Полимеры в машиностроении

Вид материала

Документы

Содержание Историческая справка. Строение и свойства полимеров Классификация полимеров Реакция полимеризации Реакция поликонденсации – Первичную структуру Вторичная структура Третичная структура Четвертичная структура Полимеры в машиностроении Список литературы

Подобный материал:

• «Полимеры и наноматериалы», 38.29kb.
• Приглашение 1-я международная научно-практическая конференция инновации в машиностроении, 40.84kb.
• Полимерные системы в катализе и электрокатализе возможности и перспективы, 16.03kb.
• Лекция Структура нуклеиновых кислот. Роль молекул ДНК и рнк в клетках, 182.01kb.
• Автоматизация технологической подготовки производства для малых инновационных предприятий, 671.97kb.
• Методические указания по выполнению дипломных проектов для студентов специальности, 294.98kb.
• Автореферат разослан 17 апреля 2009 года, 260.15kb.
• Рабочая программа по дисциплине мировая экономика специальность 080502 Экономика, 147.93kb.
• Полимеры и наночастицы. Куда идем и будет ли встреча?, 897.43kb.
• Свойства белков и аминокислот, 100.39kb.

Содержание


Историческая справка……………………………………………..……….………2

Строение и свойства полимеров………………………………………….…..3 - 5

Классификация полимеров………………………………………………….…….6

Получение………………………………………………………………….……7 - 9

Пластмассы………………………………………………………………….…..…..9

Волокна…………………………………………………………………………9 - 10

Биополимеры………………………………………………………………....10 - 13

Полимеры в сельском хозяйстве……………………………………….……13 - 14

Полимеры в машиностроении………………………………………...…….14 - 17

Тефлон…………………………………………………………………..…….17 – 18

Каучук, резина и другие…………………………………………………..…18 - 19

Фенолформальдегидные смолы……………………………………..……..……..20

Органическое стекло………………………………………………………….20 - 21

Список литературы………………………………………………………….……..22

.


Историческая справка.


Термин “поли­мерия” был введен в науку И.Берцелиусом в 1833 г. для обозначения особого вида изомерии, при которой вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладают различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Такое содер­жание термина не соответствовало современным представлениям о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.

Ряд полимеров был, по-видимому, получен еще в первой половине XIX века. Однако химики тогда обычно пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е., собственно, к образованию полимеров (до сих пор полимеры часто называют “смолами”). Первые упоминания о синтетических полимерах отно­сятся к 1838 г. (поливинилиденхлорид) и 1839 г. (полистирол),

Химия полимеров возникла только в связи с созданием А.М.Бутлеровым теории химического строения. А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью мо­лекул, проявляющейся в реакциях поли­меризации. Дальнейшее свое развитие наука о полимерах по­лучила главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука, в которых участвовали крупнейшие учёные многих стран (Г. Бушарда, У. Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие). В 30-х годов было до­казано существование свободнорадикального и ионного механиз­мов полимеризации. Большую роль в развитии представлений о поликонденса­ции сыграли работы У. Карозерса.

С начала 20-х годов XX века развиваются также теоретические представления о строении полимеров. Вначале предполагалось, что такие био­полимеры, как целлюлоза, крахмал, кау­чук, белки, а также некоторые син­тетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способ­ностью ассоциировать в растворе в комп­лексы коллоидной природы благодаря не ковалентным связям (теория “малых блоков”). Автором принципиально но­вого представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы, был Г. Штаудингер. Победа идей этого учёного заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики.

Полимеры - химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромо­лекулы) состоят из большого числа повто­ряющихся группировок (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими связями.


Строение и свойства полимеров


Макромолекулы полимеров могут иметь различную геометрическую форму в зависимости от строения основной цепи.

1. Линейная (волокна, полиэтилен, сера пластическая).
   
2. Разветвленная (крахмал, полиэтилен высокого давления).
   
3. Пространственная (резина, фенолформальдегидные смолы, кварц)
   

Линейная Разветвленная Пространственная




Линейные полимеры обладают специфическим комп­лексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать высокопрочные анизотроп­ные высокоориентированные волокна и пленки, способность к большим, дли­тельно развивающимся обратимым дефор­мациям; способность в высокоэластичном со­стоянии набухать перед растворением; высокая вязкость растворов. Этот комп­лекс свойств обусловлен высокой молекулярной массой, цепным строением, а также гиб­костью макромолекул. При переходе от линейных цепей к разветвленным, ред­ким трехмерным сеткам и, наконец, к густым сетчатым структурам этот комп­лекс свойств становится всё менее выра­женным. Сильно сшитые полимеры нераство­римы, неплавкие и неспособны к высоко­эластичным деформациям.


Линейные полимеры могут иметь как кристаллическую, так и аморфную структуру. Под кристалличностью полимеров понимают упорядоченное расположение макромолекул или их частей. Аморфные строение характеризуется отсутствием упорядоченности. Разветвленные и пространственные полимеры, как правило, являются аморфными.

Аморфные полимеры могут нахо­диться в трех физических состояниях: стекло­образном, высокоэластичном и вязко текучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой - пласти­ками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного расположения мак­ромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных цепей, при температуре около 20°С - эластичный материал, который при температуре -60 °С переходит в стеклообраз­ное состояние; полиметилметакрилат, построенный из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклооб­разный продукт, переходящий в высоко­эластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза - полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекуляр­ными водородными связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до температуры ее разложения. Большие различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, сте­реорегулярный полистирол - кристал­лическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться, и размягчается при температуре около 80 °С.

Линейные и разветвленные цепи полимеров можно превратить в пространственные структуры с помощью света, радиации или «сшивания» под действием химических реагентов.

По происхождению полимеры делятся на природные биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные) и синтети­ческие (полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы). Физические свойства линейных и разветвленных полимеров очень зависят от межмолекулярного взаимодействия их макромолекул. Например, у целлюлозы они взаимодействуют между собой по всей длине, и поэтому ее волокна обладают высокой прочностью. Аналогично особо прочные волокна дают многие синтетические полимеры (полипропилен, полиэфиры, полиамиды), линейные молекулы которых расположены вдоль оси растяжения. А вот разветвленные молекулы крахмала взаимодействуют лишь отдельными участками и поэтому не образуются прочных волокон.

Полимеры, макромолекулы которых построены из звеньев одинаковой пространственной конфигурации или же из звеньев различной конфигурации, но обязательно чередующихся в цепи в определенном порядке, называют Стереорегулярными. Полимеры с произвольным чередованием звеньев различной пространственной конфигурации называют нестереорегулярными.

Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование химических свя­зей между макромолекулами (так называемое сши­вание), например при вулканизации кау­чуков, дублении кожи; распад макромо­лекул на отдельные, более короткие фраг­менты, реак­ции боковых функциональных групп полимеров с низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные пре­вращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными группами одной макромоле­кулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание часто протекает одно­временно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений может слу­жить омыление поливтилацетата, при­водящее к образованию поливинилового спирта. Скорость реакций полимеров с низкомо­лекулярными веществами часто лимити­руется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это проявля­ется в случае сшитых полимеров. Скорость взаи­модействия макромолекул с низкомоле­кулярными веществами часто сущест­венно зависит от природы и расположения соседних звеньев относительно реагирую­щего звена. Это же относится и к внутри­молекулярным реакциям между функ­циональными группами, принадлежащи­ми одной цепи.

Некоторые свойства полимеров, например раствори­мость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств приме­сей или добавок, реагирующих с макро­молекулами. Так, чтобы превратить ли­нейный полимер из растворимого в полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2 поперечные связи.

Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и моле­кулярно-массовое распределение, сте­пень разветвленности и гибкости макро­молекул, стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих характеристик.


Классификация полимеров





Получение.


Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного осаждения и других методов они могут быть выделены из раститель­ного и животного сырья. Синтетические полимеры получают полимеризацией и поликонден­сацией. Карбоцепные полимеры обычно синте­зируют полимеризацией мономеров с од­ной или несколькими кратными углеродными связями или мономеров, содержащих неустойчивые карбоциклические группировки (например, из циклопропана и его производных), Гетероцепные полимеры получают поликонденсацией, а также полимеризацией мономеров, содержащих кратные связи углеродоэлемента (например, С=О, С=N, N=С=О) или не­прочные гетероциклические группировки.


Реакция полимеризации – это химический процесс соединения множества исходных молекул низкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы) полимера.

Реакции полимеризации делится на реакции гомополимеризации соединение молекул одного мономера, относится реакция получения полипропилена




пропен (пропилен) полипропилен


и на реакции сополимеризации – соединение молекул двух и более исходных веществ,

относится реакция получения бутадиен-стирольного каучука.



бутадиен-1,3 стирол





бутадиен-стирольный каучук


Реакция поликонденсации – это химический процесс получения макромолекулы полимера, идущий с образования побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды).

В реакции поликонденсации вступают молекулы мономера с функциональными группами. Как и в случае полимеризации, процессы поликонденсации разделяют на две группы: реакции гомополиконденсациии (из одного мономера)реакции сополиконденсации(из нескольких молекул).

К реакции гомополиконденсациии относится получения полисахаридов




глюкоза полисахарид

(крахмал, целлюлоза)

К реакции сополиконденсации относится получение фенолформальдегидной смолы.




фенол формальдегид фенолформальдегидная смола


Пластмассы

Пластмассы называют материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные приобретать при нагревание заданную форму и сохранять ее после охлаждения.

Как правило. Пластмасса – это смесь нескольких веществ; полимер – это лишь одно из них, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое, более или менее однородное целое. Поэтому полимер называю связующим. Первые пластмассы получили на основе природных полимеров – производных целлюлозы, каучука и т.д. Потом в качестве связующих стали применять и синтетические полимеры - фенолформальдегидные смолы, поли эфиры и т. д. Существуют пластмассы которые обратимо твердеют и размягчаются. Это термопласты, или термопластичные полимеры. Их можно рационально обрабатывать и перерабатывать методом литья под давлением, вакуумной формовки, профильным прессованием. К таким пластмассам относятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды. Если же в процессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея приобретает сетчатое строение, то это вещество уже нельзя возвратить в вязкотекучее состояние нагреванием или растворением. Такие пластмассы называют реактопластами или термореактивными полимерами. К ним относятся фенолформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.

Кроме связующего полимера, в пластмассы часто вводят добавки разного назначения, наполнители, красители, вещества, повышающие механические свойства, термостойкость и устойчивость к старению.

Волокна

Волокна – это полимеры линейного строения, которые пригодны для изготовления нитей, жгутов, текстильных материалов. Природные волокна по происхождению делят на три группы:

1. растительные (хлопок, лен, пенька и т.д.)
   
2. животные (шерсть, шелк)
   
3. минеральные(асбест)
   

Химическое волокно получают из растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их подразделяют на две группы:

1. Искусственные, которые получают из природных полимеров или продуктов их переработки, главным образом из целлюлозы и ее эфиров.
   
2. Синтетические, которые получают из синтетических полимеров (капрон, лавсан, энант, нейлон и др.
   

Биополимеры

Биополимеры – это хорошо известные белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Белки – это биополимеры, состоящие из остатков α аминокислот. В белках выделяют четыре уровня структур.

Первичную структуру белков можно рассматривать как линейную структуру. Она определяется порядком чередования остатков молекул α аминокислот в поли пептидной цепи и обусловливает белковую индивидуальность всех живых организмов на Земле. Как из букв алфавита можно построить бесконечное множество слов, так и из немногим более чем 200 α аминокислот природа создает все многообразие белков. У каждого организма свой неповторимый, как рисунок отпечатков пальцев, набор белковых молекул. На неприятии «чужих» белковых наборов (например, микробных) основана такая защитная реакция организма, как иммунитет и отторжение.

Вторичная структура белков(чаще всего спиралевидная) определяется особенностями скручивания (типом укладки) полипептидных цепей белковых молекул в спираль за счет возникновения водородных связей между группами – С=O и – NH –

.

Третичная структура белков определяется пространственным расположением белковых спиралей за счет возникновения водородных, амидных, дисульфидных связей, а также гидрофобных взаимодействий. Третичная структура (гемоглобин)


Третичная структура в виде определенной пространственной конфигурации с выступами и впадинами, с обращенными наружу функциональными группами обусловливает специфическую биологическую активность белковой молекулы. Не которые белки (например гемоглобин) имеют четвертичную структуру.

Четвертичная структура образуется в макромолекулах, в состав которых входит несколько полипептидных цепей. Эта структура соответствует размещению в пространстве полипептидных цепей, не связанных между собой ковалентными связями.

Полисахариды – это биополимеры, состоящие из остатков моносахаридов.

Представителями полисахаридов являются, например, крахмал и целлюлоза. Сильное значение имеет пространственное строение для свойств веществ. Ведь в основе столь разительных отличий крахмала и целлюлозы, имеющих общую формулу ,

Лежит то факт, что крахмал – ценное питательное вещество, запасной углевод растительной клетки – построен из остатков молекул α-глюкозы:

а целлюлоза – дополнительная механическая оболочка растительной клетки – построена из остатков молекул β – глюкозы:



Полинуклеотиды или нуклеиновые кислоты – это биополимеры, состоящие из остатков нуклеотидов. Подобно молекулам белков, нуклеиновые кислоты также характеризуются последовательностью чередования в их макромолекуле всего четырех видов нуклеотидов: аденинового (А), гуанинового (Г), цитозинового (Ц) (в молекуле любой нуклеиновой кислоты), урацилового (У) – в РНК или тиминового (Т) – в ДНК.

схема строения двойной спирали ДНК

Макромолекулы ДНК представляют собой спираль, состоящую из двух цепей, закрученных вокруг общей оси. Это их вторичная структура. В поддержание ее, как ив белках, важная роль принадлежит водородным связям. Образуются они между азотистым основаниями разных цепей макромолекулы, располагающимися, в отличие от радикалов белковых молекул, не снаружи, а внутри спирали


Полимеры в сельском хозяйстве

Сегодня можно говорить, по меньшей мере, о четырех основных направлениях использования полимерных ма­териалов в сельском хозяйстве. И в отечественной и в мировой практике первое место принадлежит пленкам. Благодаря применению мульчирующей перфорированной пленки на полях урожайность некоторых культур повы­шается до 30%, а сроки созревания ускоряются на 10-14 дней. Использование полиэтиленовой пленки для гид­роизоляции создаваемых водохранилищ обеспечивает существенное снижение потерь запасаемой влаги. Укры­тие пленкой сенажа, силоса, грубых кормов обеспечива­ет их лучшую сохранность даже в неблагоприятных по­годных условиях. Но главная область использования пленочных полимерных материалов в сельском хозяйст­ве - строительство и эксплуатация пленочных теплиц. В настоящее время стало технически возможным выпу­скать полотнища пленки шириной до 16 м, а это позво­ляет строить пленочные теплицы шириной в основании до 7,5 и длиной до 200 м. В таких теплицах можно все сельскохозяйственные работы проводить механизирован­но; более того, эти теплицы позволяют выращивать про­дукцию круглогодично. В холодное время теплицы обо­греваются опять-таки с помощью полимерных труб, за­ложенных в почву на глубину 60-70 см.

С точки зрения химической структуры полимеров, используемых в тепличных хозяйствах такого рода, можно отметить преимущественное использование полиэтилена, не пластифицированного поливинилхлорида и в меньшей мере полиамидов. Полиэтиленовые пленки отличаются лучшей светопроницаемостью, лучшими прочностными свойствами, но худшей погодоустойчивостью и сравнительно высокими теплопотерями. Они могут исправно служить лишь 1-2 сезона. Полиамидные и другие пленки пока применяются сравнительно редко.

Другая область широкого применения полимерных материалов в сельском хозяйстве - мелиорация. Тут и разнообразные формы труб и шлангов для полива, особенно для самого прогрессивного в настоящее время капельного орошения; тут и перфорированные пластмассовые трубы для дренажа. Интересно отметить, что срок службы пластмассовых труб в системах дренажа, например, в республиках Прибалтики в 3-4 раза дольше, чем соответствующих керамических труб. Вдобавок использование пластмассовых труб, особенно из гофрированного поливинилхлорида, позволяет почти полностью исключить ручной труд при прокладке дренажных систем.

Два остальных главных направления использования полимерных материалов в сельском хозяйстве - строительство, особенно животноводческих помещений, и машиностроение.

Полимеры в машиностроении

Ничего удивительного в том, что эта отрасль - главный потребитель чуть ли не всех материалов, производимых в нашей стране, в том числе и полимеров. Использование полимерных материалов в машиностроении растет такими темпами, какие не знают прецедента во всей человеческой истории. К примеру, в 1976 1. маши­ностроение нашей страны потребило 800000 т пласт масс, а в 1960 г. - всего 116 000 т. При этом интересно отметить, что еще десять лет назад в машиностроение направлялось 37—38% всех выпускающихся в нашей стране пластмасс, а 1980 г. доля машиностроения в использовании пластмасс снизилась до 28%. И дело тут не в том, что могла бы снизится потребность, а в том, что другие отрасли народного хозяйства стали при­менять полимерные материалы в сельском хозяйстве, в строительстве, в легкой и пищевой промышленности еще более интенсивно.

При этом уместно отметить, что в последние годы несколько изменилась и функция полимерных материалов в любой отрасли. Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из полимеров ста­ли изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпус­ных деталей машин и механизмов, несущих значитель­ные нагрузки. Ниже будет подробнее рассказано о при­менении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности, здесь же упомянем лишь один при­мечательный факт: несколько лет назад по Москве ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: чет­верть всех мелких судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс.

До недавних пор широкому использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два, казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам, главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток, шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно для полимеров, где четче всего проявляются их преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней отделки.

То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию. К примеру, многократное использование изделия в экстремальных физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты синтетическими смолами и пластиками.

Широко применяются полимерные материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем, что большая часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными способами что повышает уровень полезного использования (безотходность и отходность) термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.

Есть и другие подотрасли, где использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава делаются из синтетических пресс материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых колес

изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки отслуживших свое, рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать по­чти без износа в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти бесшумна. Дру­гая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических потерь, долговременность срока службы.

Еще одна область применения полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упомина­ния, - изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования прочных сталей н спла­вов все более жесткие требования предъявляются к об­рабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости, алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы (например, из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня де­монстрируют не меньшую твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока еще более дороги, чем природные и синтетические алма­зы, да к тому же им свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол. Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпу­скается с применением синтетических смол.

Таковы лишь некоторые примеры и основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения. Самое же первое место по темпам рос­та применения пластических масс среди других подот­раслей занимает сейчас автомобильная промышлен­ность. Десять лет назад в автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х го­дов это число перешагнуло за 30. С точки зрения хими­ческой структуры, как и следовало, ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид и полиолефины. Пока еще немного усту­пают им, но активно догоняют полиуретаны, полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомо­биля, которые в тех или иных моделях в наши дни из­готовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Ку­зова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шлан­ги, сиденья, дверцы, капот. Более того, не­сколько разных фирм за рубежом уже объявили о нача­ле производства цельнопластмассовый автомобилей. На­иболее характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем, те же, что и в дру­гих подотраслях. Во-первых, это экономия материалов: безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых, благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижает­ся общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации. В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей суще­ственно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.

Кстати, те же преимущества стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной про­мышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при изготовлении предкрылка кры­ла самолета позволяет сократить количество деталей с 47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%. При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изго­товлять из поликонденсационных смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту № 2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертоле­тов слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к дождевой эрозии. Жест­кие требования были поставлены перед конструкторами первого англо-французского сверхзвукового пассажир­ского самолета “Конкорд”. Было рассчитано, что от тре­ния об атмосферу внешняя поверхность самолета будет разогреваться до 120-150° С, и в то же время требова­лось, чтобы она не поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой фторопласта.


Тефлон


Ближайшие родственники полиэтилена, сходные с ним по строению, под­час сильно отличаются от него по свойствам и приятно удивляют учёных новыми ценными качествами.

Если заменить все атомы водорода в молекуле этилена на атомы фто­ра, то этилен превратится в тетрафторэтилен, полимеризацией которо­го химики-технологи получили первую фторсодержашую пластмассу (фто­ропласт).

Политетрафторэтилен, названный впоследствии тефлоном, по многим механическим, физическим, химическим свойствам, как оказалось, пре­восходит не только полиэтилен, но и все остальные известные полимеры. Этот материал безразличен к действию любых растворителей и имеет необычно высокую температуру размягчения, равную 327 °С. А разложение тефлона начинается при рекордной для полимеров температуре — 425 °С!

Тефлон обладает непревзойдённой химической стойкостью: он совер­шенно не горит, на него не действуют концентрированные кислоты и щёлочи, даже таким химическим агрессорам, как галогены, царская водка и фтороводородная кислота, тефлон «не по зубам». Недаром его образ­но назвали «алмазным сердцем в шкуре носорога».

Этот замечательный материал незаменим при изготовлении химиче­ской аппаратуры для агрессивных сред, негорючей электроизоляции, а так­же подшипников и деталей, не требующих смазки. А ещё тефлоновой плён­кой покрывают металлическую посуду и гладящую поверхность утюгов. В сковороде с таким покрытием никогда не пригорит еда, а к утюгу ни­чего не прилипнет. Так что благородный и невозмутимый тефлон по пра­ву считается пластмассой будущего.

Каучук, резина и другие


Помимо высокомолекулярных ве­ществ семейства полиэтилена суще­ствует огромный класс полимеров, получаемых из сопряжённых дие­нов: бутадиена-1,3; 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена) и их аналогов.

В результате полимеризации этих непредельных углеводородов образу­ются высокомолекулярные вещества, называемые каучуками:

натуральный изопреновый каучук

синтетический бутадиеновый каучук

Природный каучук стал известен в Европе ещё в конце XV в. Первыми из европейцев его увидели участники второго путешествия Христофора Колумба в Америку (1493—1496 гг.). Тогда они узнали, что американские индейцы получают «слезы дерева» (на их языке «кау» означало «дерево», а «учу» — «течь», «плакать») из млечно­го сока тропического растения гевея и используют его для изготовления обуви, мячей, небьющейся посуды. Однако в Европе в течение долго­го времени экзотический материал не находил никакого применения. Только в 1823 г. шотландский изобре­татель Чарлз Макинтош (1766—1843) предложил пропитывать ткань сме­сью каучука с органическим раство­рителем. В результате был получен не­промокаемый материал. Макинтош первым организовал производство таких тканей и пошив из них дожде­вых плащей. Правда, у этих плащей были весьма неприятные недостат­ки — они прилипали к телу в жаркую погоду и трескались в холодную.

В 1834 г. американский изобрета­тель Чарлз Гудьир (1800—1860) пред­ложил вводить в каучук оксиды магния и кальция, а в 1839 г. изучил действие нагрева на смесь сырого каучука с оксидом свинца и серы. Полученный в результате новый материал назвали резиной (от греч. «резина» — «смола»), а процесс превращения каучука в ре­зину при нагревании с серой — вулка­низацией (по имени римского бога ог­ня Вулкана).

Резина, в отличие от каучука, пред­ставляет собой сшитый полимер. Од­нако благодаря большому расстоя­нию между сшивками макромолекулы не теряют способности выпрямлять­ся при растяжении и сворачиваться в клубки после снятия механической нагрузки. С другой стороны, сшивки не дают резине плавиться при на­гревании и кристаллизоваться при охлаждении. Таким образом, резина, находясь в аморфном состоянии, со­храняет свои механические свойства в более широком диапазоне темпера­тур, чем каучук.

С развитием автомобилестроения в конце XIX в. резко возрос спрос на автомобильные шины, и резина, со­четающая эластичность с высокой механической прочностью, оказа­лась единственным подходящим ма­териалом для их изготовления. Для производства шин с каждым годом требовалось всё больше резины, а следовательно, и натурального каучу­ка. Тогда каучук получали по старин­ке — из млечного сока гевеи. Основ-

ными поставщиками этого ценного природного полимера были тропиче­ские страны — Бразилия, английские и французские колонии в Юго-Вос­точной Азии. Для получения 1000 т растительного полимера необходимо было обработать 3 млн каучуконос­ных деревьев и затратить на это в те­чение года труд 5,5 тыс. человек.

Таким образом, необходимый для изготовления резины натуральный каучук был достаточно дорогим и де­фицитным материалом. По этой при­чине в первой половине XX в. хими­ки настойчиво искали вещества, способные заменить каучук и синте­зируемые из доступных дешёвых со­единений.

Первой страной, освоившей про­мышленное производство синтети­ческого каучука, стал Советский Со­юз. В конце 20-х гг. русский химик Сергей Васильевич Лебедев (1874— 1934) занялся проблемой полимери­зации бутадиена-1,3. Учёный и его коллеги нашли подходящий катали­затор — им оказался металлический натрий. И в 1927 г. исследователь, проведя ионную каталитическую по­лимеризацию, получил первые об­разцы синтетического натрий-бута­диенового каучука:

Лебедев и его группа разработали также дешёвый способ получения бу­тадиена-1,3 из этилового спирта.

Промышленное производство бу­тадиенового каучука было налажено в 1932 г., когда вступили в строй опыт­ные заводы в Ярославле и Воронеже.

В 1935 г. наступила новая эра в про­изводстве синтетических каучуков — их стали делать из сополимеров, полу­чаемых радикальной полимеризацией 1,3-бутадиена в присутствии стирола, акрилонитрила и других соединений. Сополимеры бутадиена начали быст­ро вытеснять другие каучуки в произ­водстве автомобильных шин.

Наибольшее распространение в этой области имеет бутадиен-сти-рольный каучук — продукт радикаль­ной сополимеризации бутадиена и стирола.

Он широко применяется в произ­водстве резины для легковых автомо­билей, однако шины для грузовиков и самолётов по-прежнему делают из натурального или синтетического полиизопренового каучука.

В 1953г. благодаря открытию ка­тализаторов Циглера — Натты учё­ным всё-таки удалось получить регу­лярные полибутадиен и полиизопрен, которые по прочности и эластично­сти превосходили все известные к то­му времени синтетические каучуки.

Вскоре выяснилось, что по составу и строению макромолекул регуляр­ный полиизопрен тождествен нату­ральному каучуку, и химики реализо­вали свою давнюю мечту — получать в промышленном масштабе каучук гевеи.

Синтетические каучуки в значи­тельной степени вытеснили нату­ральный каучук; например, в 1985 г. в мире было произведено 12 млн тонн синтетического каучука и толь­ко 4 млн тонн натурального.


Фенолформальдегидные смолы

В обычной жизни смолой называют густую тягучую жидкость, выступаю­щую из надреза в коре сосны, ели и некоторых других деревьев. Раньше,

когда не было синтетических смол, люди использовали только природ­ные. Многие из них, например кани­фоль (от названия древнегреческого города Колофона в Малой Азии), ко­пал (ископаемая смола), янтарь, нату­ральный каучук, имеют раститель­ное происхождение, однако есть и такие смолы, которые производятся животными — в частности, шеллак.

Раньше природный шеллак был практически незаменимым материа­лом: из него делали граммофонные пластинки и другие предметы быта, а его спиртовой раствор использова­ли в качестве лака для дерева. Шеллак стоил очень дорого: европейцам при­ходилось завозить его из далёких

южных стран — Индии и Индокитая. Процесс получения шеллака из при­родного сырья был очень долгим и трудоёмким. Все эти причины заста­вили химиков в конце XIX в. занять­ся поисками материала, который смог бы заменить шеллак. И такой материал удалось найти. Им стала фенолформальдегидная смола — синтетическая смола, получаемая на­греванием смеси фенола с формаль­дегидом.

Реакция образования фенолформальдегидной смолы впервые была описана немецким учёным Адоль­фом Байером в 1872 г. В результате этой реакции молекулы формальде­гида связывают между собой молекулы фенола, при этом выделяется мо­лекула воды.

Формальдегид способен взаимодейст­вовать с молекулами фенола по орто-и пара-положениям с образованием сетчатого полимера.

Главным недостатком первой син­тетической смолы была хрупкость. Кроме того, её синтез проводили при довольно высокой температуре (140—180 °С), и образующаяся вода выделялась в виде пара. Это приводило к возникновению вздутий и пустот.


Органическое стекло

С древнейших времён человеку было известно стекло — твёрдый прозрачный термостойкий материал. К сожа­лению, оно очень хрупкое — все хорошо знают, как лег­ко бьётся стеклянная посуда. И только в XX в. развитие химии полимеров позволило получить пластмассу, по свойствам похожую на неорганическое стекло, — полиметилметакрилат (ПММА). Это высокомолекуляр­ное соединение образуется в результате радикальной полимеризации мономера — метилового эфира метакриловой кислоты.

В макромолекулах ПММА к атому углерода присо­единено два заместителя — полярная сложноэфирная и метильная группы. Силы притяжения между молеку­лами полимера чрезвычайно велики, и потому ПММА — один из самых жёстких пластиков: его можно пилить и обрабатывать на токарном станке.

Этот бесцветный прозрачный полимер при температуре более 110 °С размягчается и переходит в вязко-текучее состояние. Поэтому ПММА легко перерабатывается в различные изделия формованием и литьём под давлением. Полиметилметакрилат — один из наиболее термостойких полимеров: он начинает разлагать­ся только при температуре свыше 300 °С.

Лёгкие прозрачные листы, изго­товленные из ПММА, а также ряда других полимеров (полистирола, поли­карбоната и т. п.) химики-технологи назвали ор­ганическим стеклом (сокращённо — оргстекло или плексиглас). Главное достоинство этого материала — его высокая прочность. Она превосходит прочность обычного (силикатного) стекла в десятки раз: предме­там из органического стекла не страшны удары. В от­личие от обычного стекла, оргстекло хорошо пропус­кает ультрафиолетовые лучи, необходимые растениям, и именно его предпочтительнее использовать для остекления теплиц. Однако такое стекло уступает обычному в твёрдости (острые предметы оставляют на нём царапины) и химической стойкости.

Благодаря уникальным свойствам оргстекло проч­но обосновалось в промышленности и в быту, потеснив в некоторых областях силикатное стекло. Оно широко применяется в военной технике, авиации, различных из­мерительных приборах, часовых механизмах. Этот ма­териал оказался удобным и для изготовления светиль­ников, реклам, дорожных знаков и безосколочного стекла «триплекс». А поскольку оргстекло практически безвредно для человеческого организма, оно нашло при­менение в качестве материала для зубных протезов и контактных линз. Так вот и сбылась многовековая меч­та ремесленников-стекольшиков и химиков-технологов:

получено лёгкое, прочное, небьющееся стекло — стекло из органических соединений.

Список литературы

1. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия/Глав. ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2001. – 640 с.: ил.
   
2. И.Г. Хомченко ‘Общая химия’, М. ‘Химия’ 1987
   
3. Г.П. Хомченко ‘Химия для поступающих в Вузы’, М.’Высшая школа’ 1994
   

Экзаменационный реферат по химии

«Полимеры (волокна, пластмассы, биополимеры)»


Выполнил ученик 11 класса. А

Лицей-интернат № 7

Козлов Эдуард.


Руководитель: Мануйлова Ирина Викторовна


г. Бердск, 2007.