ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Загальна характеристика та класифікація

Методична розробка до організації ПСРС №3

Тема. Полімери: їх властивості та застосування.

Актуальність теми:Природні та штучні полімери відіграють значну роль у сучасній техніці. Різке зростання виробництва та споживання органічних матеріалів відбулося за рахунок синтетичних полімерів — матеріалів, отриманих шляхом синтезу з низькомолекулярних речовин неприродних аналогів. Без полімерів уже не може обійтися жодна галузь техніки, тим більше нової.

Навчальні цілі

Знати:

— історію розвитку полімерів;

— характеристику та класифікацію полімерів;

— фізичні властивості полімерів;

— структуру полімерів;

— хімічну будову полімерів;

— застосування полімерів;

Вміти:

— пояснити фізичну суть реактивного руху

— записати закон збереження імпульсу для реактивного руху

— описати механізм руху ракети.

Історичний розвиток хімії полімерів

Термін «полімерія» був уведений в науку І. Берцеліусомв 1833 р. для позначення особливого виду ізомерії, за якої речовини однакового складу, відрізняються молекулярною масою. Наприклад, етилен і бутилен, кисень і озон. Синтетичні полімери на той час ще не були відомі, а перші згадки про них належать до 1838 р. (полівініліден- хлорід)і 1839 р. (полістирол). Тому такий зміст терміна не відповідає сучасним уявленням.

Деякі полімери, вірогідно, одержували ще в першій половині XIX ст. Це були побічні та небажані на той час продукти «осмолення» основної хімічної реакції. Реакції полімеризації та поліконденсації, які вели до утворення таких продуктів на той час намагалися подавити. Тому для полімерів ще іноді використовують термін «смола». Хімія полімерів як наука виникла лише після створення в 60-х роках XIX ст, російським хіміком О. М. Бутлеровим (1828-1886) теорії хімічної будови органічних речовин, що дало можливість систематизувати величезний практичний матеріал, накопичений на той час органічною хімією. Реакція Кучерова заклала основу промислового синтезу складних і простих вінілових ефірів, які використовуються для утворення ряду полімерів (наприклад, полівінілацетату). Вуглеводні ацетиленового ряду також дуже легко полімерізуються з утворенням циклічних вуглеводнів ряду бензолу.

Загальна характеристика та класифікація

Розмір молекули полімеру визначається ступенем полімеризації п, тобто числом ланок у ланцюзі. Якщо п = 10...20, речовина належить до легких масел. Зі зростанням п збільшується в'язкість, речовина стає воскоподібною, нарешті, при п-1000 утворюється твердий полімер. Ступінь полімеризації необмежений: він може бути 10⁴, і тоді довжина молекул досягає .мікрометрів. Молекулярна маса полімеру дорівнює добутку молекулярної маси мономера та ступеня полімеризації. Зазвичай молекулярна маса перебуває в межах 10³...3 10⁵. Більша довжина молекул перешкоджає їх правильному впакуванню, і структура полімерів варіює від аморфної до частково кристалічної. Частка кристалічності значною мірою визначається геометрією ланцюгів. Чим ближче укладаються ланцюги, тим більш кристалічним полімер стає. Кристалічність навіть у найкращому разі виявляється недосконала.

Аморфні полімери плавляться в діапазоні температур, яка залежить не тільки від їхньої природи, але й від довжини ланцюгів; кристалічні мають точку плавлення.

В основу класифікації полімерів закладені різні ознаки: походження, склад, методи утворення, структура, галузі використання. Так, за походженням полімери поділяються на:

• природні або натуральні, до яких належить велика група (білки, крохмаль, целюлоза, натуральний каучук, природний графіт та ін.);

• синтетичні — утворені синтезом з низькомолекулярних речовин — мономерів (поліетилен з етилену, полістирол із стиролу). Це провідна група, тому що синтез дозволяє цілеспрямовано регулювати склад і властивості;

• штучні — утворюються з природних полімерів шляхом їх хімічної модифікації (наприклад, під час взаємодії целюлози з азотною кислотою утворюється нітроцелюлоза).

Природні полімери утворюються в результаті життєдіяльності рослин і тварин й утримуються в деревині, вовні, шкірі. До природних полімерів належать протеїн, целюлоза, крохмаль, шелак, лігнін, латекс.

Зазвичай природні полімери піддаються операціям виділення, очищення, модифікації, за яких структура основних ланцюгів залишається незмінною. Продуктом такої переробки є штучні полімери. Прикладами є натуральний каучук, виготовлений з латексу, целулоїд, що представляє собою нітроцелюлозу, пластифіковану камфорою для підвищення еластичності.

Природні та штучні полімери відіграють значну роль у сучасній техніці. Різке зростання виробництва та споживання органічних матеріалів відбулося за рахунок синтетичних полімерів — матеріалів, отриманих шляхом синтезу з низькомолекулярних речовин неприродних аналогів. Без полімерів уже не може обійтися жодна галузь техніки, тим більше нової. За хімічною структурою полімери поділяються на лінійні, розгалужені, сітчасті та просторові. Молекули лінійних полімерів хімічно інертні по відношенню одна

до одної і зв'язані між собою лише силами Ван-дер-Ваальса. Під час нагрівання в'язкість таких полімерів зменшується, і тоді вони здатні зворотно переходити спочатку у високоеластичний, а потім й у в'язко-текучий стан. Оскільки єдиним наслідком нагрівання є зміна пластичності, лінійні полімери називають термопластичними. Не слід уважати, що термін «лінійні» позначає прямолінійні, навпаки, для них більше характерна зубчаста або спіральна конфігурація, що надає таким полімерам механічної міцності.

Термопластичні полімери можна не лише плавити, але й розчиняти, тому що зв'язки Ван-дер-Ваальса легко руйнуються під дією реагентів.

Розгалужені (щеплені) полімери більш міцні, ніж лінійні. Контрольоване розгалуження ланцюгів служить одним з головних промислових методів модифікації властивостей термопластичних полімерів. Сітчаста структура визначається тим, що ланцюги зв'язані один з одним, а це сильно обмежує рух і призводить до зміни як механічних, так і хімічних властивостей. Звичайна гума м'яка, але під час вулканізації сіркою утворюються ковалентні зв'язки типу 8-0, і міцність зростає. Полімер може отримати сітчасту структуру й спонтанно, наприклад під дією світла або кисню, відбудеться старіння із втратою еластичності та працездатності. Нарешті, якщо молекули полімеру містять реакційні групи, то під час нагрівання вони з'єднуються безліччю поперечних міцних зв'язків, полімер виявляється зшитим, тобто набуває просторової структури. Таким чином, нагрівання викликає різкі та необоротні реакції, що змінюють властивості матеріалу, надаючи йому міцності і високої в'язкості і роблячи його нерозчинним і неплавким. Внаслідок великої реакційної здатності молекул, яка проявляється під час підвищення температури, такі полімери називають термореактивними. Неважко уявити, що їхні молекули активні не тільки по відношенню одна до іншої, але й до поверхонь сторонніх тіл. Тому термореактивні полімери, на відміну від термопластичних, мають високу адгезовану здатність навіть за низьких температур, що дозволяє використовувати їх як захисні покриття, клеї і сполучні в композиційних матеріалах.

Термопластичні полімери отримують за реакцією полімеризації. Під час ланцюгової полімеризації молекулярна маса наростає майже миттєво, проміжні продукти нестійкі, реакція чутлива до наявності домішок і потребує, як правило, високих тисків. Не дивно, що такий процес у природних умовах неможливий і всі природні полімери утворилися в інший спосіб. Сучасна хімія створила новий інструмент — реакцію полімеризації, а завдяки йому — великий клас термопластичних полімерів. Реакція полімеризації реалізується лише в складних апаратурах спеціалізованих виробництв, і термопластичні полімери споживач одержує в готовому вигляді.

Реакційності молекули термореактивних полімерів можна досягти більш простим і природним шляхом — поступово від мономера до димера, потім до тримера, тетрамера тощо. Таке об'єднання мономерів, їх «конденсацію» називають реакцією поліконденсації; вона не вимагає ні високої чистоти, ні тисків, але супроводжується зміною хімічного складу, а часто й виділенням побічних продуктів (звичайно водяної пари). Саме ця реакція реалізується в природі; вона може бути легко здійснена за рахунок лише невеликого нагрівання за найпростіших умов, аж до домашніх. Така висока технологічність термореактивних полімерів надає широкі можливості виготовляти різні вироби на нехімічних підприємствах, у тому числі на радіозаводах.

Незалежно від виду та складу вихідних речовин і способів одержання матеріали на основі полімерів можна класифікувати в такий спосіб: пластмаси, волокніти, шаруваті пластики, покриття, клеї.

Фізичні властивості

Полімери— здебільшого аморфні речовини. Довгі ланцюжки та велика молекулярна маса не дозволяють полімерам переходити до рідкого стану (швидше настає хімічний розпад). Проте у разі підвищення температури з полімерами відбуваються зміни — вони розм'якають і стають дуже пластичними. Температура переходу від крихкого стану до пластичного називається температурою склу- вання. Температура склування не є чітко визначеною температурою фазового переходу, а радше вказує на температурний діапазон, у якому відбуваються зміни. За низьких температур полімери є досить крихкими матеріалами.

Здебільшого використовуються механічні властивості полімерів. За температури, вищої за температуру склування, їх неважко пресувати в довільну форму, застигаючи, вони зберігають форму й можуть слугувати для інкапсуляції та інших цілей.

Застосування

Полімерні матеріали мають комплекс характеристик, які в разі умілого їх використання забезпечують ефективні експлуатаційні властивості виробів та рентабельність їх виробництва. До основних переваг полімерів відносять:

• високу технологічність, завдяки якій з виробничого циклу можна вилучити трудомісткі та коштовні операції механічної обробки виробів;

• мінімальну енергомісткість, обумовлену тим, що температура переробки цих матеріалів складає, як правило, 150-250 °С, що значно нижче ніж у металів та кераміки;

• можливість отримання за один цикл формування відразу декілька виробів, у тому числі складної конфігурації, а під час виробництва погонажних виробів вести процес на великих швидкостях;

• автоматизацію практично всіх процесів переробки.

Унаслідок перелічених особливостей полімери здобули виняткового поширення та ефективно використовуються практично в усіх галузях світового господарства.

Основними виробниками полімерів є США, Японія, Німеччина, Корея, Китай.

У гірничій справі і дотичних галузях полімерні реагенти застосовують під час флокуляції, збагачення корисних копалин, заводнення родовищ нафти, підготовки бурових розчинів, спеціальних тверднучих речовин в'яжучих матеріалів тощо.