationer är förtvålningen av polytylacetat, vilket leder till bildandet av polyvinylalkohol. Reaktionshastigheten för polymerer med ämnen med låg molekylvikt begränsas ofta av diffusionshastigheten för de senare in i polymerfasen. Detta är mest uppenbart i fallet med tvärbundna polymerer. Hastigheten för interaktion mellan makromolekyler och lågmolekylära ämnen beror ofta signifikant på arten och placeringen av närliggande enheter i förhållande till den reagerande enheten. Detsamma gäller för intramolekylära reaktioner mellan funktionella grupper som tillhör samma kedja.
Vissa egenskaper hos polymerer, till exempel löslighet, förmåga till viskös flöde, stabilitet, är mycket känsliga för verkan av små mängder föroreningar eller tillsatser som reagerar med makromolekyler. För att transformera en linjär polymer från löslig till fullständigt olöslig räcker det alltså att bilda 1-2 tvärbindningar per makromolekyl.
De viktigaste egenskaperna hos polymerer är deras kemiska sammansättning, molekylvikt och molekylviktsfördelning, graden av förgrening och flexibilitet hos makromolekyler, stereoregularitet och andra. Polymerernas egenskaper beror väsentligt på dessa egenskaper.
Naturliga polymerer bildas under biosyntesen i cellerna hos levande organismer. Med hjälp av extraktion, fraktionerad utfällning och andra metoder kan de isoleras från växt- och djurmaterial. Syntetiska polymerer framställs genom polymerisation och polykondensation. Karbokedjepolymerer syntetiseras vanligtvis genom polymerisation av monomerer med en eller flera multipla kolbindningar eller monomerer innehållande instabila karbocykliska grupper (till exempel från cyklopropan och dess derivat). Heterokedjepolymerer erhålls genom polykondensation, såväl som polymerisation av monomerer innehållande flera bindningar av ett kolelement (till exempel C=O, C=N, N=C=O) eller svaga heterocykliska grupper.
Idag kan vi prata om minst fyra huvudområden för användning av polymermaterial i jordbruket. Både i inhemsk och internationell praxis tillhör förstaplatsen filmer. Tack vare användningen av perforerad mulching-film på fälten ökar avkastningen av vissa grödor med upp till 30%, och mognadstiden påskyndas med 10-14 dagar.
Användningen av polyetenfilm för vattentätning av skapade reservoarer säkerställer en betydande minskning av förluster av lagrad fukt. Att täcka hösilage, ensilage och grovfoder med film säkerställer att de bevaras bättre även under ogynnsamma väderförhållanden. Men huvudområdet för användning av filmpolymermaterial i jordbruket är konstruktion och drift av filmväxthus. För närvarande har det blivit tekniskt möjligt att tillverka filmark med en bredd på upp till 16 m, och detta gör det möjligt att bygga filmväxthus med en basbredd på upp till 7,5 och en längd på upp till 200 m. I sådana växthus är alla jordbruksprodukter arbete kan utföras mekaniserat; Dessutom låter dessa växthus dig odla produkter året runt. I kallt väder värms växthus igen med polymerrör begravda i jorden till ett djup av 60-70 cm.
Ur synvinkeln av den kemiska strukturen hos polymerer som används i växthus av detta slag kan man notera den övervägande användningen av polyeten, opplastad polyvinylklorid och, i mindre utsträckning, polyamider. Polyetenfilmer kännetecknas av bättre ljusgenomsläpplighet, bättre hållfasthetsegenskaper, men sämre väderbeständighet och relativt hög värmeförlust. De kan bara serveras ordentligt i 1-2 säsonger. Polyamid och andra filmer används fortfarande relativt sällan.
De andra två huvudområdena för användning av polymermaterial inom jordbruket är konstruktion, särskilt boskapsbyggnader, och maskinteknik.
En speciell kultur av mikrober odlas på förbrukade sulfitlutar i speciella fermentorer vid 38 ° C, medan ammoniak tillsätts där. Utbytet av foderprotein är 50-55%; den äts med aptit av grisar och fjäderfä.
Traditionellt hålls många sportevenemang på gräsplaner. Fotboll, tennis, krocket... Tyvärr leder sportens dynamiska utveckling, toppbelastningar vid mål eller vid nätet till att gräset inte hinner växa från en tävling till en annan. Och ingen mängd trädgårdsmästarknep kan hantera detta. Det går givetvis att hålla liknande tävlingar på exempelvis asfalt, men hur är det med traditionella sporter? Syntetmaterial kom till undsättning. Polyamidfilm med en tjocklek på 1/40 mm (25 mikron) skärs i remsor 1,27 mm breda, sträcks ut, krymps och flätas sedan samman för att erhålla en lätt, voluminös massa som imiterar gräs. För att förhindra brand, tillsätts brandskyddsmedel till polymeren i förväg, och för att förhindra att elektriska gnistor faller under idrottarnas fötter används ett antistatiskt medel. Syntetiska gräsmattor limmas på den förberedda basen - och sedan är en gräsplan eller fotbollsplan eller annan idrottsplats klar. Och när enskilda delar av spelplanen slits ut kan de ersättas med nya mattor tillverkade med samma teknik och samma gröna färg.
Det är inte förvånande att denna industri är huvudkonsumenten av nästan alla material som produceras i vårt land, inklusive polymerer. Användningen av polymermaterial inom maskinteknik växer i en takt som inte har något motstycke i hela mänsklighetens historia. Till exempel, 1976 1. förbrukade maskintekniken i vårt land 800 000 ton plast, och 1960 - endast 116 000 ton. Det är intressant att notera att för tio år sedan skickades 37-38% av alla produkter som producerades i vårt land till maskinteknisk plast, och 1980 minskade maskinteknikens andel av plastanvändningen till 28 %. Och poängen här är inte att behovet kan minska, utan att andra sektorer av den nationella ekonomin började använda polymermaterial i jordbruket, byggandet och lätt- och livsmedelsindustrin ännu mer intensivt.
Det är lämpligt att notera att de senaste åren har polymermaterialens funktion i alla branscher förändrats något. Fler och fler ansvarsfulla uppgifter började anförtros till polymerer. Fler och fler relativt små, men strukturellt komplexa och kritiska delar av maskiner och mekanismer började tillverkas av polymerer, och samtidigt började polymerer alltmer användas vid tillverkning av stora kroppsdelar av maskiner och mekanismer som bär betydande belastningar. Ett annat område som är specifikt för polymerer, där deras fördelar gentemot andra material tydligast manifesteras, är området för inre och yttre efterbehandling.
Ett annat tillämpningsområde för polymermaterial inom maskinteknik, värt att särskilt nämna, är tillverkningen av metallskärande verktyg. I takt med att användningen av starka stål och legeringar ökar ställs allt strängare krav på bearbetningsverktyg. Och även här kommer plasten till räddning för verktygsmakaren och maskinföraren. Men inte helt vanliga plaster med ultrahög hårdhet, sådana som vågar konkurrera även med diamant. Hårdhetens kung, diamanten, har ännu inte avsatts från sin tron, men saker och ting närmar sig. Vissa oxider (till exempel från släktet cubic zirconia), nitrider, karbider, uppvisar redan idag inte mindre hårdhet och dessutom större värmebeständighet. Problemet är att de fortfarande är dyrare än naturliga och syntetiska diamanter, och dessutom har de ett "kungligt fel" - de är mestadels ömtåliga. Så för att hålla dem från att spricka måste varje korn av sådant slipmedel omges av polymerförpackningar, oftast gjorda av fenol-formaldehydhartser. Därför tillverkas idag tre fjärdedelar av slipverktygen med syntetiska hartser.
Detta är bara några exempel på huvudtrenderna i introduktionen av polymermaterial i undersektorerna för maskinteknik. Bilindustrin intar nu förstaplatsen när det gäller tillväxt i plastanvändning bland andra delsektorer. För tio år sedan användes från 7 till 12 typer av olika plaster i bilar, i slutet av 70-talet översteg detta antal 30. Ur kemisk struktursynpunkt, som man kan förvänta sig, de första platserna vad gäller volym upptas av styrenplaster, polyvinylklorid och polyolefiner. De är fortfarande något sämre än dem, men polyuretaner, polyestrar, akrylater och andra polymerer kommer aktivt ikapp.
Listan över bildelar som är gjorda av polymerer i vissa modeller idag skulle ta mer än en sida. Karosser och hytter, verktyg och elektrisk isolering, inredning och stötfångare, radiatorer och armstöd, slangar, säten, dörrar, huva. Dessutom har flera olika företag utomlands redan meddelat att de börjar tillverka bilar helt i plast. De mest karakteristiska trenderna i plastanvändningen för fordonsindustrin är i allmänhet desamma som i andra delsektorer. För det första sparar det material: avfallsfri eller lågavfallsgjutning av stora block och sammansättningar. För det andra, tack vare användningen av lätta och lätta polymermaterial, reduceras bilens totala vikt, vilket innebär att bränsle kommer att sparas under dess drift. För det tredje, gjorda som en enda enhet, förenklar block av plastdelar avsevärt monteringen och sparar arbete.
Förresten, samma fördelar stimulerar den utbredda användningen av polymermaterial inom flygindustrin. Genom att till exempel ersätta en aluminiumlegering med grafitplast vid tillverkningen av en flygplansvinglist kan du minska antalet delar från 47 till 14, fästelement från 1464 till 8 bultar, minska vikten med 22% och kostnaden med 25%. Samtidigt är produktens säkerhetsmarginal 178%. Helikopterblad och jetmotorfläktblad rekommenderas att tillverkas av polykondensationshartser fyllda med aluminiumsilikatfibrer, vilket minskar flygplanets vikt samtidigt som styrkan och tillförlitligheten bibehålls. Enligt engelska patent nr 2047188 ökar beläggningen av bärytorna på flygplans- eller helikopterrotorbladen med ett skikt av polyuretan med en tjocklek på endast 0,65 mm deras motståndskraft mot regnerosion med 1,5-2 gånger. Strikta krav ställdes inför konstruktörerna av det första anglo-franska överljudspassagerarflygplanet, Concorde. Man beräknade att friktion med atmosfären skulle värma flygplanets yttre yta till 120-150°C och samtidigt krävdes att det inte skulle ge efter för erosion under minst 20 000 timmar. En lösning på problemet hittades genom att ytbelägga flygplansskyddet med en tunn film av fluorplast.